電能質(zhì)量講座

電能質(zhì)量技術(shù)講座

（概念、影響、標(biāo)準(zhǔn)）

四川電網(wǎng)諧波監(jiān)測站

1.電能質(zhì)量基本概念2.電能質(zhì)量的影響3.電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量基本概念

1.1電力系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)（10kV～110kV）配電線（220kV～500kV）原動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)升壓變壓器輸電線降壓變壓器配電變壓器用戶功率平衡各種干擾：負(fù)荷變化；運(yùn)行操作；故障；雷擊電能質(zhì)量基本概念1.2電力系統(tǒng)中的電磁現(xiàn)象圖1與不良電能質(zhì)量有關(guān)的幾個(gè)最重要的波形畸變電能質(zhì)量基本概念種類典型頻譜成分典型持續(xù)時(shí)間典型電壓幅值/pu電磁瞬態(tài)沖擊

ns級μs級ms級

5ns上升1μs上升0.1ms上升＜50ns50ns～1ms＞1ms電磁瞬態(tài)振蕩低頻中頻升高<5kHz5~500kHz0.5~5MHz0.3~50ms20μs5μs0～40～80～4瞬時(shí)電壓變動(dòng)

中斷暫降升高

0.5～30周波0.5～30周波0.5～30周波

＜0.10.1～0.91.1～1.8表1-1電力系統(tǒng)電磁現(xiàn)象的種類和特征暫時(shí)電壓變動(dòng)中斷暫降升高30周波～3s30周波～3s30周波～3s＜0.10.1～0.91.1～1.4短時(shí)電壓變動(dòng)中斷暫降升高3m～1min3m～1min3m～1min＜0.10.1～0.91.1～1.2長期電壓變動(dòng)持續(xù)中斷欠電壓過電壓＞1min＞1min＞1min0.00.8～0.91.1～1.2表1-2電力系統(tǒng)電磁現(xiàn)象的種類和特征電能質(zhì)量基本概念電能質(zhì)量基本概念電壓不平衡穩(wěn)態(tài)0.5%～2%波形失真直流偏移穩(wěn)態(tài)0～0.1%諧波0～100th穩(wěn)態(tài)0～20%間諧波0～6kHz穩(wěn)態(tài)0～2%缺口穩(wěn)態(tài)噪聲寬帶穩(wěn)態(tài)0～1%電壓波動(dòng)＜25Hz斷續(xù)0.1%～7%頻率偏差*

＜10s*頻率偏差一般控制在±1%范圍內(nèi)。電能質(zhì)量基本概念1.3電能質(zhì)量定義PowerQuality——電能質(zhì)量（電源質(zhì)量、電力質(zhì)量、電力品質(zhì)）導(dǎo)致用戶設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差。合格電能質(zhì)量的概念是指給敏感設(shè)備提供的電力和設(shè)置的接地系統(tǒng)是都適合于該設(shè)備正常工作的。電能質(zhì)量基本概念在電力系統(tǒng)中某一指定點(diǎn)上電的特性，這些特性可根據(jù)預(yù)定的基準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)來評價(jià)。電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量、用電質(zhì)量。實(shí)際上電能質(zhì)量就是供電電壓特性，即關(guān)系到用電設(shè)備工作（或運(yùn)行）的供電電壓各種指標(biāo)偏離理想值（額定值或標(biāo)稱值）的程度。電能質(zhì)量基本概念1.4電能質(zhì)量問題的由來隨電力工業(yè)誕生而存在的一個(gè)傳統(tǒng)問題；現(xiàn)代用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)的變化。電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用，家用電器普及，煉鋼電弧爐的發(fā)展等，由于其非線性、沖擊性以及不平衡的用電特性引起電能質(zhì)量的惡化。計(jì)算機(jī)的普及、IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、微電子控制技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)致對電能質(zhì)量要求越來越高。例如：一個(gè)計(jì)算中心失電2s就可能破壞幾十個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，導(dǎo)致幾十萬美元產(chǎn)值損失；

