電能質(zhì)量講座

電能質(zhì)量

綜合補償技術KunmingUniversityofScienceandTechnology

前言電力作為商品擺脫傳統(tǒng)的計劃經(jīng)濟模式進入市場，以市場運作規(guī)則制約供用電雙方，是我國電力市場建設與發(fā)展的必然。我國電力市場建設是一項長期復雜的系統(tǒng)工程，涉及電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力生產(chǎn)、電網(wǎng)運行和負荷管理等諸多方面。電能質(zhì)量是評估電力系統(tǒng)運行水平的重要技術標準。優(yōu)良的電能質(zhì)量應由供電方、電器制造廠商和電力用戶三方共同保證。

自20世紀90年代起，國際相關組織開始將電能質(zhì)量以及電磁兼容構筑成一個技術體系加以研究。電能質(zhì)量已經(jīng)成為電力系統(tǒng)研究領域一個新的學科分枝。電能質(zhì)量監(jiān)測與管理已經(jīng)成為電力市場管理中的一項系統(tǒng)工程。電能質(zhì)量相關知識已成本專業(yè)學生的課堂學習內(nèi)容。

電力負荷分類(1)普通負荷(CommonLoad)，對電能質(zhì)量要求不太高,如照明設備、加熱器、通風機、空調(diào)機、一般家用電器等。(2)敏感負荷(SensitiveLoad)，電能質(zhì)量不好可能對此類負荷造成一定的損害,如電動機控制器、UPS、變頻調(diào)速裝置等。(3)嚴格負荷(CriticalLoad)，對此類負荷,必須確保供電嚴格符合要求,如信息技術的芯片生產(chǎn)、微電子元件的智能化流水線、醫(yī)院、銀行和證券交易中心的計算機等。電能質(zhì)量的基本要求

優(yōu)質(zhì)的供、用電應具有以下特征：(1)供電電壓具有穩(wěn)定的標稱頻率、幅值和波形；(2)保持三相電壓和電流的平衡，保證電網(wǎng)最大傳輸效率；(3)持續(xù)穩(wěn)定和充足的電能供應；(4)低廉的電價；(5)對環(huán)境的不良影響較小。

電能質(zhì)量的特征

(1)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量始終處在動態(tài)變化之中；(2)電力系統(tǒng)是一個整體，各個局部的電能質(zhì)量可能相互影響；(3)電能質(zhì)量擾動會在系統(tǒng)中廣泛傳播，并對其他系統(tǒng)或設備產(chǎn)生實在或潛在危害；(4)在一般情況下，用戶是保證電能質(zhì)量的主體；(5)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合評估非常困難；(6)電能質(zhì)量管理和控制是一項系統(tǒng)工程。電能質(zhì)量問題研究要點：(1)污染源特性研究對負序、無功、諧波、閃變等污染源的種類、形式、特性研究；(2)電力系統(tǒng)對污染源的響應特性研究在電能質(zhì)量研究中，這是最為困難的環(huán)節(jié)；(3)對污染源的實時治理。

保證優(yōu)質(zhì)電能的目的

(1)現(xiàn)代用電設備對電能質(zhì)量的要求更高，許多帶有微處理器和功率電子器件的裝置對電磁干擾極為敏感。(2)非線性設備的諧波污染，致使供電電壓干擾水平加重,對系統(tǒng)安全運行帶來直接的或潛在的危害。(3)電力用戶提高了對諸如供電間斷、電壓凹陷、電路通斷引起的暫態(tài)現(xiàn)象的認識，提出更高供電質(zhì)量要求。(4)電網(wǎng)各部分是相互聯(lián)系的，供電部門在保證向用戶優(yōu)質(zhì)供電的同時，還需極力避免遭受用戶產(chǎn)生的電力干擾，維護電網(wǎng)安全運行。

