4電壓波動(dòng)與閃變

1、4電壓波動(dòng)與閃變4.1 基本概念一、均方根值電壓的變動(dòng)特性電壓變動(dòng)：凡不保持電壓均方根值恒定不變的現(xiàn)象，或者說，實(shí)際電壓偏離系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的現(xiàn)象。電壓均方根值： 其離散計(jì)算公式： “均方根值電壓” 要與“瞬時(shí)值電壓”區(qū)分：電壓瞬時(shí)值的改變可以用以下表達(dá)式描述 均方根值電壓變動(dòng)特性U（t），簡(jiǎn)稱電壓特性，是指沿基波半個(gè)周期及其整數(shù)倍求取的電壓均方根值隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。 7/25/202214電壓波動(dòng)與閃變圖41（a）中電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后的穩(wěn)態(tài)電壓均方根值與額定電壓之間的差 為穩(wěn)態(tài)電壓變動(dòng)值。啟動(dòng)過程中相鄰兩點(diǎn)極值電壓之差 為動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)值。7/25/202224電壓波動(dòng)與閃變?cè)陔娔苜|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，通

2、常以標(biāo)稱電壓的相對(duì)百分?jǐn)?shù)來表示電壓變動(dòng)值，即相對(duì)穩(wěn)態(tài)電壓變動(dòng)值相對(duì)動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)值 相對(duì)最大電壓變動(dòng)值二、典型電壓變動(dòng)現(xiàn)象 1.電壓偏差 （欠電壓與過電壓）7/25/202234電壓波動(dòng)與閃變 2.電壓波動(dòng) 3.電壓暫降與暫升 4.短時(shí)間電壓中斷 5.長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷 4.2電壓波動(dòng) 一、電壓波動(dòng)的含義電壓波動(dòng)（Voltage Flactuation）：電壓均方根值一系列相對(duì)快速變動(dòng)或連續(xù)改變的現(xiàn)象，其變化周期大于工頻周期。配電系統(tǒng)運(yùn)行中，這種電壓波動(dòng)現(xiàn)象有可能多次出現(xiàn)，變化過程可能是規(guī)則的、不規(guī)則的，亦或是隨機(jī)的。 7/25/202244電壓波動(dòng)與閃變導(dǎo)致原因舉例：(a)單一阻性負(fù)荷投切；(b)

3、多重負(fù)荷投切；(c)非線性電阻負(fù)荷運(yùn)行；(d)隨機(jī)的功率波動(dòng)負(fù)荷運(yùn)行。7/25/202254電壓波動(dòng)與閃變?yōu)榉治龇奖闱矣植皇б话阈?，常抽象地將恒定不變的工頻電壓看作載波，將波動(dòng)電壓看作調(diào)幅波。僅含單一頻率的調(diào)幅波對(duì)工頻載波的調(diào)制，調(diào)制波解析式的一般表達(dá)式為： 若調(diào)幅波電壓為單一頻率的正弦波形，則有： 7/25/202264電壓波動(dòng)與閃變電壓變動(dòng)頻度r單位時(shí)間內(nèi)電壓變動(dòng)的次數(shù)（單位：時(shí)間的倒數(shù)）。國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：電壓由大到小或由小到大的變化各算一次變動(dòng)。同一方向的若干次變動(dòng)，如果變動(dòng)間隔時(shí)間小于30ms，則算一次變動(dòng)。 （圖4-4（b）所示的l0Hz正弦調(diào)幅波電壓波形曲線，其電壓波動(dòng)值為調(diào)

