(6)电磁干扰抑制-电能质量与谐波抑制

《电磁干扰防护与电磁兼容设计》

电能质量与干扰抑制电磁驱动与控制研究所

谐波

电压骤升骤降

瞬变三相不平衡电压闪变浪涌电流概述谐波谐波的定义谐波谐波是一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。间谐波和次谐波在一定的供电系统条件下，有些用电负荷会出现非整数倍的周期性电流的波动，根据该电流周期分解出的傅里叶级数，可能得出不是基波整数倍频率的分数谐波(fractional-harmonics)或称间谐波(inter-harmonics)。次谐波（sub-harmonics)是指频率低于工频基波频率的分量。谐波和暂态现象

在许多电能质量问题中常把暂态现象误认为是谐波畸变。暂态过程的实测波形是一个带有明显高频分量的畸变波形，虽然暂态过程中含有高频分量，但是暂态和谐波却是两个完全不同的现象，它们的分析方法也是不同的。电力系统仅在受到突然扰动之后，其暂态波形呈现出高频特性，但这些频率并不是谐波。短时间谐波对于短时间的冲击电流，例如，变压器空载合闸的励磁涌流，按周期函数分解，将包含短时间的谐波和间谐波电流，称为短时间的谐波电流或快速变化谐波电流，应与电力系统稳态和准稳态谐波区别开来。谐波谐波的定义短时间谐波对于短时间的冲击电流，例如，变压器空载合闸的励磁涌流，按周期函数分解，将包含短时间的谐波和间谐波电流，称为短时间的谐波电流或快速变化谐波电流，应与电力系统稳态和准稳态谐波区别开来。陷波

换流装置在换相时，会导致电压波形出现陷波或称换相缺口。这种畸变是电压瞬时值的突然变化，虽然也是周期性的，但不属于谐波范畴。谐波谐波的定义谐波谐波的限值为使电网谐波电压保持在允许值以下，必须限制谐波源注入电网的谐波电流量。大多数工业发达国家相继制定了电网谐波管理的标准或规定。谐波管理标准的制定是基于电磁相容性的原则，即在一个共同的电磁环境中，电气设备既能正常工作，又不得过量地干扰这个环境。我国已于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准《电能质量：公用电网谐波》，规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值。谐波谐波的产生变压器由于经济原因，变压器所使用的磁性材料通常在接近非线性或就在非线性区域运行。即使所加的电压是正弦的，变压器的励磁电流也是非正弦的，因而包含谐波。谐波谐波的产生整流装置V1V4V200谐波谐波的产生谐波谐波的产生谐波谐波的产生谐波谐波的产生电弧炉根据电弧炉的容量及冶炼要求，炼钢周期约为3~8h不等。炼钢前的0.5~2h为炉料的熔化时期，此阶段电弧极不稳定，因此电弧电流具有数值大而且不平衡、畸变和不规则波动的特点。特别是在熔化期的初期，畸变和波动更为严重。在后一阶段的精炼期，电弧电流比较稳定，波动大为减小，电流的数值相对较小且比较平衡，畸变也较小。根据对电弧炉实测电流的分析，电弧炉电流中主要含有2、3、4、5、7次谐波成分谐波谐波的产生非正弦量有效值和总谐波畸变率谐波谐波的产生非正弦量有效值和总谐波畸变率谐波谐波的产生非正弦量有效值和总谐波畸变率谐波谐波的影响和危害在电力危害方面：1）旋转电机等的（换流变压器过载）附加谐波损耗与发热，缩短使用寿命；2）谐波谐振过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏；3）电能计量错误。在信号干扰方面：1）对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降；2）重要的和敏感的自动控制、保护装置不正确动作；3）危害到功率处理器自身的正常运行。谐波谐波的影响和危害在电力危害方面：1）旋转电机等的（换流变压器过载）附加谐波损耗与发热，缩短使用寿命；2）谐波谐振过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏；3）电能计量错误。在信号干扰方面：1）对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降；2）重要的和敏感的自动控制、保护装置不正确动作；3）危害到功率处理器自身的正常运行。谐波谐波谐振与放大基本原理