建立電能質(zhì)量管理體系的目的近年來，在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)高端產(chǎn)業(yè)快速增長的同時，非線性負荷大幅增加。有關資料顯示，發(fā)達國家50％以上的負荷通過電力電子裝置供電，致使電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題日益突出。據(jù)美國電力科學院JaneClemmensen的粗略估計，認為每年因電能質(zhì)量相關問題，造成美國經(jīng)濟損失達260億美元。發(fā)達國家電能質(zhì)量問題主要是供電電壓暫降，占供電質(zhì)量投訴量的80%。據(jù)英國1995年就電能質(zhì)量問題對容量超過1MW的100家電力用戶所作調(diào)查顯示，在過去的1年中，66％的用戶因電能質(zhì)量問題導致生產(chǎn)受損。據(jù)IBM公司的市場調(diào)查，48.5％的計算機數(shù)據(jù)丟失由電源電壓質(zhì)量不良引起。信息產(chǎn)業(yè)和以計算機、微處理器為核心部件的工業(yè)生產(chǎn)，對電網(wǎng)電能質(zhì)量提出了更高的要求，所以產(chǎn)生了“信息電力”的概念，其要點為電力供應必須著眼于滿足信息社會的要求，而不是僅限于滿足傳統(tǒng)工業(yè)社會的要求。因此，有必要建立電能質(zhì)量監(jiān)管體系，使其成為保證電網(wǎng)安全運行、保護電氣環(huán)境、保障電力用戶正常使用電能的基本技術規(guī)范，同時也是實施電能質(zhì)量管理、維護供用電雙方合法權益的法律依據(jù)。自20世紀60年代起，世界大多數(shù)國家制定了有關供電頻率和電壓允許變動的技術指標，部分國家還制定了限制諧波電壓、電流畸變以及電壓波動等推薦導則。近十幾年來，許多工業(yè)發(fā)達國家已制定了更加完備的電能質(zhì)量系列標準，而且各國的電能質(zhì)量標準正在與國際相關專業(yè)委員會推薦標準接軌，逐步實現(xiàn)標準的統(tǒng)一與完整。

第1節(jié)電能質(zhì)量定義從普遍意義講，電能質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)供用電相關。但迄今為止，人們對電能質(zhì)量的技術含義尚未給出統(tǒng)一的定義，這是人們關注的問題不同以及看問題的角度不同所致，例如：電力部門可能把電能質(zhì)量定義為電壓與頻率的合格率,并且用統(tǒng)計數(shù)字來說明，供電可靠率（RSI）達到99.99%，表明電力系統(tǒng)是安全可靠運行的;發(fā)達國家平均供電可靠率（RSI）達到99.999％；中國電力企業(yè)聯(lián)合會于2003年7月12日宣布：我國平均供電可靠率（RSI）首次超過3個“9”，達到99.907%，這意味著我國城鎮(zhèn)10kV用戶年平均停電降至8小時10分鐘，而10年前，這一數(shù)字為95小時45分鐘。但高端制造業(yè)，如IC制造廠商，希望供電可靠率達到9個“9”，99.9999999％，即全年只允許2個工頻周波（40ms）的故障時間。電力用戶則把電能質(zhì)量定義為是否向負荷正常供電；設備制造廠家則可能將電能質(zhì)量定義為電源質(zhì)量，要求電源特性完全滿足電氣設備的正常工作需要；另外一些事件，例如供電中斷，究竟應當歸屬于輸配電工程問題還是用戶用電質(zhì)量問題，供用電雙方意見往往無法一致。

正因如此，人們談到電能質(zhì)量時,使用的技術名詞也不規(guī)范，例如：電力系統(tǒng)質(zhì)量（electricpowersystemsquality）供電質(zhì)量（qualityofpowersupply）電壓質(zhì)量（voltagequality）在1968年發(fā)表的一篇關于美國海軍電子設備電源規(guī)范研究的論文中,最先使用了“powerquality”（電能質(zhì)量）這一術語。

IEEE標準化協(xié)調(diào)委員會已正式采用“powerquality”(電能質(zhì)量)這一術語，并且給出了相應的技術定義。IEC沒有采用“powerquality”(電能質(zhì)量)，而是提出使用“EMC”(電磁兼容)術語，其強調(diào)設備之間、電源與設備之間的相互作用和影響。在IEC的電磁兼容概念中，采用以下兩個術語：

排放(emission)－表示設備產(chǎn)生的電磁污染，反映的是負荷電流質(zhì)量問題;

抗擾(immunity)－表示設備抵抗電磁污染的能力，它與供電電壓質(zhì)量相關。

IEC以此為基礎,制定出了一系列相關的電磁兼容標準。電磁兼容術語與電能質(zhì)量術語有很大重疊性，它們之間有許多同義詞。國內(nèi)外關于“電能質(zhì)量”的幾個定義定義1：IEEE標準化協(xié)調(diào)委員會給出的電能質(zhì)量定義:合格電能質(zhì)量概念指的是，給敏感設備提供的電力和設置的接地系統(tǒng)均能適合于該設備正常工作。定義2：所謂電能質(zhì)量是指電壓質(zhì)量、頻率質(zhì)量及供電可靠性的總稱。定義3：電能質(zhì)量定義為導致用戶設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差。