4、幅波的峰谷差值，變動(dòng)頻度為20 次/s ）連續(xù)電壓波動(dòng)的頻度為調(diào)幅波基波頻率的2倍，常用的關(guān)系式為 次/s 或 次/mis 7/25/202274電壓波動(dòng)與閃變 二、波動(dòng)性負(fù)荷對(duì)電壓特性的影響引起電壓波動(dòng)的主要原因：功率沖擊性波動(dòng)負(fù)荷（頻繁發(fā)生且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電壓波動(dòng) ）其它：短路故障或開關(guān)操作，或者是無功功率補(bǔ)償裝置、大型整流設(shè)備的投切。波動(dòng)性負(fù)荷可分為兩大類型：（1）電壓按一定規(guī)律周期變動(dòng)的負(fù)荷（由于頻繁啟動(dòng)和間歇通電引起）。例如，軋鋼機(jī)和絞車、電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)等。（2）連續(xù)的不規(guī)則的隨機(jī)電壓變動(dòng)的負(fù)荷。例如，煉鋼電弧爐等。7/25/202284電壓波動(dòng)與閃變電壓波動(dòng)值的簡(jiǎn)化計(jì)算方法：考慮三

5、相平衡負(fù)荷，用戶側(cè)供電電壓波動(dòng)量近似表達(dá)式：供電母線相對(duì)電壓波動(dòng)值d的計(jì)算公式： 電壓波動(dòng)值與負(fù)荷的無功功率變動(dòng)量Q成正比，與公共連接點(diǎn)的短路容量成反比。它從物理意義上反映了供電電壓發(fā)生變動(dòng)的根本原因。7/25/202294電壓波動(dòng)與閃變?cè)诠こ虒?shí)際應(yīng)用中，可進(jìn)一步利用簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果對(duì)將要連接到供電系統(tǒng)中的波動(dòng)性負(fù)荷對(duì)公共連接點(diǎn)（PCC）的電壓反作用進(jìn)行預(yù)測(cè)估算。具體方法如下： PCC處的短路容量計(jì)算公式：假定系統(tǒng)阻抗電壓降相對(duì)于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓很小時(shí)，供電電流變化量也可用接入的負(fù)荷容量（視在功率）的變化量來表示，可以寫出： 7/25/2022104電壓波動(dòng)與閃變?nèi)?、電壓波?dòng)限值 在波動(dòng)性負(fù)荷中，以電

6、弧爐引起的電壓波動(dòng)最為嚴(yán)重。多數(shù)國(guó)家在制定的電壓波動(dòng)與閃變標(biāo)準(zhǔn)中的條款通常是針對(duì)電弧爐負(fù)荷設(shè)定的。表中公共連接點(diǎn)標(biāo)稱電壓等級(jí)劃分為：（1）低壓（LV）： ；（2）中壓（MV）： ；（3）高壓（HV）： 。 7/25/2022114電壓波動(dòng)與閃變對(duì)于隨機(jī)性不規(guī)則的電壓波動(dòng)，國(guó)標(biāo)中規(guī)定電壓波動(dòng)的限值為：（1）HV： ；（2）MV： ；（3）LV： 。4.3 閃變（Voltage Flicker） 一、基本概念與定義 電光源的電壓波動(dòng)造成燈光照度不穩(wěn)定的人眼視感反應(yīng)稱為閃變。換言之，閃變反映了電壓波動(dòng)引起的燈光閃爍對(duì)人視感產(chǎn)生的影響。白熾燈的光功率與電源電壓的平方成正比，所以受電壓波動(dòng)影響最大。通常

7、選白熾燈光照設(shè)備受影響的程度作為判斷電壓波動(dòng)是否能被接受的依據(jù)。 7/25/2022124電壓波動(dòng)與閃變閃變的主要決定因素：供電電壓波動(dòng)的幅值、頻度和波形（頻譜分布）照明裝置類型人對(duì)閃變的主觀視感 1、閃變覺察率F 依據(jù)IEC推薦的實(shí)驗(yàn)條件，采用不同波形、頻率、幅值的調(diào)幅波并以工頻電壓為載波向工頻230V、60W白熾燈供電照明，閃變覺察率為 式中 A沒有覺察的人數(shù)；B略有覺察的人數(shù)；C有明顯覺察的人數(shù)；D難以忍受的人數(shù)。7/25/2022134電壓波動(dòng)與閃變閃變覺察率超過50，則說明半數(shù)以上的實(shí)驗(yàn)觀察者對(duì)電壓波動(dòng)有明顯的或難以忍受的視覺反映。 2、瞬時(shí)閃變視感度S（t） 為反映人的瞬時(shí)閃變感覺

