电能质量知识

1、电能质量知识培训 武汉七星电气武汉七星电气 技术技术部部 武汉七星电气有限公司公司 培训内容 n电能质量标准 n电能质量定义 n电能质量分类 n基本概念和术语 n电能质量监测仪 电能质量标准 n国标：中国国家标准 nIEC：国际电工委员会标准 nIEEE：美国IEEE标准 nEN50160：欧共体，公用配电系统供电特性 电能质量标准国标 n电力系统频率允许偏差GB/T15945-1995 n三项电压允许不平衡度GB/T15543-1995 n公用电网谐波 GB14549-93 n供电电压允许偏差 GB12325-90 n电压波动和闪变 GB12326-2000 n暂时过电压和瞬态过电压 GB/

2、T18481- 2001 电能质量定义 n从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。但是由于 人们看问题的角度不同，所以迄今为止，对电能质量 的技术含义仍存在着不同的认识，还不可能给出一个 准确统一的定义 。 nIEEE技术协调委员会给出的“power quality”的技术定 义为：“合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和 设置的接地系统适合该设备正常工作”。 nIEC(1000-2-2/4)标准将电能质量定义为：供电装置正 常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性 电能质量分类 n电能质量问题分为：稳态电能质量问题和暂态 电能质量问题。 n稳态电能质量问题：以波形畸变为主要特征， 持续

3、时间较长，又可以分为以下几种类型：谐 波、间谐波、电压不平衡、过电压和欠电压。 n暂态电能质量问题：通常是以频谱和持续时间 为特征，包括脉冲暂态和振荡暂态两类，其表 现形式有：电压瞬变、电压闪变、电压骤升、 骤降、短时断电 电能质量分类 基本概念和术语 n电压偏差 n频率偏差 n三相电压不平衡度 n谐波 电压谐波畸变率 间谐波 n电压波动与闪变 电压骤降骤升 电压瞬变 电压中断 基本概念 与 术语 瞬态：半个周波（瞬态：半个周波（10ms)10ms)以内以内 暂态：从暂态：从10ms 10ms 到到1min1min 稳态：稳态：1min1min以上以上 瞬变瞬变 - -瞬态概念瞬态概念 骤升，

4、骤降骤升，骤降 - -暂态概念暂态概念 过电压，低电压，电压中断过电压，低电压，电压中断 - -稳态概念稳态概念 电压波动电压波动 闪变闪变 谐波谐波 类别频谱条件持续时间电压大小 脉冲 纳秒5ns rise1ms 振荡 低频5KHZ0.350ms04pu 中频5500KHZ20s08pu 高频0.55MHZ5 s04pu 电压的短暂变化 类别持续时间电压大小 瞬时 下陷0.5 30周0.1 0.9pu 上升0.5 30周1.1 1.8pu 暂时 中断0.5 周3s0.1pu 下陷30 周3s0.1 0.9pu 上升30周3s1.1 1.8pu 短时 中断3s 1min1min0.0pu 欠电

5、压1min0.8 to 0.9pu 过电压1min1.1 to 1.2pu 电压的长期变化 电力系统中的电磁现象 电压偏差 n电压偏差(实测电压额定电压)/额定电压 n供电电压允许偏差范围 n 35kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超 过额定电压的10 n 10kV及以下供电电压允许偏差为额定电压的(+/- )7% n 220V单相供电电压允许偏差为额定电压的7%、 10% 电压偏差的危害 n照明设备的发光和寿 命（图2）；电动机 的力矩、转速、发热、 工效以及产品质量 （图3）；变压器的 发热、温升、损耗； 并联电容器无功出力、 寿命；家用电器如电 视机的视感、寿命； 电子计算机和控制

6、设 备不正常； 照明灯的电压特性 电压偏差与电解铝生产工况的统计表 工业设备（如电解、电热）效率降低（表2）；电力系统稳定性降低， 线损增加。 频率偏差 n频率偏差实测频率额定频率 n电力系统频率偏差允许值为+/-0.2Hz，当系统 容量较大时，偏差值可放宽到+/-0.5Hz n全国供用电规则中有规定：电网容量在 3GW及以下者频率偏差允许值为+/- 0.2Hz，电 网容量在3GW以上者频率偏差允许值为+/- 0.5Hz 频率偏差的危害 n电动机转速变化，影响纺织、造纸等产品质 量；传动机械出力变化，影响生产效率；对 测量、控制和计时等电子设备精度和性能影 响；使感应式电能表计量误差加大；影响