第2節(jié)電能質(zhì)量問題分類1穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題

供電電壓偏差；

公用電網(wǎng)諧波；

三相電壓不平衡度；

電力系統(tǒng)頻率偏差；

電壓波動與閃變。2暫態(tài)電能質(zhì)量問題

暫態(tài)過電壓和瞬態(tài)過電壓。電能質(zhì)量的實際測量方法和輸出結果

第3節(jié)我國已建立的電能質(zhì)量標準GB12325-1990《供電電壓允許偏差》；GB/T14549-1993《公用電網(wǎng)諧波》；GB/T15543-1995《三相電壓允許不平衡度》；GB/T15945-1995《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》；GB12326-2000《電壓波動與閃變》；GB/T18481-2001《暫態(tài)過電壓和瞬態(tài)過電壓》。

第4節(jié)GB/T159451995《中華人民共和國國家標準電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》簡介

電力系統(tǒng)頻率偏差：系統(tǒng)頻率的實際值與額定值之差。頻率偏差允許值：電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為0.2Hz；當系統(tǒng)容量小于3000MW時，偏差值可以放寬到0.5Hz。沖擊負荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不得超過0.2Hz，根據(jù)沖擊負荷性質(zhì)、大小以及系統(tǒng)的條件也可適當調(diào)整限值，但應保證電網(wǎng)發(fā)電機組和用戶的安全穩(wěn)定運行。電網(wǎng)頻率實測案例：圖為實測結果，其偏差遠小于0.2Hz，表明我國主網(wǎng)有功功率比較充足。

第5節(jié)GB12325—90《中華人民共和國國家標準電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》簡介

交流50Hz電力系統(tǒng)供電電壓偏差定義為實測電壓與額定電壓之差，以額定電壓的百分數(shù)表示。供電電壓允許偏差：（1）35kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%；（2）10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%；（3）220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%、-10%。

說明：1電壓偏差按以下公式計算2標準中“供電電壓”指的是：供電部門與用戶的產(chǎn)權分界處的電壓；或由供用電協(xié)議所規(guī)定的電能計量點的電壓。可以通過以下兩條途徑，來保證供電電壓偏差滿足國家標準要求：（1）電網(wǎng)中傳輸?shù)臒o功功率盡可能小；（2）負荷端口的系統(tǒng)三相短路容量盡可能地大。

隨著科技進步和新型電力設備尤其是電力電子設備制造技術的發(fā)展，使可調(diào)并聯(lián)無功補償裝置的工程應用成為可能。如：晶閘管投切電容器組(TSC)、晶閘管控制電抗器(TCR)和真空接觸器投切電容器組在各地變電所應用，取得了良好的無功補償效果。需要強調(diào)的是，固定并聯(lián)電容補償方式有著結構簡單、工程造價低、可靠性高、現(xiàn)場運行經(jīng)驗成熟及運行維護方便等諸多優(yōu)點。在一定的運輸條件下是能夠較好地發(fā)揮其補償效益的，對固定補償方式采取簡單否定的態(tài)度是不可取的。第6節(jié)負序電流和三相電壓不平衡

引起發(fā)電機轉子附加損耗、發(fā)熱，負序磁場產(chǎn)生制動力矩、機械振動；增加電動機定子和轉子的銅損，負序磁場產(chǎn)生制動力矩，正負序磁場產(chǎn)生的脈動轉矩引起電動機振動；降低變壓器負載能力，造成局部過熱，縮短變壓器壽命；造成繼電保護和自動裝置誤動；造成輸電線路損耗的增加。

三相電壓不平衡度用電壓負序分量與正序分量的均方根百分比表示。

電力系統(tǒng)公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%。接于公共接點的每個用戶引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為1.3%，根據(jù)連接點的負荷狀況、鄰近發(fā)電機繼電保護和自動裝置安全運行要求，可作適當變動。第7節(jié)GB/T14549-93《中華人民共和國國家標準電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》簡介

電壓、電流波形畸變并不是一個新課題，在20世紀20年代，德國就已提出靜態(tài)整流器引起的波形畸變問題。從20世紀50年代起，由于高壓直流輸電技術的發(fā)展，技術人員在晶閘管換流器諧波問題的研究方面作了大量工作。20世紀70年代后，各種功率換流器的普遍應用，引起了人們對電網(wǎng)諧波問題的關注，促進了諧波問題研究的發(fā)展。自那時起，各國以及相關專業(yè)委員會，如國際電工委員會（IEC），先后制定了包括配電系統(tǒng)、電力設備、用電設備包括家用電器在內(nèi)的各類諧波標準。

諧波污染對電網(wǎng)及用戶的主要影響造成電網(wǎng)功率損耗增加，線路和設備過熱；引起變電站局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成電力設備損壞；造成電力變壓器、電力電纜、電動機設備發(fā)熱，電容器損壞、絕緣材料老化、延長斷路器滅弧時間；造成繼電保護和自動裝置誤動作；增大磁場干擾，影響電子儀表和通信系統(tǒng)的正常工作，降低通信質(zhì)量。降低電能計量的準確度。諧波污染引起的電力事故屢見不鮮，例如:1989年3月，加拿大魁北克系統(tǒng)因地磁感應電流過大導致系統(tǒng)主變飽和并產(chǎn)生大量諧波，造成SVC保護動作、系統(tǒng)電壓失穩(wěn)，最終使魁北克系統(tǒng)崩潰；