8、水平，用閃變強(qiáng)弱的瞬時(shí)值隨時(shí)間變化來描述，即瞬時(shí)閃變視感度S（t）。它是電壓波動(dòng)的頻度、波形、大小等綜合作用的結(jié)果，其隨時(shí)間變化的曲線是對(duì)閃變?cè)u(píng)估衡量的依據(jù)。通常規(guī)定閃變覺察率F50%為瞬時(shí)閃變視感度的衡量單位，對(duì)應(yīng)的稱之為S（t）1覺察單位。若s（t）1覺察單位，說明實(shí)驗(yàn)觀察者中有更多的人對(duì)燈光閃爍有明顯感覺，則規(guī)定為對(duì)應(yīng)閃變不允許水平。 7/25/2022144電壓波動(dòng)與閃變 3、視感度頻率特性系數(shù)K（f）（1）閃變的一般覺察頻率范圍：125Hz； （2）閃變的最大覺察頻率范圍：0.0535Hz（其上下限值稱為截止頻率，上限值又稱為停閃頻率，即高于這一頻率的閃變?nèi)搜凼歉杏X不到的）；（3）閃

9、變的敏感頻率范圍：612Hz；（4）閃變的最大敏感頻率：8 .8Hz。視感度頻率特性系數(shù)K（f）顯然在此條件下，對(duì)應(yīng)閃變的最大敏感頻率8.8Hz有電壓波動(dòng)值d最小值，所以有 7/25/2022154電壓波動(dòng)與閃變圖4-8給出了在正弦電壓波動(dòng)條件下，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪出的視感度系數(shù)的頻率特性曲線。它反映了不同頻率正弦電壓波動(dòng)所引起的燈光閃爍在人眼和大腦中產(chǎn)生的主觀感覺相對(duì)強(qiáng)弱的程度。 7/25/2022164電壓波動(dòng)與閃變7/25/2022174電壓波動(dòng)與閃變4.波形因數(shù)R（f） 不同波形的電壓波動(dòng)引起的閃變反映也是不同的。通過對(duì)相同頻率的兩種不同波形（例如，正弦調(diào)幅波和矩形調(diào)幅波）的電壓波動(dòng)做比較

10、，可以計(jì)算出波形因數(shù)R（f）1，即在相同頻率下，矩形電壓波動(dòng)（非正弦波形）比正弦電壓波動(dòng)對(duì)閃變的影響更嚴(yán)重。（表4-2） 7/25/2022184電壓波動(dòng)與閃變二、閃變視覺系統(tǒng)模型 基本思路：通過對(duì)電壓波動(dòng)的響應(yīng)特性、人眼的感光反映能力和大腦的記憶存儲(chǔ)效應(yīng)的近似數(shù)學(xué)描述，從而得到人的視覺系統(tǒng)模型，即所謂閃變的燈-眼-腦反應(yīng)鏈傳遞函數(shù)。一個(gè)已知的視感度頻率特性系數(shù)K（f），可用拉普拉斯變換復(fù)變量s表示成傳遞函數(shù)K（s）的形式，并且多采用幅頻特性。具體：由已知正弦波調(diào)制電壓的視感度頻率特性系數(shù)K（f）及其對(duì)應(yīng)表4-2中的數(shù)據(jù)，作出燈-眼-腦反應(yīng)鏈的對(duì)數(shù)頻率特性曲線。用5條直線和漸近線對(duì)該曲線逼近描

11、述，或者說用5個(gè)典型控制環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅頻特性之和表示（推導(dǎo)過程略）。 式中的系數(shù)分別為K1.74802，2 4.05981，129.15494，222.27979，321.22535，4221.9 7/25/2022194電壓波動(dòng)與閃變4.4閃變的評(píng)估方法 一、電壓波動(dòng)與閃變的起因和危害起因：一方面是由于各種類型的大功率波動(dòng)性負(fù)荷投運(yùn)引起的；另一方面也會(huì)由于配電線路短時(shí)間承載過重。危害：（1）照明燈光閃爍，影響人的視覺；（2）電視機(jī)畫面不穩(wěn)定； （3）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定； （4）對(duì)電壓波動(dòng)較敏感的工藝過程或試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不良影響；（5）導(dǎo)致電子儀器和設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)控制生產(chǎn)線以及辦公自動(dòng)化設(shè)

