电能质量的概念

电能质量的概念    什么是电能质量？ 电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差120°。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。围绕电能质量含义，从不同角度理解通常包括： （1）电压质量：是以实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向用户供应的电能是否合格的概念。这个定义能包括大多数电能质量问题，但不能包括频率造成的电能质量问题，也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染。 （2）电流质量：反映了与电压质量有密切关系的电流的变化，是电力用户除对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，还要求电流波形与供电电压同相位以保证高功率因素运行。这个定义有助于电网电能质量的改善和降低线损，但不能概括大多数因电压原因造成的电能质量问题。 （3）供电质量：其技术含义是指电压质量和供电可靠性，非技术含义是指服务质量。包括供电企业对用户投诉的反映速度以及电价组成的合理性、透明度等。 （4）用电质量：包括电流质量与反映供用电双方相互作用和影响中的用电方的权利、责任和义务，也包括电力用户是否按期、如数交纳电费等。 目前针对电能质量问题研究的主要内容有哪些？ 目前，研究和解决电能质量问题已成为电力发展的当务之急。主要研究课题包括： （1）研究谐波对电网电能质量污染的影响并采取相应的对策。由于钢铁等金属熔炼企业的发展，化工行业整流设备的增加，大功率晶闸管整流装置及电力电子器件的开发应用，使公用电网的谐波影响日趋严重，电源的波形产生了严重的畸变，影响了电网安全可靠运行。 （2）研究谐波对电力计量装置的影响并采取相应的。由于波形畸变，使电力计量的准确度与精确度到影响，致使计量误差，产生附加的功率损耗，造成不必要的经济损失。 （3）研究电能质量污染对高新技术企业的影响并采取相应的技术手段。由于计算机系统和基于微电子技术控制的自动化生产流水线以及新兴的IT产业、微电子芯片制造企业等，对电能质量的要求和敏感程度比一般电力设备要高得多，任何暂态和瞬态的电能质量问题都可能造成设备的损坏或运行异常，影响正常的生产，给电力用户造成经济损失。 （4）加强电能质量控装置的研制。电能质量控制装置的基本功能即使要在任何条件，甚至是极为恶劣的供电条件下改善电能质量，保证供电电压、电流的稳定、可靠，在谐波干扰产生的瞬间能立即将其抑制或消除。   我国对电网的电能质量制定了哪些国家标准？ （1）GB 12325－1990 《供电电压允许偏差》。 （2）GB/T 14549－1993 《公用电网谐波》。 （3）GT/T 15543－1995 《三相电压允许不平衡度》。 （4）GB/T 15945－1995 《电力系统频率允许偏差》。 （5）GB 12326－2000 《电压允许波动和闪变》。该标准是在GB 12326－1990 《电冶允许波动和闪变》的基础上，参考了国际电工委员会IEC电磁兼容IEC6100-3-7等文件和标准修订后重新颁布实施的。 （6）GB/T 18481－2001 《电能质量  暂时过电压和瞬态过电压》。 国际电工委员会IEC对电能质量是怎样分类的？ 国际电工委员会IEC从电磁兼容及相互干扰的角度考虑，对引起电磁干扰的基本现象进行了分类，见表1－1。 表1－1                     IEC对电能质量根据电磁干扰现象的分类方式 序号 电磁干扰现象 对应电能质量产生的影响因素 1 传导型低频现象 谐波、间谐波；载波干扰；电压波动；电压跌落和间断；电压不对称；工频偏差；感应低频电压；交流电网中的直流分量 2 辐射型低频现象 工频电磁场 3 传导型高频现象 感应连续波电压或电流；单方向瞬变；振荡性瞬变 4 辐射性高频现象 磁场；电场；电磁场；连续波；瞬变 5 静 电放电现 象   6 核 电 磁 脉 冲     国际电力电子工程师协会IEEE对电能质量问题是怎样分类的？ 