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1、电网电能质量的分析及谐波治理姓名： 孙士云学号： 08B3060151 研究的意义 良好的电能质量是保证电力设施和用电设备安全、可靠、高效运行的基础。随着生产和技术的 发展，用电负荷日益增长，各种基于微处理器的控制系统和基于半导体功率器件的电力电子设备的 应用迅速增加，节能和环保要求也不断提高，与此密切相关的电能质量问题日益受到更多的关注。 对电能质量实施有效控制，已逐渐成为提高设备运行质量和节能降耗的重要方面。譬如油田配电网 具有用电容量大、设备分散、配电线路长等特点，对配电网电能质量实施有效的监测控制更为重要 对配电网电能质量状况进行系统的检测与分析，是进行电能质量问题治理实现电能质量有效
2、控制的 基础。2 电能质量及其分析与评价准则21 电能质量问题的背景一个理想的电力系统应以恒定的频率(50Hz或60Hz)和正弦的波形，按规定的电压水平对用户供电。 在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等、相位互差 120。的对称状态。因 此，在输配电系统中常用频率、有效值、波形质量和三相电压的对称度来描述其运行状态的优劣。 由于系统运行状态的变化、电网规划的不恰当、电力负荷本身存在的各种问题以及其他不可预见的 电力系统故障等原因，理想状态在实际运行当中并不存在，因此就提出了电能质量的概念。电能质 量问题的提出由来已久，可以说基本上同电力系统自身的发展同步，并随着电力系统的发
3、展而不断 增添新的内容。在电力系统发展的早期，电力负荷的组成比较简单，主要由同步电动机、异步电动 机和各种照明设备等线性负荷组成，因此衡量电能质量的指标也比较简单，主要有频率偏移和电压 偏移两种。进入上世纪80 年代以来，电能质量问题逐渐引起电力公司和电力用户的广泛关注，其原 因是多方面的，归纳起来主要有以下四点：(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器 的控制器和功率电子器件，它们对各种电磁干扰都极为敏感。(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。例如，高效率 电机变频驱动、为降低损耗和校正功率因数而采用的并联
4、电容补偿器，以及用户大量的电子设备等。 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。(3) 电力用户已提高了对电能质量的认识，正在了解诸如供电间断、电压凹陷、电路通断引起的 暂态现象等实际问题。为满足高科技生产流程的需要，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
5、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。22 电能质量的定义对于电能质量的定义，电力公司、电力设备生产厂家和电力用户各有各的观点。电力公司常将 电能质量定义为供电可靠性并用统计数据来表示。显然，这个定义仅仅考虑了电力公司对用户保持 持续供电的能力，而忽略了系统运行条件对用户设备性能的影响。电力设备生产厂家则将电能质国 量定义为能使设备正常运行的供电特征，因此不同的设备制造商往往存在不同的电能质量标准。电 力用户则可能把电能质量简单定义为是否向负荷正常供电，将电能质量问题定义为导致用户设备性 能降低、失效或误动作的电压、电
6、流或频率偏移等任何电能问题。由此可以看出，电能质量实际是 对可能引起电气设备电能质量问题的各种类型电力系统干扰问题的总称。就其本质来讲，电能质量 其实是电压质量，主要描述输配电电压偏离其理想状态的程度，内容涉及频率偏移、长期电压偏移 短期电压偏移、电磁暂态、三相不平衡、波形失真、电压波动和闪变等共七类电磁现象。23 电能质量问题的具体内容及其危害(1)频率偏移 频率偏移是电能质量的一个重要指标，它定义为电力系统基波频率偏离额定频率的程度。大容 量负荷或发电机的投切以及控制设备不完善都有可能导致频率偏移。在电网中如果发生较大频率偏 移可能导致电网瓦解和安全方面的严重后果，因此电网中均具备对运行频