7、发 电机和电力系统安全；冲击负荷对近区电网 的危害。 三相电压不平衡 n三相电压不平衡 U2/U1 U1-三相电压正序分量方均根值 U2-三相电压负序分量方均根值 n电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许 值为2，短时不得超过4，对每个用户电 压不平衡度的一般限值为1.3 三相电压不平衡危害 n引起以负序分量为启动元件的多种保护误动 作；换流设备产生附加的谐波电流（非特征谐 波）；变压器负载能力下降；在低压配电线路 中，引起照明灯的寿命缩短或烧损、电视机损 坏、中性线过负荷等；引起线损及线路电压损 失增大；影响正常通信质量。 谐波 n谐波即对周期性的变流量进行傅里叶级数分解， 得到频率为大于1

8、的整数倍基波频率的分量， 它是由电网中非线性负荷而产生的。 典型谐波产生源 电子开关型电子开关型:各种交直流换流装置、变频装置 铁磁饱和型铁磁饱和型:各种铁芯设备, 如变压器、电抗器等，其铁磁饱 和特性呈现非线性 电弧型电弧型:各种炼钢电弧炉、交流电弧焊机 谐波种类 n偶次谐波 : 2nd, 4th, 6th, 8th n奇次谐波 : 3rd, 5th, 7th, 11th n正序谐波 :(3n+1) 4th, 7th, 10th n负序谐波 :(3n-1) 2nd, 5th, 8th n零序谐波 :(3n) 3rd, 6th, 9th n电压谐波总畸变率(失真率): V(THD) 电压谐波畸

9、变率 n谐波源使得实际的电压波 形偏离正弦波，这种现象 称为电压正弦波形畸变。 n电压波形畸变的程度用电 压正弦波畸变率来衡量， 也称电压谐波畸变率。 n电压谐波畸变率以各次谐 波电压的均方根值与基波 电压有效值之比的百分数 来表示： 式中 Un-第n次谐波电压有效值V U1-基波电压有效值，V 谐波的危害 n干扰继电保护、自动装置和计算机系统；使电子设备工作不正 常；使量和计量仪器（感应式电度表）、仪表误差加大；降低 信号传输质量，干扰通信系统；增加电力网中谐振可能性，诱 发电压或过电流的危害；减少白炽灯使用寿命。 降低电力设备的利用率，使电气设备（如旋转电机、电容器、变 压器）以及导线（如

10、低压中性线、电缆、母排等）过载运行 （发热、振动、异常声响等），缩短使用寿命、增加线损；降 低断路器遮断容量。例如，馈供给整流负荷的普通电力变压器， 其出力应相应的降低。降低值和变压器的杂损比（即附加损耗 与基本损耗之比）有关，如表3所列。 谐波造成波形畸变 基波与2次谐波无相差叠加基波与2次谐波有相差叠加 基波与3次谐波无相差叠加基波与3次谐波有相差叠加 间谐波 n间谐波是谐波频率与基波频率的比值为非 整数倍的谐波，其是两个连续的基频整数 倍频率之间的整频带 n波形畸变 电压波动 n电压波动(Fluctuation)即电压方均根值一系列 的变动或连续的改变 电压波动(Umax-Umin)/U

11、n n在公共供电点的电压波动允许值： 10kV及以下为2.5% 35110kV为2 220kV及以上为1.6 n闪变(Flick)即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷，如 电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的 n电压闪变值主要是表征人眼对灯闪主观感觉的参数。国标推 荐的闪变干扰的允许值，对照明要求较高的白炽灯负荷为0.4 ，对一般性照明负荷为0.6 nPst为短时闪变值，即衡量短时间(若干分钟)内闪变强弱的一 个统计量值；Plt为长时闪变值，它由Pst推算出，反映出长时 间(若干小时)内闪变强弱的一个统计量值 电压闪变 电压波动和闪变的危害 nIT设备 当电压波动超过40，持续时间超过12个周波