電能質(zhì)量基本概念

1～2周波供電電壓暫降，就可能破壞半導(dǎo)體生產(chǎn)線，導(dǎo)致上百萬美元損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)美國因電能質(zhì)量問題造成的損失每年高達(dá)260億美元。最近由國際銅業(yè)協(xié)會(huì)（中國）的一次“中國電能質(zhì)量行業(yè)現(xiàn)狀與用戶行為調(diào)研報(bào)告”中，調(diào)查了32個(gè)行業(yè)，共92個(gè)企業(yè)中有49個(gè)企業(yè)，因電能質(zhì)量問題，在經(jīng)濟(jì)上損失2.5～3.5億元（人民幣），每個(gè)企業(yè)年經(jīng)濟(jì)損失約10萬～100萬（人民幣）（其中有四家年損失1000萬元以上）。

電能質(zhì)量的影響

2.1電能質(zhì)量指標(biāo)

電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動(dòng)和閃變、三相電壓不平衡度、暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓、電壓暫降、波形缺口、……電能質(zhì)量的影響2.2電能質(zhì)量指標(biāo)特點(diǎn)a.空間上、時(shí)間上不斷變化b.需要供、用電雙方共同合作維護(hù)電能質(zhì)量的影響2.3超標(biāo)的危害（1）供電電壓偏差

照明設(shè)備的發(fā)光和壽命；電動(dòng)機(jī)的力矩、轉(zhuǎn)速、發(fā)熱、工效以及產(chǎn)品質(zhì)量；變壓器的發(fā)熱、溫升、損耗；并聯(lián)電容器無功出力、壽命；家用電器如電視機(jī)的視感、壽命；電子計(jì)算機(jī)和控制設(shè)備不正常；工業(yè)設(shè)備（如電解、電熱）效率降低；電力系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，線損增加。（2）電力系統(tǒng)頻率偏差

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，影響紡織、造紙等產(chǎn)品質(zhì)量；傳動(dòng)機(jī)械出力變化，影響生產(chǎn)效率；對測量、控制和計(jì)時(shí)等電子設(shè)備精度和性能影響；使感應(yīng)式電能表計(jì)量誤差加大；影響發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)安全；沖擊負(fù)荷對近區(qū)電網(wǎng)的危害。電能質(zhì)量的影響2.3超標(biāo)的危害（3）諧波

降低電力設(shè)備的利用率，使電氣設(shè)備（如旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電容器、變壓器）以及導(dǎo)線（如低壓中性線、電纜、母排等）過載運(yùn)行（發(fā)熱、振動(dòng)、異常聲響等），縮短使用壽命、增加線損；降低斷路器遮斷容量；干擾繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；使電子設(shè)備工作不正常；使測量和計(jì)量儀器（感應(yīng)式電度表）、儀表誤差加大；降低信號傳輸質(zhì)量，干擾通信系統(tǒng)；增加電力網(wǎng)中諧振可能性，誘發(fā)過電壓或過電流的危害；減少白熾燈使用壽命。（4）電壓波動(dòng)和閃變

照明燈光閃爍，引起人的視覺疲勞；電視機(jī)屏幕圖像失真、擺動(dòng)翻滾和亮度變化；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻、振動(dòng)、異響，影響產(chǎn)品質(zhì)量；電子計(jì)算機(jī)、監(jiān)測和控制設(shè)備等工作不正常。電能質(zhì)量的影響2.3超標(biāo)的危害（5）三相電壓不平衡

電機(jī)附加發(fā)熱，并引起二倍頻的附加振動(dòng)力矩；引起以負(fù)序分量為啟動(dòng)元件的多種保護(hù)誤動(dòng)作；換流設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流（非特征諧波）；變壓器負(fù)載能力下降；在低壓配電線路中，引起照明燈的壽命縮短或燒損、電視機(jī)損壞、中性線過負(fù)荷等；引起線損及線路電壓損失增大；影響正常通信質(zhì)量。（6）暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓

使設(shè)備絕緣破壞，引發(fā)事故。2.3超標(biāo)的危害（7）電壓暫降（包括短時(shí)中斷）引起變速驅(qū)動(dòng)裝置（ASD）跳閘、程序邏輯控制器（PLC）損壞、各種數(shù)字式自動(dòng)控制裝置誤動(dòng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)失常，數(shù)據(jù)丟失；導(dǎo)致相關(guān)加工生產(chǎn)線（例如塑料、玻璃、石化、紡織、造紙、半導(dǎo)體以及橡膠等）停頓，大型場所照明失電（例如鏑燈，燈滅后需冷卻好幾分鐘后才能啟動(dòng)）等等。電能質(zhì)量的影響電能質(zhì)量的影響圖2每次電壓暫降對不同用戶造成的損失數(shù)量級圖2為國外統(tǒng)計(jì)的一次電壓暫降對不同行業(yè)可能造成的經(jīng)濟(jì)損失。表2為電壓暫降對一些設(shè)備的危害。

表2電壓暫降對一些設(shè)備的危害電能質(zhì)量的影響設(shè)備電壓暫降造成的影響結(jié)果冷卻控制器當(dāng)電壓低于80%時(shí)，控制器動(dòng)作將制冷電機(jī)切除，導(dǎo)致巨大生產(chǎn)損失芯片測試儀當(dāng)電壓低于85%時(shí)，測試儀停止工作，芯片、主板被毀壞可編程控制器當(dāng)電壓低于81%時(shí)，PLC停止工作；一些I/O設(shè)備，當(dāng)電壓低于90%、持續(xù)時(shí)間僅幾十毫秒，就會(huì)被切除機(jī)器人由機(jī)器人控制對金屬部件進(jìn)行鉆、切割等精密加工的機(jī)械工具，為保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全，工作電壓檻值一般設(shè)為90%，當(dāng)電壓低于此值、持續(xù)時(shí)間超過40~60ms時(shí)，被跳閘直流電機(jī)當(dāng)電壓低于80%時(shí)，直流電機(jī)被跳閘電能質(zhì)量的影響表2電壓暫降對一些設(shè)備的危害變頻調(diào)速器當(dāng)電壓低于70%且持續(xù)時(shí)間超過120ms時(shí)，ASD被切除。而對于一些精細(xì)加工業(yè)中的電機(jī)，當(dāng)電壓低于90%且持續(xù)時(shí)間超過60ms時(shí)，電機(jī)就會(huì)跳閘而退出運(yùn)行電動(dòng)機(jī)接觸器當(dāng)電壓低于50%、持續(xù)時(shí)間超過20ms，接觸器就會(huì)脫扣；而有的研究表明，當(dāng)電壓低于70%、甚至更高，接觸器就會(huì)脫扣計(jì)算機(jī)當(dāng)電壓低于60%，持續(xù)時(shí)間超過240ms時(shí)，計(jì)算工作將會(huì)受到影響，如數(shù)據(jù)丟失電能質(zhì)量的影響（8）電壓缺口由變流裝置換相過程造成的電壓缺口可能影響交流裝置的同步或以電壓過零進(jìn)行控制的電子裝置正常工作。注意，電壓缺口雖然屬于波形畸變，但不能用諧波分析來說明它的影響。一般用缺口的深度和面積描述。電能質(zhì)量的影響2.4案例上海某高層大廈一臺(tái)變壓器設(shè)計(jì)為全部帶空調(diào)負(fù)荷，但投運(yùn)后由于大量諧波的存在，使得變壓器根本就沒有辦法正常運(yùn)行。90年亞運(yùn)會(huì)期間，網(wǎng)球中心電壓暫降造成照明失電10余分鐘（照明燈為鏑燈，需冷卻啟動(dòng)），使場內(nèi)照明黑了一半，這次事故在國際上造成了非常不好的影響。某商廈工程大量采用日光燈，全部采用電子鎮(zhèn)流器，正常情況下，零線中產(chǎn)生很大電流，造成電纜發(fā)熱，變壓器溫升過高（典型的諧波問題）。電能質(zhì)量的影響2.4案例某證券公司由于諧波使得網(wǎng)絡(luò)速度變慢、數(shù)據(jù)出錯(cuò)，實(shí)時(shí)交易的動(dòng)態(tài)信息顯示屏幕出現(xiàn)大片空白，數(shù)據(jù)刷新和交易的速度都極慢，且經(jīng)常中斷，根本無法進(jìn)行交易。某寬帶運(yùn)營商由于突然斷電造成寬帶網(wǎng)絡(luò)客戶不能正常上網(wǎng)，客戶索賠幾百萬。北京某化工廠2005年1月18日，外網(wǎng)波動(dòng)引起斷電，聚氯乙烯裝置爆炸，停電5-6小時(shí)，直接損失30萬元。某鋼鐵企業(yè)2004年一次停電導(dǎo)致所有生產(chǎn)線上的產(chǎn)品作廢，損失上億元。電能質(zhì)量的影響2.4案例2004年3-8月吉林省農(nóng)電局一條10kV配電線（約40km）末端49個(gè)臺(tái)區(qū)先后發(fā)生了500多次低壓電器設(shè)備（包括電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、冰箱溫控器、交換機(jī)模塊、VCD、加油機(jī)電源板等等）燒損事故，經(jīng)測試分析，是某鋼廠中頻爐諧波，因長線“諧波容升電壓”效應(yīng)所致。1993年2月河南省信陽和駐馬店地區(qū)220kV計(jì)駐線（雙回線，一回線停電檢修）因電氣化鐵路牽引站的諧波引發(fā)高頻保護(hù)誤動(dòng)，引起大面積停電事故（兩個(gè)220kV2×240MVA變電站停電）。河南省220kV柳林變電站原10kV8組6600kVar并聯(lián)電容器，因3次諧波影響及串聯(lián)電抗器選配不當(dāng)?shù)仍虼罅繐p壞，不得不全部更換（現(xiàn)為8×8000kVar）。電能質(zhì)量的影響2.5結(jié)論