12、備等工作不正常，或受到損壞。（6）導(dǎo)致以電壓相位角為控制指令的系統(tǒng)控制功能紊亂，致使電力電子換流器換相失敗等。 7/25/2022204電壓波動(dòng)與閃變 二、閃變水平評(píng)估與干擾限制值 1、短時(shí)間閃變水平值(10min) 圖4-11所示為某一觀察時(shí)間段，如取l0min內(nèi)等間隔采樣時(shí)間為測(cè)算到的15000個(gè)數(shù)據(jù)所描述的瞬時(shí)閃變視感度S（t）變化曲線。圖中給出第7級(jí)（1.21.4p.u.）統(tǒng)計(jì)計(jì)算示例 概率分布 7/25/2022214電壓波動(dòng)與閃變依次對(duì)其他9級(jí)S（t）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可給出概率分布直方圖，如圖4-12所示。對(duì)圖4-12概率分布直方圖進(jìn)行累加計(jì)算，可以得到圖4-13所示的累積概率函數(shù)（

13、CPF）圖形。 7/25/2022224電壓波動(dòng)與閃變用5個(gè)概率分布 測(cè)定值計(jì)算出短時(shí)（10min）閃變平滑估計(jì)值 表示實(shí)際檢測(cè)到的短時(shí)間閃變水平嚴(yán)重度。其近似計(jì)算公式為式中，k0.1=0.0314，k1 =0.0525，k3=0.0657，k10=0.28， k500.08。 式（4-31）中5個(gè)測(cè)定值p0.1、p1、p3、p10、p50分別為10min內(nèi)超過01、1、3、10%和50%時(shí)間比的概率分布水平7/25/2022234電壓波動(dòng)與閃變2、長(zhǎng)時(shí)間閃變水平值長(zhǎng)時(shí)間閃變的統(tǒng)計(jì)時(shí)間需在1h以上，國(guó)標(biāo)中規(guī)定為2h。在2h或更長(zhǎng)時(shí)間測(cè)得并作出的累計(jì)概率統(tǒng)計(jì)曲線（CPF）中，將瞬時(shí)閃變視感度不超

14、過99 %概率的短時(shí)間閃變值 （用符號(hào) 表示）或超過1%時(shí)間的 值（用符號(hào) 表示）作為長(zhǎng)時(shí)間閃變水平值 ，即UIC/IEC標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)定對(duì)于已順序測(cè)得的N個(gè)l0min短時(shí)間閃變值 （k=1, 2, 3,，N）數(shù)據(jù)，長(zhǎng)時(shí)間閃變值可由這N個(gè) 的立方和求根得到： 7/25/2022244電壓波動(dòng)與閃變 3、閃變干擾限制值GB/T12326-2008電壓波動(dòng)和閃變(2000修訂版）：1）閃變限值中去掉了Pst，只保留Plt 2）各級(jí)電壓閃變限值Plt ：110kv及以下：1 110kv以上：0.87/25/2022254電壓波動(dòng)與閃變4.5電弧爐用電特性分析 由于電弧爐煉鋼在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性，工業(yè)生產(chǎn)采

15、用交流電弧爐已日益增多，單臺(tái)容量也不斷增大，因此電弧爐對(duì)供電系統(tǒng)的干擾也愈加突出-交流電弧爐是供電系統(tǒng)各類功率波動(dòng)性負(fù)荷中對(duì)電壓特性影響最大的負(fù)荷。其不利影響主要包括有功功率和無功功率沖擊性快速變化引起的電壓波動(dòng)和閃變，電弧電阻的非線性導(dǎo)致的電力諧波畸變，以及三相負(fù)荷不對(duì)稱帶來的供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不平衡干擾等。 普通交流電弧爐的冶煉周期約為38h，通常電弧爐的供電電壓為110kV或35kV，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的電弧爐變壓器供電，二次側(cè)電極間電壓的典型值在100600V之間。電弧爐的電流控制是通過電弧爐變壓器高壓側(cè)繞組分接頭的切換和電極的升降來實(shí)現(xiàn)的。電弧爐所消耗無功功率大，并且無功功率變化量也很大，在電極短