国际电力电子工程师协会IEEE根据电压扰动的频谱特征、持续时间、幅值变化等将其进行了细分，并对供电系统典型的电磁干扰现象进行了特征分类，为准确地区分电压暂态现象提供了依据，见表1－2。   表1－2                     IEEE电力系统电磁现象的特性与分类 种类 频谱成分 持续时间 电压幅值 电磁瞬态 冲  击   上升沿5ns <50ns － 上升沿1μs 50ns~1ms － 上升沿0.1ms >1ms － 振  荡 低  频 <5kHz 0.3~50ms 0~4p.u. 中  频 5~500kHz 20μs 0~8p.u. 高  频 0.5~5MHz 5μs 0~4p.u. 短时电压变动 瞬  时 中  断 － 0.5~30周波 <0.1p.u. 跌  落 － 0.5~30周波 0.1p.u.~0.9p.u. 升  高 － 0.5~30周波 1.1p.u.~1.8p.u. 暂  时 中  断 － 30周波~3s <0.1p.u. 跌  落 － 30周波~3s 0.1p.u.~0.9p.u. 升  高 － 30周波~3s 1.1p.u.~1.4p.u. 短  时 中  断 － 3s~1min <0.1p.u. 跌  落 － 3s~1min 0.1p.u.~0.9p.u. 升  高 － 3s~1min 1.1p.u.~1.4p.u. 长期电压变动 持续中断 － >1ms 0.0p.u. 欠电压 － >1ms 0.8p.u.~0.9p.u. 过电压 － >1ms 1.1p.u.~1.2p.u. 电压不平衡 － 稳  态 0.5%~2% 波 形 畸 变 直流偏移 － 稳  态 0%~0.1% 谐    波 0~100th 稳  态 0%~20% 间 谐 波 0~6kHz 稳  态 0%~2% 陷    波 － 稳  态 － 噪    声 宽  带 稳  态 0%~1% 电  压  波  动 <25Hz 间  歇 0.1%~7% 工  频  变  化   <10s     什么是电力系统频率？ 电力系统频率是指电力系统统一的一种允许参数，国家标准GB/T 15945－1995 《电力系统频率允许偏差》规定以50Hz正弦波作为我国电力系统的标准频率（工频），并规定电力系统正常的频率标准为50Hz±0.2Hz。当系统容量较小时，可放宽到50Hz±0.5Hz。但GB/T 15945－1995 《电力系统频率允许偏差》中并没有说明系统容量大小的界限，全国供用电规则中规定了供电局供电频率的允许偏差：电网容量在3000MW及以上者为0.2Hz；电网容量在3000MW以下者为0.5Hz。实际运行中，我国各跨省电力系统频率的允许偏差都保持在＋0.1~－0.1Hz。因此，电压频率目前在电能质量中最有保障。   什么是供电电压允许偏差？ 供电电压允许偏差是指电力系统各处的电压偏离其额定值的百分比。目前，GB12325－1990 《供电电压允许偏差》中规定：电压允许偏差是在正常运行条件下应保持电网各点电压在额定的水平上。其中：35kV及以上供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的＋5~－5％；10kV及以下高压供电和低压电力用户为额定电压的＋7%~－7％；低压照明用户为额定电压的＋5％~－10％。 由于电网各点的电压调节不同于频率的调节，可由电网统一进行，又由于电网各点电压主要反映了该点无功功率的供需关系，因此电压调节一般采取了无功就地平衡的方式进行无功功率补偿，并及时调整无功功率补偿量，以从源头上解决问题。也有采取调整同步发电机励磁电流的方式，以产生超前或滞后的无功功率，从而达到改善网络负荷的功率因数和调整电压偏差的目的。还有利用有载调压变压器，采取对电压偏差及时调整的方式。