不管是用户端用于功率因数校正的并联电容器还是配电系统中的并联电容器，它们都对系统的阻频特性影响很大。电容器并不产生谐波电流，但有时，电容器却可以引起严重的谐波电压畸变。感性电抗随频率成比例增加，而容性电抗则成比例减小所有含有电容和电感的电路都有一个或多个固有频率，在某一固有频率下，电路与系统间可能发生谐振。谐振频率所对应的电压和电流的幅值较大。谐波谐波谐振与放大谐波谐波谐振与放大谐波谐波谐振与放大2、三次谐波问题

通常认为，3及其倍数次谐波分量在变压器的三角形绕组中短路、环流，线路中没有这些分量。事实上变压器本身就是一个以3、5次谐波为主的谐波源。由于Y，d变压器的三相磁路并不完全对称，同时三相电源电压不仅在幅值上有差别，而且在相位上也不是准确地相差120度谐波谐波谐振与放大这样变压器三相铁芯饱和程度不同，各相产生的3次谐波大小及相位也不相同，所以在变压器三角形绕组侧的线电压、线电流中仍存在3次谐波分量（为3次正序和负序分量）。此外，电力机车、电弧炉以及低压家用电器等也是3次谐波发生源。因此，在我国电网中，3次谐波实际上是普遍存在的。谐波谐波谐振与放大3、变电所并联电容补偿在电容器装置中串接电抗率的电抗器后，可以对电网5次及以上谐波有抑制作用，但对5次以下谐波却有放大作用。忽视3次谐波的影响，电容器装置盲目串接电抗率的电抗器投入电网后，引起3次谐波的放大甚至发生谐振已成为不争的事实。谐波谐波谐振与放大例如，我国220kV及以上枢纽变电站中的河南汤阴变、湖南曲河变、湖南宝庆变、广西玉林变、张家口宣化变的电容装置投运后，曾先后发生由于3次谐波谐振引发的部分电容器和配套器件损毁，甚至全部电容器烧毁的事故；北京地区聂各庄变、吕村变、南苑变、王四营变、浙江绍兴的渡东变等等，均发生过因3次谐波谐振而被迫停运采取改造措施的情况。因此，电容器装置串联电抗率应根据电网谐波的实际情况进行合理选择，以避免可能发生的谐波放大等问题。谐波谐波谐振与放大电力谐波的抑制或减缓措施通常可分为预防性措施和补偿性措施。预防性措施包括：1)供电设备如电容器、变压器、发电机等在设计、制造、规划、配置等方面采取减少谐波的措施；2)通过增加整流器的脉动数或采用可控整流限制电力谐波的主要来源整流器的谐波。补偿性措施包括：1)滤波器的应用；2)改变馈线参数，采用馈电线重构或电容器改变安装位置等避免谐振。谐波减小谐波影响的技术措施1）增加换流装置的相数或脉动数；2）加装交流滤波装置；3）改变谐波源的配置或工作方式；4）加装静止无功补偿装置；5）增加系统承受谐波能力；6）避免电容器对谐波的放大；7）提高设备抗谐波干扰能力，改善谐波保护性能；8）采用有源滤波器等新型抑制谐波的措施。谐波如何发现、评估与诊断谐波问题三相不平衡三相不平衡三相不平衡电压波动瞬态：10ms以内的电压波动暂态：10ms到1分钟时间的电压波动稳态：1分钟以上的电压波动电压波动

电压变动限值d(%)变动频度r(h-1)LV、MVHVr≤1431＜r≤1032.510＜r≤10021.5100＜r≤10001.251电压波动—瞬态暂时过电压和瞬态过电压电压波动—瞬态电压瞬态变化：过电压现象及危害暂时过电压：工频过电压和谐振过电压。瞬态过电压：操作过电压和雷击过电压。*过电压类别：例：雷击过电压、空载线路合闸过电压、