16、路時(shí)功率因數(shù)約為0.10.2，在額定運(yùn)行時(shí)約為0.70.85。 7/25/2022264電壓波動(dòng)與閃變電弧爐的運(yùn)行周期包括三個(gè)階段：熔化期、氧化期和還原期。 (1)熔化期的主要任務(wù)是使?fàn)t料迅速熔化。熔化期約為0.52h，但在此期間消耗的電能占一個(gè)投運(yùn)周期總耗電量的60% 70%。 (2)氧化期的主要任務(wù)是脫磷及去氣、去夾雜。 (3)還原期的主要任務(wù)和操作是脫氧、脫硫、調(diào)整溫度和調(diào)整成分。圖4-21給出了電弧爐負(fù)荷運(yùn)行周期示意圖(是一種間歇式?jīng)_擊功率負(fù)荷). 7/25/2022274電壓波動(dòng)與閃變4.6電壓波動(dòng)和閃變的測(cè)量目前國(guó)際上有代表性的三種原理類型的閃變測(cè)量?jī)x器:日本的閃變儀英國(guó)的ERA電

17、弧爐閃變測(cè)量?jī)xIEC和UIE推薦的閃變儀。 IEC閃變測(cè)量方法 一、電壓波動(dòng)的同步檢測(cè)法調(diào)制波解析式的一般表達(dá)式為 若調(diào)幅波電壓為單一頻率的正弦波形，則 7/25/2022284電壓波動(dòng)與閃變式中，m稱為調(diào)制指數(shù)， m1。按照同步檢測(cè)方法，可將調(diào)制波電壓自乘求平方，得到 7/25/2022294電壓波動(dòng)與閃變?nèi)绻?.0535 Hz的帶通濾波器濾除其中的直流分量和工頻及以上頻率的分量，并且考慮到，由于實(shí)際上的調(diào)制指數(shù)m1，因此，濾波后便可實(shí)現(xiàn)解調(diào)，獲得近似加權(quán)的調(diào)幅波電壓：已知相對(duì)電壓變動(dòng)值為 ，并且假定調(diào)幅波為正弦函數(shù)波形，則有可以得到用相對(duì)電壓變動(dòng)d參量表示的表達(dá)式 以上各函數(shù)的變化波形

18、，可參見圖4-28（b）所示的仿真波形。 7/25/2022304電壓波動(dòng)與閃變7/25/2022314電壓波動(dòng)與閃變 二、IEC閃變測(cè)量環(huán)節(jié)分析 圖4-28（a）我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在參考了IEC標(biāo)準(zhǔn)后推薦采用的閃變儀簡(jiǎn)化原理框圖。圖4-28 （a）給出的閃變測(cè)量環(huán)節(jié)總體上可分為三部分： 第一部分為電壓輸人適配調(diào)整，由圖中框1組成，兩個(gè)主要部分，即一個(gè)輸人電壓適配器和一個(gè)自檢信號(hào)發(fā)生器。第二部分模擬視覺系統(tǒng)模型，即燈-眼-腦反應(yīng)鏈的頻率響應(yīng)特性，主要由圖中框2、框3和框4組成；框2模擬燈的作用和特性。通過平方解調(diào)器分離出與調(diào)幅波幅值成比例的電壓波動(dòng)量。該量反映了燈照度變化與電壓波動(dòng)的關(guān)系，可采用被測(cè)信號(hào)自乘求平方來實(shí)現(xiàn)。 框3模擬人眼的視覺頻率選擇特性。它由兩個(gè)級(jí)連濾波器，即帶通濾波器和視感度加權(quán)濾波器，以及一個(gè)測(cè)量范圍選擇器構(gòu)成。 7/25/2022324電壓波動(dòng)與閃變其中，帶通濾波器 (通頻帶為0.0535Hz)的功能是