因为从总体上考虑，无功负荷只宜补偿到功率因数0.90～0.95，但仍然有一部分变化无功负荷要电网供给，从而产生电压偏差，这就需要分区采取一些有效的技术手段，而有载调压变压器就是有效而经济的措施之一。   什么是三相电压不平衡度？ 三相电压不平衡度是指三相系统中三相电压的不平衡度程度，用电压或电流负序分量与正序分量的均方根百分比表示。三相电压不平衡（即存在负序分量）会引起继电保护误动、电机附加振动力矩和发热。额定转矩的电动机，如长期在负序电压含量4％的状态下运行，由于发热，电动机绝缘的寿命将会降低一半，若某相电压高于额定电压，其运行寿命的下降将更加严重。 我国目前执行的GB/T 15543－1995 《三相电压允许不平衡度》规定了电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2％，同时规定了短时的不平衡度不得超过4％，其短时允许值的概念是指任何时刻均不能超过的限制值，以保证继电保护和自动装置正确动作。对接入公共连接点的每个用户引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3％。   什么是电压波动和闪变？ 电压波动和闪变是指电压幅值在一定范围内有规则变动时，电压最大值与最小值之差相对额定电压的百分比，或电压幅值不超过0.9p.u.~1.1p.u.（标幺值）的一系列随即变化。这种电压变化被称为闪变，以表达电压波动对照明灯的视觉影响。因此，闪变是说明对不同频率电压波动引起灯闪的敏感度及引起闪变刺激性程度的电压波动值，是人眼对灯闪的一种主观感觉。 对用户负荷引起的闪变限制，是根据用户负荷的大小、用电容量占供电容量的比例及系统电压等级规定的。电力系统公共供电点由冲击负荷产生的电压波动允许值的百分数，分三级作不同的规范和限制。 （1）10kV及以下为2.5 （2）35～110kV为2.0 （3）220kV及以上为1.6 GB 12326－2000《电压允许波动和闪变》特别规定了各级电压下的闪变限制值，它适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能造成人对灯闪明显感觉的场合。   什么是电压谐波？ 电压谐波是指电力系统各公共连接点的电压谐波含有率允许值。国际电工委员会文件IEC61000－3－6 《中、高压电力系统畸变负荷发射限制的评估》提出了决定畸变负荷接入电网时所作评估的一些基本原则和评估程序。其目的是将电网的谐波电压限制到对所有用电设备不致造成有害影响的水平（兼容水平），保证对接入电网的用户都有合适的供电质量，并提出了电网谐波的兼容水平、规划水平和发射水平三个方面的标准。我国目前执行的电压谐波标志是GB/T 14549－1993 《公用电网谐波》，标准中对电网0.38，6，10，35，66，110kV电压等级公共连接点的电压谐波含有率允许值做了明确的规定。   什么是间谐波？ 间谐波是指不是工频频率整数倍的谐波。间谐波往往由较大的电压波动或冲击性非线性负荷所引起，所有非线性的波动负荷如电弧炉、电焊机，各种变频调速装置，同步串级调速装置及感应电动机等均为间谐波源，电力载波信号也认为是一种间谐波。 间谐波源的特点是放大电压闪变和对音频干扰，影响电视机画面及增大收音机的噪声，造成感应电动机振动及异常。对于采用电容、电感和电阻构成的无源滤波器电路，间谐波可能会被放大，严重时会使滤波器因谐波过载而不能投运，甚至造成损坏。间谐波的影响和危害等同整数次谐波电压的影响和危害已成共识，IEC 61000－3－6对间谐波的发射水平作出了明确的说明，如间谐波电压水平应低于邻近谐波水平，并规定为（0.5%~1%）UN。我国目前还没有制定相应的国家标准给出限制规定。   什么是暂时过电压和瞬时过电压？ （1）暂时过电压是指在给定安装点上持续时间较长的不衰减和弱衰减的（以工频或其一定的倍数、分数）振荡的过电压。 （2）瞬态过电压是指持续时间数毫秒或更短，通常带有强阻尼的振荡或非振荡的一种过电压。