12、（0.24s）时，导致数据丢 失。 nPLC （可编程控制器）： 早期的产品，电压低于10时，可工作15个周波（0.3s）； 电压低于(5060)时，停止工作； n数控设备： 为保证产品质量和安全，工作电压波动范围一般为10，当电压低于此值、 持续时间超过23个周波（0.040.06s）时，保护性停机。 n变频调速 当低于额定电压70，持续时间超过6个周波(0.12s)时停机。精细加工业 中的电机，电压波动10、持续时间超过3个周波时，停机。 n电机 当电压波动超过（5030）、持续时间超过1个周波，控制开关就会跳 闸。 电压骤降骤升 n电压骤降电压骤降 电压快速降到额定电压的90%10%范围

13、内为电压骤降， 10ms持续时间1m n电压骤升电压骤升 电压快速升到额定电压的110%以上为电压骤升， 10ms持续时间1m 电压瞬变 nPositive Transient（正向瞬变）：10毫秒 或更短时的临时过压 nNegative Transient（负向瞬变）：10毫 秒或更短时的临时电压不足 电压中断 n短时电压中断：电压低于额定值的1%， 而且，10ms持续时间1m n长时电压中断：电压低于额定值的1%， 而且，1m持续时间 电压变动 n 凡不保持电压均方根值恒定不变的，或者说实际电压偏离标称电（额 定电压）的现象。 n通常以电压整周期的均方根值来衡量电压的大小，而工程上一般可

14、取半个周期均方根值来计算电压。电压均方根值的离散计算公式为 ： n 计算公式为： 其中，N：一个周期内的采样点数；Uk：第k点的电压瞬时值。 n电压瞬时值的改变可以用表达式： n描述，式中f（t）函数可能有各种各样的变化，由此引起电压瞬时值的多 种改变。而对于短时脉冲函数时所造成的电压幅值快速突变，一般不列 入电压均方根值变动范畴。均方根值电压变动特性U（t），简称电压特 性，是指沿基波半个周期及其整数倍求取的电压均方根值随时间变化的 函数关系。 典型电压变动现象 n根据电压变动的快慢、变化大小、变动 频次以及持续时间的长短等特征作出进 一步的细化分类，包括五个部分。 n1.电压偏差 n2.电

15、压波动 n3.电压暂降与暂升 n4.短时间电压中断 n5.长时间电压中断 电压变动的危害 （6）暂时过电压和瞬态过电压 使设备绝缘破坏，引发事故。 （7）电压暂降（包括短时中断） 引起变速驱动装置（ASD）跳闸、程序逻辑控制器 （PLC）损坏、各种数字式自动控制装置误动、计 算机系统失常，数据丢失；导致相关加工生产线 （例如塑料、玻璃、石化、纺织、造纸、半导体以 及橡胶等）停顿，大型场所照明失电（例如镝灯， 灯灭后需冷却好几分钟后才能启动）等等。 谁会在意电能质量 n供电局供电局 n制造业制造业 动力部门动力部门 n过程工业（冶金，石化）过程工业（冶金，石化） n数据中心，运维部门数据中心，运

16、维部门 n军队工业军队工业& &政府事业政府事业 n集成商集成商 n电能治理公司电能治理公司 案例 n 某证券公司由于谐波使得网络速度变慢、数据出错，实时交易的动态信 息显示屏幕出现大片空白，数据刷新和交易的速度都极慢，且经常中断， 根本无法进行交易。 n 某宽带运营商由于突然断电造成宽带网络客户不能正常上网，客户索赔 几百万。 n北京某化工厂2005年1月18日，外网波动引起断电，聚氯乙烯装置爆炸， 停电5-6小时，直接损失30万元。 n某钢铁企业2004年一次停电导致所有生产线上的产品作废，损失上亿元。 n2004年3-8月吉林省农电局一条10kV配电线（约40km）末端49个台区先 后发

17、生了500多次低压电器设备（包括电视机、计算机、冰箱温控器、交 换机模块、VCD、加油机电源板等等）烧损事故，经测试分析，是某钢 厂中频炉谐波，因长线“谐波容升电压”效应所致。 n1993年2月河南省信阳和驻马店地区220kV计驻线（双回线，一回线停电 检修）因电气化铁路牵引站的谐波引发高频保护误动，引起大面积停电 事故（两个220kV2240MVA变电站停电）。 n 河南省220kV柳林变电站原10kV8组6600kVar并联电容器，因3次谐波影 响及串联电抗器选配不当等原因大量损坏，不得不全部更换（现为8 8000kVar）。 改善电能质量的首要问题 电能质量分析与监测电能质量分析与监测