1991年意大利阿爾俾斯山區(qū)20kV電網(wǎng)，因諧波電流引起18％電壓畸變而最終癱瘓；上世紀80年代初，由于石－太電氣化鐵路開通和葛洲壩－上海500kV直流輸電工程的建設，我國展開大規(guī)模諧波問題的研究，至今已取得眾多基礎性成果。諧波國家標準GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》自1994年3月起開始實施?；贗EC61000-3-6技術文件的國家標準化指導性技術文件GB/Z17625.4-2000《電磁兼容限值中、高壓電力系統(tǒng)中畸變負荷發(fā)射限值的評估》也于2000年12月頒布。諧波國家標準GB/T14549-93規(guī)定的公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）標準如下表所示。某變電站A相電壓總諧波畸變率A相電壓總諧波畸變率

第8節(jié)GB12326-2000《中華人民共和國國家標準電能質(zhì)量電壓波動與閃變》簡介

電壓波動和閃變作為評價電能質(zhì)量的一個重要指標，直接反映出電網(wǎng)電壓質(zhì)量。1986年，國際電工委員會(IEC)根據(jù)1982年國際電熱協(xié)會(UIE)的推薦，制定了閃變儀的測試功能和設計規(guī)范。我國在2000年以前主要參照日本的△V10閃變標準進行測試和評價，以IEC標準為準，新的國標GB12326-2000《電能質(zhì)量電壓波動與閃變》已于2000年頒布。電壓波動和閃變產(chǎn)生的主要原因沖擊性負荷用電，如電弧爐、軋鋼機、電焊機等；系統(tǒng)發(fā)生短路故障；設備投切，如備用電源自動投切、自動重合閘等；系統(tǒng)遭受雷擊。電壓波動和閃變的主要影響電壓波動和閃變大多產(chǎn)生于配電系統(tǒng)，通過配電變壓器傳輸?shù)降蛪河脩?。電壓波動和閃變主要干擾計算機和控制系統(tǒng)和各種電子儀器設備的正常工作。

電壓波動是指電壓調(diào)幅波中相鄰兩個極值（電壓均方根）之差，以額定電壓的百分數(shù)表示；電力系統(tǒng)公共連接點由沖擊性負荷產(chǎn)生的電壓波動允許值見表所示。

閃變是指人眼對燈閃的主觀感覺，IEC標準規(guī)定低、中壓電網(wǎng)短時（10min）閃變兼容值Pst=1，中、高壓電網(wǎng)的閃變規(guī)劃值分別為0.9和0.8。在GB12326-2000《中華人民共和國國家標準電能質(zhì)量電壓波動與閃變》中，值得注意的有2點：（1）該標準雖然論及電壓波動（電壓變動）和電壓閃變，但其著眼點在于閃變，最終可具操作（指測量程序?qū)崿F(xiàn)、測量值的統(tǒng)計和評估）的指標也是閃變。所以在工程實踐中，都是以電壓閃變測量來評估電壓的波動。（2）電壓閃變的測量方法（即數(shù)據(jù)采樣方法）與其他穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量（如無功、負序、諧波等）的測量方法不同。第9節(jié)GB/T18481-2001《中華人民共和國國家標準電能質(zhì)量暫態(tài)過電壓和瞬態(tài)過電壓》簡介根據(jù)不同負荷對電壓質(zhì)量的敏感度,負荷分為三類:(1)普通負荷

(CommonLoad)：普通負荷對電能質(zhì)量要求不太高。(2)敏感負荷

(SensitiveLoad)：如電機控制器、UPS、變頻調(diào)速裝置等。(3)嚴格負荷(CriticalLoad)如信息技術的芯片生產(chǎn)、微電子元件的智能化流水線、醫(yī)院、銀行和證券交易中心的計算機等。嚴格負荷通常對供電網(wǎng)電能質(zhì)量提出很高要求，例如：浦東新區(qū)上海索廣映像有限公司的等離子電視機顯像管生產(chǎn)線，要求低于85％UN的電壓不得持續(xù)10ms；英特爾中國有限公司的芯片封裝廠對電源提出零停電要求，要求低于87％UN的電壓不得持續(xù)12ms；華虹NEC芯片生產(chǎn)廠同樣對電源提出零停電要求，并要求低于90％UN的電壓不得持續(xù)10ms，該公司在建廠初期向有關電力公司索要完整電網(wǎng)背景電能質(zhì)量測試資料。