它可以叠加于暂时过电压上。 暂时过电压和瞬态过电压使由于电力系统运行操作，或遭受雷击，或发生故障等因素引起的，是供电特性之一。新颁布的国家标准GB/T 18481－2001 《电能质量  暂时过电压和瞬态过电压》，规定了作用于电气设备的暂时过电压和瞬态过电压要求、电气设备的绝缘水平及过电压保护方法，并对过电压的相关术语、定义做了比较详尽的论述。   什么是电压暂降和电压上升？ （1）电压暂降是指由于系统故障或干扰造成用户持续时间0.5周波至1min内下降到额定电压或电流的10％～90％。即幅值为0.1p.u.~0.9p.u.（标幺值）时系统频率仍为标称值，然后又恢复到正常水平。国际上普遍认为，电压幅值低于0.1p.u.（标幺值）或大于0.5个周波的供电中断对敏感用户和严格用户而言都属于断电故障。电压暂降可能造成某些用户的生产停顿或次品率增加，而供电恢复时间取决于自动重合闸或自动功能转换装置的动作时间，因此传统的机械式断路器已不能满足对敏感和严格用电负荷的要求，目前主要采取的是利用高速固态切换开关SSTS、动态电压恢复器DVR或利用不间断电源UPS作后备电源并配合固态电子开关等措施。 （2）电压上升是指电压的有效值升至额定值的110％以上，典型值为额定值的110％～180％称为电压上升，即暂时性超过标称值10％以上，系统频率仍为标称值，持续时间为0.5周波～1min，幅值为1.1p.u.~1.8p.u.（标幺值）。   什么是断电和电压中断？ （1）断电是指由于系统发生故障，造成用户在一定时间内一相或多相失去电压，低于0.1p.u.称为断电。断电按持续时间分为三类：其一，0.5~3s称为瞬态断电；其二，3~60s称为暂时断电；其三，大于60s称为持续断电。 （2）电压中断是指断电的持续时间大于3min。 断电和电压中断往往是由于电力系统故障引起的，如供电线路遭受雷击、对地闪络，或是系统线路发生外力破坏致使保护动作等。由于短时失电后又重合闸，致使电压突然跌到零或接近零。电压中断将致使一些用户生产停顿，造成重大的经济损失或产生严重的后果。   什么是电压瞬变？ 电压瞬变又称为瞬时脉冲，是指在一定时间间隔内，两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的现象或数量变化。 这种瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波，即发生在任一极性阻尼振荡波的第一个尖峰。   什么是过电压和欠电压？ （1）过电压是指电压幅值超过了标称电压，且持续时间大于1min。过电压的幅值为1.1p.u.~1.2p.u.（标幺值）。 （2）欠电压是指电压幅值小于标称电压，且持续时间大于1min。欠电压的幅值为0.8p.u.~0.9p.u.（标幺值）。   什么是电压切痕？ 电压切痕（也称为电压缺口）是指一种持续时间小于0.5周波的周期性电压扰动。电压切痕主要是由于电力电子装置在有关两相间发生瞬态短路时，电流从一相转换到另一相而产生的。电压切痕的频率会非常高。用常规的谐波仪器很难测量出电压切痕，这就是过去从未有过的此项电压扰动的内容，直到最近才被国际电力电子工程师协会IEEE列入的主要原因。   什么是稳态电压扰动？ 稳态电压扰动是指以电源电压波形畸变为特征而引起电能质量污染的各种稳态电能质量问题。稳态电压扰动主要包括： （1）谐波。其特征指标是出现谐波频谱电压和谐波频谱电流的波形。 （2）陷波。其特征指标是陷波的持续时间及幅值大小。 （3）电压闪变。其特征指标是波动幅值、调制频率等。 （4）三相电压不对称。其特征指标是不平衡因子，产生的主要原因是三相负载不平衡。   什么是暂态（瞬态）电压扰动？ 暂态（瞬态）电压扰动是指电源电压的正弦波形受到暂态（瞬态）的电压扰动而发生畸变，引起电能质量的污染的各种问题。暂态电能质量问题是以频谱和暂态持续时间为特征的，一般分为脉冲暂态和振荡暂态两种类型。