18、n目的：通过在特定地点设置电能质量分析 和监测装置，评估其电力供应与负荷之间 的兼容性，分析电能质量的各项指标，为 评价电力供应和改善电能质量提供依据。 nIEEE标准Std 1159-1995，专门对电能质量 监测提供了一系列规范。 电能监测装置的种类（1） n便携式电能质量分析仪 优点： 使用方便， 成本较低 缺点： 信号通道数有限； 对一些长期性电能质 量指标不便进行监 测 电能监测装置的种类（2） n固定式电能质量监视装置 n优点：容量大，可长时间不 间断监视 n缺点：成本高。 n较好的解决方案 采用集中式方案，可大大降低 系统的造价，具有较好的性 价比。 电能质量监测仪简介 n32位

19、DSP数字信号处理器+ARM7内核 n16位六通道高精度A/D转换器 n全中文大屏幕宽温液晶显示屏 n2G大容量FLASH存储器，可连续存储 两年的历史数据 nRJ45、RS232/485等多种通讯方式， 支持IEC-103规约 n超低功耗小于10VA n采用自适应技术调整零漂 n采用频率跟踪技术和数字补偿算法， 有效地消除频率泄漏和栅栏效应 电能质量监测仪功能与特点 n稳态参数测量 n可测量电网频率、电压偏差、电压与电流真有效值、基波有效值、电压、 电流谐波（250次）、间谐波、三相电压不平衡度、电压波动与闪变值、 负序、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数； n暂态参数测量 n可测量电压

20、骤升骤降，具有事件录波功能。 n录波可设定为手动触发或自动触发。 n具有谐波越限保护功能，提供报警、 跳闸继电器接点； n仪器支持TCP/IP（包括FTP协议）、RS232/485等多种通讯方式，支持 IEC-103规约，可方便地融入综自系统，仪器配备工控级嵌入式10/100M 自适应网卡，连接可靠，长期运行稳定性好。多台QXPQ1和上位机联网 可以组成电能质量监测与管理系统（POWER QUALITY SUPER VISORY&MANAGEMENT SYSTEM，简称PQMS）。 电能质量监测仪使用简介 进入主菜单后，用进入主菜单后，用“上翻上翻”和和“下翻下翻”键，或键，或“递增递增”和和

21、 “递减递减”键可选择菜单项，键可选择菜单项， 用用“确认确认”键可进入选择的菜单项。键可进入选择的菜单项。 在主菜单界面，选择“基本数据”，按“确认”键可进 入菜单，可以查看实时基本数据，如图3所示 图3 基本数据界面 n基本数据界面参数意义如下： nPHA A相 PHB B相 PHC C相 nU 电压 I电流 Du 电压变动 U 电压偏差 nPst短时闪变 Plt 长时闪变 P 有功功率 Cos功率因数 nQ无功功率 Freq频率 Un零线电压 In零线电流 按“返回”键返回主菜单界面，选择“波形数 据”、 按“确认”键进入查看，见图4。 n图4 电压波形数据 n进入波形数据界面后，第一行

22、 显示电压、电流，可用“递增”或 “递减”键在电压与电流间切查看， 电流波形显示同电压波形显示。按 “返回”键可返回主菜单界面。 n实线表示A相，长虚线表示B相， 短虚线表示C相。相角以A相电压为 参考，A相电压定义为0.0，B相电 压和A相电压差240，C 相电压和A 相电压差120。电流相角以同相电 压相角为参考基准，A相电流相角表 示A相电流与A相电压相角相差多少 度，B相电流相角表示B相电流与B相 电压相角相差多少度，C相电流相角 表示C相电流与C相电压相角相差多 少度。 在主菜单界面选择“谐波数据”、按“确认”进入，见 下图 n每页显示10次谐波数据， 用“上翻”或“下翻”键进 行翻

