大学电气精品课件 电能质量

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1、电能质量三峡大学电气信息学院 周云海讲座主要内容w 电能质量问题的重要性 w 电能质量的基本概念 w 电能质量相关国家标准 w 改善电能质量问题的装置和技术手段 w 一些实际应用案例 w 电能质量监测技术的发展趋势电能质量问题的重要性w 电能即是一种经济、实用、清洁且容易控 制和转换的能量形态，又是电力部门向电 力用户提供，由发、供、用三方共同保证 质量的一种特殊产品。如今，电能作为走 进市场的商品，与其它商品一样，无疑也 应讲求质量。电能质量问题的重要性(1)现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高。许多新的电器和 装置都带有基于微处理机的控制器和功率电子器件,它们对各种电磁 干扰都极为敏

2、感。 (2)对电力系统运行总效率的重视程度不断加强,特别在用电设备方面表 现突出。但这些设备的使用又会导致电网谐波污染(更广义的称为 电气环境污染),致使供电电压干扰水平加重,对电力系统安全运行带 来直接的或潜在的危害。例如,高效率电机变速驱动、为降低损耗和 校正功率因数而采用的并联电容补偿器,以及大量的用户电子设备等 。 (3)电力用户已提高了对电能质量的认识,正在了解如供电间断、电压凹 陷、电路通断引起的暂态现象等实际问题。为满足高效生产流程的 需要,维护用电设备的正常运行,越来越多的用户向电力部门提出了 高质量供电的要求,甚至通过签定供电合同和质量协议的方式以获得 保证。 (4)电力网的

3、各个部分都是相互联系的,因此综合协调处理至关重要。任 何一个局部的故障或事件都有可能造成大面积的影响,甚至是重大损 失。这迫使供电部门在保证向用户提供优质电力的同时,还需极力避 免遭受用电设备产生的电力干扰,维护电网安全运行。因此电能质量 已经成为一项系统工程问题。w 供电可靠性问题对美国工业每年造成损失为 250500亿美元。如惠普公司集成电路工厂 停电20分钟将引起3000万美元损失。 w 大量电力电子装置的使用、电容投切等造成 负荷不对称并引起严重的电能质量问题。 w 电压低于0.9额定值时，某些电动机将不能 正常工作。 w 高次谐波会导致对精密电子设备工作的干扰 和电器设备的异常发热，

4、造成设备的永久性 损坏。 w 供电电压的闪变和三相不对称，则直接影响 各种电气设备正常运行。电能质量问题影响的严重性一次电源波动可能造成的巨大经济损失半导体工业具有特殊过程工业玻璃工业光学工业纺织工业$M=百万美元包括一些化工生产过程IBM的研究结果电压跌落对一些设备的危害 芯片测试 当电压低于85时，测试仪停止工作，芯片、主板可能被毁； PLC 早期的产品，当电压低于10时，仍能持续工作15个周波（可编程控制器） 新版产 品，当电压低于(5060)时，PLC停止工作；而2年后的另一篇文献11介绍，当电压低于81时，PLC停止工作；一些I/O设备，当电压低于90、持续时间仅几个周波，就会被切除

5、。机器人 由机器人控制对金属部件进行钻、切割等精密加工的机械工 具，为保证产品质量和安全，工作电压槛值一般设为90，当电压低于此值、持续时间超过23个周波时，被跳闸。 直流马达 当电压低于80时，直流电机被跳闸。 变频调速 当电压低于70，持续时间超过6个周波时，VSD被切除。而对于一些精细加工业中的电机，当电压低于90、持续时间超过3个周波时，电机就会被跳闸而退出运行。 马达 有的研究表明当电压低于50、持续时间超过1个周波，接触器 接触器 就 会脱扣，而有的研究表明当电压低于70、甚至更高， 接触器就会脱扣。 计算机当电压低于60，持续时间超过12个周波时，计算工作将受 到影响，如数据丢失