暂态（瞬态）电压扰动的主要特征包括： （1）暂态谐振。其特征指标是波形、峰值和持续时间，产生的原因是由于线路、负载和电容器组的投切，造成的后果是破坏运行设备的绝缘、损坏电子设备等。 （2）暂态脉冲。其特征指标是电压上升时间、峰值和持续时间，产生的原因是线路遭受雷击或感性电路分合等，造成的后果是破坏运行设备的绝缘。 （3）瞬时电压上升或暂降。其特征指标是幅值、持续时间、瞬时值/时间，产生的原因通常是由于大容量电动机启动、负荷瞬变、电力系统切换操作或远端发生故障等引起的，这是电力用户投诉最多的一种电压扰动，这是因为瞬时电压上升或暂降可能造成用电设备发生运行故障、敏感负载不能正常运行等后果。   什么是动态电能质量问题？ 国际电力电子工程师协会IEEE将电磁系统中典型的暂态现象进行了特征分类，主要列出了暂态和瞬态扰动现象，根据扰动的频谱特征、持续时间、幅值变化等，将其分为瞬时、短时和长期的电压变动三大类，在此基础上又进一步细分出18个子类。其中，短时电压变动，尤其是电压中断和跌落已成为国际上所关注的问题。这些问题对于具有较强惯性距的传统电机设备也许没有明显的影响，但对敏感和严格的用电负荷，如集成电路芯片制造和微电子控制的生产流水线等，将可能造成极大的危害，并已成为现代电能质量的重要问题，使电能质量的内涵也发生了较大的变化。 （1）传统的电能质量问题，如谐波、三相不对称等继续存在，而且严重性正在增加。 （2）目前，随着供电可靠性的不断提高，人们已逐步将注意力转向新的动态电能质量问题。如持续时间为毫秒级的动态电压升高、脉冲、电压跌落和瞬时供电中断等。 电能质量问题的性质、产生原因及解决方法见表1－4。 表1－4                       电能质量问题的性质、产生原因及解决方法 类型 扰动性质 特征指标 产生原因 后果 解决方法 谐波 稳态 谐波频谱电压，电流波形 非线性负载、固态开关负载 设备过热，继电保护误动，设备绝缘破坏 有源、无源滤波 三相不对称 稳态 不平衡因子 不对称负载 设备过热，继电保护误动，通信干扰 静止无功补偿 陷波 稳态 持续时间、幅值 调速驱动器 计时器计时错误，通信干扰 电容器、隔离电感器 电压闪变 稳态 波动幅值、出现频率、调制频率 电弧炉、电机启动 伺服电机运行不正常 静止无功补偿 谐振暂态 暂态 波形、峰值、持续时间 线路、负载和电容器组的投切 设备绝缘破坏、损坏电力电子设备 滤波器、隔离变压器避雷器 脉冲暂态 暂态 上升时间、峰值、持续时间 闪电电击线路，感性电路开合 设备绝缘破坏 避雷器 瞬时电压上升，瞬时电压下降 暂态 幅值、持续时间、瞬时时间 远端发生故障、电机启动 设备停运、敏感负载不能正常运行 不间断电源、动态电压恢复器 噪声 稳态/暂态 幅值、频谱 不正常接地、固态开关负载 微处理器控制设备不正常运行 正确接地、滤波器   用电负荷的分类与电能质量的敏感度有哪些对应关系？ 根据用电设备负荷的特性及不同的用电负荷对电能质量的要求与敏感度，一般将用电负荷分为三大类。 （1）普通负荷（Common Load） 普通负荷对电能质量的要求不太高，只有在发生持续断电或电压波动幅度过大，持续时间较长才会受到影响。同时，本身对电网的电能质量基本不形成影响和危害。如照明设备、加热器、通风机、一般家用电器等。 （2）敏感负荷（Sensitive Load） 敏感负荷对电能质量有一定的要求，电能质量不好可能对此类负荷会造成一定的影响和危害。同时，本身对电网的电能质量也可能造成一定的影响和污染。因此，需要采取一定的措施和对策。如电动机控制器、UPS电源、变速调速装置等。 （3）负荷（Critical Load） 严格符合对电能质量的要求非常高，电能质量出现问题对秧严格负荷会造成严重的后果，可能损坏设备，影响生产。同时，对电网的电能质量也会造成一定的影响和危害。因此，对严格负荷必须确保电能质量符合应用要求。如集成电路芯片制造流水线、微电子产品的智能化流水线、银行及证券交易中心的计算机系统等，均属于严格用电负荷。