23、页，可显示1020次、 2130次、3140次、4150 次谐波数据。 nTHDU为电压谐波总畸变 率，THDI为电流谐波总畸变 率，HR*为各次谐波。从左 向右依次为A相、B相、C相、 N相。 n其中电压各次谐波为百 分含量，电流各次谐波为有 效值。 n按“递增”或“递减” 键键可在电压电流间切换。 n按“返回”键即可退出 至主菜单界面。 在主菜单界面选择“间谐波数据”、按“确认” 进入，见下图 n同“谐波数据” 每页显示10次谐波数 据，用“上翻”或 “下翻”键进行翻页 查看，按“递增”或 “递减”键键可在电 压电流间切换，按 “返回”键即可退出 至主菜单界面。 在主菜单界面选择“向量图”

24、按“确认” 键可以查看。按“返回”键即可退出至主 菜单界面。 n 以向量图的方式 显示三相电压、电流 的幅值和相位，基波 和各次谐波电压、电 流的幅值、相位及正、 负、零序分量的幅值 和相位等。 通讯参数设置内容如下： n项目意义范围（报警、跳闸）默认值 nFreqL频率下限40.0050.000.00 nFreqH频率上限50.0060.000.00 nUL（%）电压偏差下限0.0010.00 0.00 nUH（%）电压偏差上限0.0010.00 0.00 nCOS功率因数0.001.000.00 ndU(%)电压变动0.0020.00 0.00 npst短时间闪变0.0010.00 0.0

25、0 nplt长时间闪变0.0010.00 0.00 nU2/U1（%）三相电压不平衡度0.0099.99 0.00 nU0零序电压0.0099.99 0.00 nU1正序电压0.0099.99 0.00 nU2负序电压0.0099.99 0.00 nI2/I1（%）三相电流不平衡度0.0099.99 0.00 nI0零序电流0.0099.99 0.00 nI1正序电流0.0099.99 0.00 nI2负序电流0.0099.99 0.00 nTHDu（%）谐波电压总畸变率0.0010.00 0.00 nTHRD-E（%）偶次谐波电压含有率0.0010.00 0.00 nTHRU-0（%）奇次谐

26、波电压含有量0.0010.00 0.00 nHRI02（A）2次谐波电流含量0.0050.00 0.00 nHRI03（A）3次谐波电流含量0.0050.00 0.00 n nHRI25（A）25次谐波电流含量0.0050.00 0.00 n名称 定义 名称定义 名称定义 nL电源输入N电源输入G电源接地 nK1+报警1输入K2+报警2输入K3+报警3输入 nK1- 报警1输出K2-报警2输出K3-报警3输出 nK4+跳闸输入K5+故障输入K6+失电输入 nK4- 跳闸输出K5-故障输出K6-失电输出 项项 目目参参 数数 通通 道道 数数A A、B B、C C、N N四相电压四相电压 A A

27、、B B、C C、N N四相电流四相电流 测量范围测量范围 电压电压 0 0100V 100V 电流电流 0 06A6A 测频误差测频误差0.01 Hz0.01 Hz 谐波误差谐波误差精度满足国标精度满足国标A A级要求级要求间谐波误差间谐波误差同谐波同谐波 电压偏差误差电压偏差误差0.5%0.5% 三相不平衡度误差三相不平衡度误差0.2%0.2%电流不对称因数电流不对称因数1%1% 闪变误差闪变误差Pst5% Plt5%Pst5% Plt5%波动误差波动误差0.2%0.2% 相角误差相角误差0.50.5功率误差功率误差0.5%0.5% 事件录波事件录波事件发生前事件发生前5 5个周波，事件发生后个周波，事件发生后5 5个周波个周波 显显 示示 屏屏320320240240中文宽温液晶屏中文宽温液晶屏 工作电源工作电源 AC 220VAC 220V20% 20% 频率频率 45Hz45Hz55Hz DC 55Hz DC 220V220V20%20% 功功 耗耗10VA10VA 环境温度环境温度-5-55555相对湿度相对湿度0 090% 90% 无冷凝无冷凝 外观尺寸外观尺寸252252182182290(290(宽宽高高深深) )重重 量量2.5Kg2.5Kg 电能质量监测仪技术参数 先进的电能质量分析软件 电能质量分析软件是一套以C+语言编写的专