6、。我国电网电能质量问题更大w 故障率与供电可靠性差 n据1995年203个供电局/电业局统计，平均供 电可靠率仅为99.075%； w 电压波动大。我国部分城网电压合格率仅为 82%86%； w 供电网谐波污染严重。变流电源、家用电器、 冶金、化工企业大型冲击电源、电气化牵引设 备等都是主要的谐波源，造成电压波形畸变、 电压波动、闪变和三相不平衡。 电能质量问题危害实例w 1984年，大同第二发电厂中的发电机负序 电流过负荷保护受到电气铁道所产生的过 大负序电流和谐波电流而动作切机，造成 大面积停电。 w 陕西安康110kv电网由于电气铁道供电使 电网中多种保护和自动装置受到负序电流 影响而频

7、繁误动，每天达100余次。电能质量的基本概念w电能质量：从普遍意义讲，电能质量是指优质供电，但是迄今为止，人们 对电能质量的技术含义却存在着不同的认识，还不可能给出一个准确同一 的定义。这是因为人们看问题的角度不同所致。 w例如，电力部门可能把电能质量定义为：电压与频率的合格率，并且用统 计数字来说明电力系统99.9%是安全可靠运行的；w电力用户把电能质量简单定义为：是否向负正常供电。w设备铸造厂家把电能质量定义为：电源特性应当完全满足电气设备的正常 工作需要。wIEEE标准化委员会给出的定义为：合格电能质量的概念是指，给敏感设备 提供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的。IT用户

8、对电能质量的要求w 20世纪80年代,美国计算机和商用设备制造商协 会 Computer and Business Equipment anufacturer association CBEMA) (现已改称Information Technology dustry Council ITIC信息技术工业协 会) 出于大型计算对电能质量的要求曾提出了电 压容限曲线及相关的4种典型电压扰动,以防止电 压扰动造成计算机及其控制装置误动和损坏。 容限曲线见下图,绿色部分为合格电压。 周波(60Hz)计算机安全运行电压图（by CBEMA 1996）计算机及信息设备对电力供应提出一系列新挑战电能质量评价

9、指标w 电能质量主要包括电压质量、频率质量和 供电可靠性3个方面。对频率质量的要求 全网相同，不因用户而改变。决定电压质 量的指标很多，IEEE第22标准协调委员会 和其他国际委员会最新采用11种专用术语 来说明电压质量的主要扰动：电能质量扰动问题的名称和定义（1 ）(1)断电(Interruptions)在一定时间内,一相或多相完全失去电压(低于0.1p.u.)称为断电。断 电按持续时间分为三类:瞬时断电 0.5周波至3s;暂时断电 3s至60s;持续断电 60s (2)频率偏差(FrequencyDeviations)各国均已作出具体规定。 (3)电压下跌(Sags)持续时间为0.5周波1

10、min,幅值为0.1p.u.至0.9p.u.(标幺值),系统频率 仍为标称值。电能质量扰动问题的名称和定义（2 ）(4)电压上升(Swells)电压(或电流)暂时性超过标称值10%者称为电压上升。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.至1.8p.u.(标幺 值)。 (5)瞬时脉冲或突波(Transients)瞬时脉冲表示了在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。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲,也可以是发 生在任一极性的阻尼振荡波第一个尖峰。 (6)电压波动(VoltageFluctuations)电压波动是在包络线内的电压的有规则变动,

11、或是幅值通常不超出 0.9p.u.至1.1p.u.电压范围的一系列电压随机变化。这种电压变化往 往称作闪变(flicker)。闪变这个专用术语是来自电压波动对照明灯 的视觉影响。对输配电系统产生电压闪变的最常见原因是电弧炉。 电能质量扰动问题的名称和定义（3 ）(7)电压切痕(Notches)电压切痕是一种持续时间小于0.5周波的周期性电压扰动。电压切痕 主要由于电力电子装置在有关两相间发生瞬时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,因此用常规的谐波 分析设备是很难测量出电压切痕的。这就是过去从未有过此项电压 扰动内容,直到最近才正式列入的原因。 (8)谐波(Harmo