電能質(zhì)量涉及國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)和人民生活用電，優(yōu)質(zhì)電力可以提高用電設(shè)備效率，增加使用壽命，減少電能損耗和生產(chǎn)損失，電能質(zhì)量關(guān)系到電力可持續(xù)發(fā)展，也關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)總體效益，是實(shí)現(xiàn)節(jié)約型社會(huì)的必要條件之一。電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3.1電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量指標(biāo)國家標(biāo)準(zhǔn)供電電壓允許偏差（GB/T12325—2003）電壓波動(dòng)和閃變（GB12326—2000）公用電網(wǎng)諧波（GB/T14549—93）三相電壓允許不平衡度（GB/T15543—1995）電力系統(tǒng)頻率允許偏差（GB/T15945—1995）暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓（GB/T18481—2001）電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3.1電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量測量國家標(biāo)準(zhǔn)供電系統(tǒng)及相連設(shè)備的諧波、諧間波的測量和測量儀器導(dǎo)則（GB/T17626.7—1998）電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備——通用要求（待批）電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3.1電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的設(shè)備國家標(biāo)準(zhǔn)低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）（GB17625.1—1998）對額定電流不大于16A設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和閃爍的限制（GB17625.2—1999）電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3.對額定電流大于16A的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和閃爍的限制（GB/Z17625.3—2000）4.半導(dǎo)體變流器與供電系統(tǒng)的兼容及干擾防護(hù)導(dǎo)則（待批）5.中、高壓電力系統(tǒng)中畸變負(fù)荷發(fā)射限值的評估（GB/Z17625.4-2000）電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3.1電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量治理設(shè)備（裝置）國家標(biāo)準(zhǔn)輸配電系統(tǒng)靜止無功補(bǔ)償器用晶閘管閥的試驗(yàn)（待批）靜止型無功功率補(bǔ)償裝置（SVC）功能特性（待批）靜止型無功功率補(bǔ)償裝置（SVC）現(xiàn)場試驗(yàn)（待批）電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3.2電能質(zhì)量國外標(biāo)準(zhǔn)簡介3.2.1歐盟1995年歐盟（歐共體）頒布了《公用配電系統(tǒng)供電電壓特性》（EN50160），包括5大類13個(gè)指標(biāo)。1.頻率（1）互聯(lián)電網(wǎng)：（50±0.5）Hz（2）孤立電網(wǎng)：（50±1）Hz電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)2.電壓幅值