7、率的严格监测与控制措施； 同时，电压频率决定于发电机的结构和转速，在电力的输送和分配过程中不会发生变化，易于集中 控制；因此，在大电网中有害频率偏移发生的概率极低。但在小水电、中小型柴油发电机等供电时 较易发生频率偏移。对电力用户而言，频率偏移会直接影响电机转速和效率，进而影响系统正常运 行或产品质量；频率降低引起异步电机和变压器激磁电流增加，所消耗的无功功率增加，恶化了电 力系统的电压水平；对于以供电频率作为时间基准的设备会产生较大的影响；严重频率偏移可导致 设备工作异常甚至损坏；频率的变化还可能引起系统中滤波器的失谐和电容器组发出的无功功率变 化。(2)长期电压偏移当超过规定限值的电压偏移
8、持续时间超过lmin时可以定义为长期电压偏移。可分为持续中断、欠电 压(电压降低到标称值的80%90%)和过电压(电压有效值上升到标称值的ll 0%1 20%)三种情 况。长期电压偏移的产生通常与输、配电系统中的故障、电压调节不当或功率因数补偿不当等因素 有关，也与负荷及功率因数变化导致的线路压降变化等因素有关。长时电压偏移过大会对电力系统 的正常运行产生不利影响，主要表现在以下几个方面：各种电力及用电设备均是按照其标称工作电压设计的，长期电压偏移必将会导致设备性能下降、 失常甚至损坏。例如：电压降低引起异步电动机的转矩减小、转速降低，电压减小10%；电动机轴 端负荷恒定时，滑差增大约 06%
9、；若转速不变，则转速转矩下降约20%；负荷率为 85%的电动 机，电压降低10%15%时则可能失去稳定性。电压降低引起照明设备的效率降低，使对电网电压 敏感的电子设备不能正常工作；对于有恒定功率需求的设备，欠电压往往会导致电流增加而使铜损 增加，损耗与温升增加，效率降低。电压过低还会引起补偿电容器组输出无功减少，严重时可能引 起连锁反应而导致全网性的电压崩溃。电压升高损害电气设备的绝缘，使变压器、电动机等以电磁 感应为基础的电工设备激磁电流增加甚至工作在饱和状态，致使设备过热甚至烧毁并产生有害的谐 波电流；电压过高还会增加电力电子设备、功率电子器件、电容器等的电压应力，严重时导致器件 击穿损坏
10、。(5) 短期电压偏移这是另一类电压质量问题，只是与长期电压偏移相比，其持续时间相对较短，最长不超过lmin。 它包括三种情况：供电间断、电压凹陷和电压突起。 供电间断供电间断是指供电电压或电流降到标称值的10%以下，持续时间不超过lmin的电能质量问题。 产生供电间断的原因既有可能是由于雷击输电线或配电线、树木倾倒、刮风等原因而造成的电力系 统瞬时 I 生故障，也有可能是因为设备失效或控制装置的误动作而引起的不正常工作状态，但以前 者居多。供电间断的恢复时间因安装的保护装置的性质而异，但一般在30s以内。由于控制装置误 动作或断线引起的供电间断，持续时间无规律可循，也有可能发展为长期供电中断
11、。 电压凹陷电压凹陷是指工频电压降低到标称值的10%90%之间，持续时间在0. 5个工频周期到lrain 之间的电压质量问题。瞬时性电压故障往往也以电压凹陷开始。大电力负荷的投入、大容量电容器 的切除、大电机或多个电机的同时启动都有可能引起邻近负荷的电压凹陷。变电站内某条配电线路 的单相接地故障也有可能引起邻近馈电线路的电压凹陷。单相接地故障引起的电压凹陷，持续时间 一般在3U30个工频周期之间，这主要依赖于断路器的切除时间。大容量电动机启动时，启动电流 数倍于电动机的额定电流，产生的后果类似于电力系统故障，电压凹陷的持续时间与电动机启动 时间有关，约在数秒以内。 电压突起电压突起是指工频电压