12、nics)含有基波整倍数频率的正弦波电压或电流称为谐波。产生畸变后的 波形可分解为基波和许多谐波之和。谐波是由于电力系统和电力负 荷中设备的非线性特性造成的。谐波有奇次(又可分为3的倍数和非 3的倍数)和偶次之分。随着用电装置对谐波敏感性的日益增加,高次 谐波越来越受到注意并规定了限额。电能质量扰动问题的名称和定义（4 ）(9)间谐波(Interharmonics)含有基波的非整倍数频率的电压或电流称为间谐波。小于基波频率 的分数谐波(fractionalharmonics)亦属于此类。间谐波的主要来源是 静止变频器(static frequency converter)、循环换流器(cycl

13、oconverter) 、感应电动机和电弧发生装置等。间谐波会使显示装置引发视觉闪 变。 (10)过电压(Overvoltages)过电压是指电压幅值超过标称电压且持续时间大于1min。过电压的 幅值为1.1p.u.至1.2p.u.。 (11)欠电压(Undervoltages)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.至0.9p.u.。 用户分类(1)普通负荷(或用户) 电能质量不良一般对普通负荷影响不显著。只 有持续断电过长和电压下跌过多或上升过多才会“感受”到影响。 (2)敏感负荷(sensitive load) 此类负荷对电能质量不良相当敏感并会

14、受 到损害,因此对电能质量有一定要求且必须采取一定的对策以确保达 到此要求。但不同类型敏感负荷的敏感程度不同,因此,要在进行费 用/收益比分析并作出最佳缓解程度的决策后,才提出电能质量要求 及其相应措施。(3)要求严格的负荷(critical load) 此类负荷在电能质量不良时会产生 严重后果,有的会造成巨大经济损失,有的会发生不可挽回的损害,因 此必须要确保所提出的电能质量要求。例如医院中用计算机进行的 心脏外科、脑外科、心血管外科、眼科手术等,又如用大型计算机网 络操作的证券交易所、银行等金融机构,再如生产精密度要求特别高 的信息工业芯片、微电子元件以至纳米级元件的制造,更如大多数的 军

15、事工业制造及军事设施等等。保证供电质量的方法w 保证供电质量的方法无非是两个方面：进行负荷调整，就是使负荷减少敏感程度，这 不易做到。如遇该负荷的电能质量要求特别高 而单靠电力企业确实无法在短时期满足其要求 时，就必须和用户共同采取必要措施，以降低 负荷敏感程度和降低电能质量不良程度双管齐 下克服困难。进行电力网改进，既由电力企业安装必要的设 备以抑制或抵消电力扰动。目前主要采用的是 第种方法。国外电能质量标准w 1989年,欧洲共同体决定制订电能质量的 全面标准。1992年7月欧洲电工标准化委 员会(CENELEC)正式颁布公用配电系统 供电特性文件(CENELEC CLC/BTTF68-

16、6(sec)15),作为欧洲共同市场对电能质量的 统一标准,并已为国际电工委员会(IEC)采 用。标准共分5大类13个标准： 国外电能质量标准1. 频率(取配电系统基频10秒的平均值) (1)互联电网低压50 Hz1%(即500.5 Hz)一年中占99%50 Hz6%(即503 Hz)一年中占1%中压 50 Hz1%(即500.5 Hz)一年中占99%50 Hz6%(即503 Hz)一年中占1% (2)孤立电网(如岛屿供电等)低压50 Hz2%(即501 Hz)一年中占95%50 Hz15%(即507.5 Hz)一年中占5%中压50 Hz2%(即501 Hz)一年中占95%50 Hz15%(即507.5 Hz)一年中占5%国外电能质量标准2.电压幅值(共分7种情况) (1)慢速电压变化 低压 UN10