（1）慢速電壓變化：±10%UN

（2）電壓波動(dòng)：低壓系統(tǒng)5%UN；中壓系統(tǒng)：4%UN。閃變：Plt=1.0（3）電壓暫降：每年可能發(fā)生幾十至一千次，大部分持續(xù)時(shí)間小于1s,增幅不大于60%UN。（4）短時(shí)斷電：每年可發(fā)生幾十次至幾百次，約70%的短時(shí)斷電小于1s電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)2.電壓幅值

（5）長時(shí)斷電：超過3分鐘的長時(shí)斷電，每年在10次以內(nèi)或不超過50次。

（6）暫時(shí)工頻過電壓：低壓系統(tǒng)一般不超過1.5倍相電壓，中壓系統(tǒng)不超過1.7-2.0倍相電壓（和中性點(diǎn)接地情況有關(guān)）。（7）瞬態(tài)過電壓：低壓系統(tǒng)一般不超過6kV。

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3.電壓不平衡負(fù)序分量占正序分量RMS（方均根值）的2%。4.電壓波形（1）整數(shù)次諧波：40次諧波以下的總畸變率（THD）不超過8%，且各次諧波上限均有明確規(guī)定。

（2）間諧波：缺乏公認(rèn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，未作規(guī)定（但I(xiàn)EC61000-2-4規(guī)定一般限值為0.2%）電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)5.電壓信號電壓

指的是工頻電壓上又疊加的一個(gè)正弦傳輸信號電壓。低頻段幅值小于10%UN，中頻段幅值小于5%UN。實(shí)際上歐盟各國都有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，例如2001年英國頒布《英國電氣協(xié)會(huì)（EA）工程導(dǎo)則G5/4》，就是英國現(xiàn)行的諧波標(biāo)準(zhǔn)。電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3.2電能質(zhì)量國外標(biāo)準(zhǔn)簡介3.2.2美國計(jì)算機(jī)和商用設(shè)備制造商協(xié)會(huì)（ComputerandBusinessEquipmentManufacturersAssociation,即CBEMA）出于大型計(jì)算機(jī)及其控制裝置對電能質(zhì)量要求，提出了電壓容限曲線（稱為CBEMA曲線）。該協(xié)會(huì)后改稱為信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì)（InformationTechnologyIndustryCouncil,即ITIC），并將電壓容限曲線作了一定改進(jìn)，如圖3所示。電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)圖3ITIC曲線電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

美國的標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)全面和豐富，基本由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（ANSI）和各個(gè)協(xié)會(huì)（例如IEEE）制定。現(xiàn)行的諧波標(biāo)準(zhǔn)為IEEEStd519-1992《IEEE關(guān)于電力系統(tǒng)中諧波控制的推薦標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求》。電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3.2.3電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系（1）電磁兼容的概念（2）IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)六大部分：《總論》、《環(huán)境》、《限值》、《試驗(yàn)和測量技術(shù)》、《安全裝置和抑制導(dǎo)則》和《其他》。（3）標(biāo)準(zhǔn)限值的協(xié)調(diào)圖4電磁兼容協(xié)調(diào)中的有關(guān)參數(shù)圖5擾動(dòng)水平和概率密度關(guān)系電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)表2已采用為國標(biāo)的與諧波相關(guān)的IEC61000標(biāo)準(zhǔn)文件國標(biāo)編號國家標(biāo)準(zhǔn)名稱相應(yīng)的IEC標(biāo)準(zhǔn)