12、有效值上升到标称值的110%1 80%之间，持续时间在0. 5工频周期 到lrain之间的电压质量问题。单相接地故障会引起非故障相的电压突起，另外，大电力负荷的切 除或电容器柜的充电也会导致类似的电压质量问题。它的持续时间与电压凹陷基本类似。对于短期电压偏移问题的重视是近十几年来的事情，主要原因在于计算机控制系统的大规模应 用和自动化控制系统的不断精细化。对于一个计算中心来说，2s的供电间断或电压凹陷会造成计算 机系统的工作紊乱，使处理了几个小时的数据损坏，或者使成千上万元的业务作废。解决短期电压 偏移问题，既可以在负荷侧进行，也可以通过改造配电网来达到目的，但目前主要集中在负荷侧。 为了降低
13、这些电能质量问题对生产和生活的影响，用户不得不架设双路配电线和装设备用电源、不 间断电源、稳压器等各类电气装置。提高配电网的自动化程度、改造配电网的结构会在某种程度上 解决短期电压偏移问题，而用户电力技术的发展则为在系统侧解决短期电压偏移问题提供了新的手 段，即在馈电线上装设动态电压恢复器。动态电压恢复器由换流器、储能设备（电容器或蓄电池组） 以及串联在馈电线路上的串联变压器组成。当出现电压凹陷或间断时，它会通过串联变压器向馈电 线叠加一个精确的补偿电压以消除短期电压偏移的 影响。（4）电磁暂态电磁暂态是指电力系统从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时，电压或电流数值的暂时性非 工频变化，它没有
14、方向性，既有可能为正值，也有可能为负值。产生电磁暂态的主要原因有雷电波 冲击和电力系统故障等，可分为冲击暂态和振荡暂态两类。 冲击暂态冲击暂态定义为电压或电流在稳态下突然的非工频变化，变化是单方向的，通常表现为电压尖 峰、电涌或瞬态过电压，常用其幅值、上升时间和延迟时间来描述。产生冲击暂态的主要途径就是 雷电。冲击暂态常常导致电气设备因为过电压而损害，还有可能激发电力系统的自然振荡而导致振 荡暂态。为此，电力线路等重要的电力设备都采取各种有效的避雷措施。 振荡暂态 振荡暂态定义为电压或电流在稳态下突然的非工频变化，变化是双向的，通常表现为短时衰减 震荡，常用频谱成分（主导频率）、持续时间和幅值
15、进行描述。根据其频谱范围，振荡暂态可分为高 中、低三种情况。高频振荡暂态的主导频率一般在0. 55MHz之间，持续时间约为几个微秒，它往 往是受当地的冲击暂态激发而引起的。中频振荡暂态的主导频率在5500kHz之间，持续时间约为 几十个毫秒。背靠背电容器的充电、电缆线路的投切以及冲击暂态的激发都会产生主导频率为几十 千赫的振荡暂态。主导频率低于5kHz，持续时间在0. 350ms之间的暂态称为低频振荡暂态。低 圈频振荡暂态在输配电系统中经常遇到，很多情况都可能导致低频振荡暂态。电容器柜的充电会产 生主导频率在300900Hz之间，峰值约为2倍正常电压的低频振荡暂态。配电网中存在的主导频率 低于
16、300Hz的低频振荡暂态，主要同配电网中的铁磁谐振现象和变压器充电而产生的励磁涌流有关。 电磁暂态的主要危害为破坏电气设备的绝缘、电压击穿半导体器件和其他电子器件、烧毁电路板； 导致额外损耗、设备绝缘和零部件提前老化、设备性能劣化、寿命缩短；干扰电子设备和电力电子 器件的正常工作、导致设备误操作或功能失常；造成数据处理程序出错、数据文件部分破坏、数据 传输错误、通讯干扰等。(5)三相不平衡三相不平衡定义为相电压或相电流对于三相电压或电流平均值偏移的最大值。在三相电力系统 中，三相不平衡的程度常用负序和零序分量与正序分量有效值之比来表征。三相电压或电流不平衡 的产生既有设计方面的原因，如单相电气设备三相分布的严重不对称，也有大容量单相负荷存在的 客观条件，如单相电气机车，电弧炉等；另外，运行故障也会导致三相不平衡的产生。三相电压不平衡对旋转电机的危害最大，会导致57倍电流不平衡，负序电流流入同步电机或 异步电机，会使电