系统工频过电压等。电压波动—瞬态雷击过电压空载线路合闸过电压110kV开关SF6断路器断路器：系统工频过电压冲击型瞬态变化振荡型瞬态变化瞬态：过电压破坏绝缘过电压现象：冲击瞬态、振荡瞬态过电压危害：绝缘破坏电压波动—瞬态瞬态过电压产生原因中国雷暴天气分布情况*广州每年平均83.1天有雷，上海32.1天，北京36.6天，哈尔滨31天。我国气象站中雷暴日数最多的地方在云南西双版纳和海南岛。全球年雷暴日数(频率)分布图中国年平均雷暴日分布图例：RLC电路合闸产生的过电压观测点A观测点B观测点A观测点B◆合闸时刻：电源过零点后2.5ms。过电压为1.7pu。◆合闸时刻：电源峰值附近。过电压为2.2pu。观测点A观测点B电压波动—瞬态电压瞬态变化：记录与分析高频振荡瞬变：*

主导频率为0.5～5MHz，持续时间约为5s，峰值可达4pu。中频振荡瞬变：*

主导频率为5～500kHz，持续时间约为20s，峰值可达8pu。电容器充电、电缆投切可产生主导频率为几十kHz的振荡瞬变。冲击瞬变也会引起中频振荡暂态。低频振荡瞬变：*

主导频率低于5kHz，持续时间为0.3～50ms，峰值可达4pu。低频振荡瞬变在输电系统和配电系统中经常遇到，很多事件都可能导致低频振荡瞬变的产生。电容器组的充电可能产生主导频率在300～900Hz之间，峰值约为2.0pu的低频振荡瞬变。*IEEE1159定义瞬变。**IEEE-InstituteofElectricalandElectronicsEngineers

国际电气与电子工程师协会F1760采样率(选件)：100kS/s–500kS/s、100kS/s–10MS/s最大的时间分辨力：100ns记录长度：65.536点/每次事件电容器组冲能：现场实测记录结果包络线触发原理电压波动—瞬态电压瞬态变化：监测与捕获捕获电压瞬态变化现象的原理：包络线触发

F1760：以纯正弦波为基础，按用户指定的容差限值设计波形包络线范围。如果实际波形超出设定的范围，仪器启动其捕获功能，并将捕获的波形与事件发生的时间等存储记录。

F1750瞬变记录的规格：测量类型：波形采样，并非峰值检测。测量范围：8000Vpk

采样分辨率：200ns，即采样频率为5MHz。

F1760瞬变记录的规格：采样率：100kHz至500kHz或10MHz，由用户选择设定。

(F1760的瞬变选购件：500kHz或10MHz)

测量范围：6000Vpk。

F43B瞬变记录功能：检测电压瞬变：＞40ns(F43B的示波器功能采样率达25MS/s)。可以捕获并储存40个电压瞬变事件的波形。

F430瞬变记录的规格：采样分辨率：5us，即采样频率为200kHz。测量范围：6000Vpk。例：包络线触发(F1760\1750)电压波形捕获的波形包络线限值例：F430捕获到的瞬态变化现象电压瞬变：包括冲击型瞬变现象、振荡瞬变现象。

瞬态：半个周波(10ms)内，瞬态变化现象。

测量方法：与标准正弦波比较。

(暂态：从10ms到1min，骤升、骤降与电压中断事件。测量方法：半周期有效期计算。)F43B瞬变检测原理：包络线触发F1750电压波动—瞬态电压瞬态变化过程：特征参数●无功补偿电容器投切图例：电压瞬时值降至0，然后出现500Hz～2kHz的振荡型瞬变过程。

示例：

130%的峰值电压可能导致变频器跳闸。ABCVpeak●脉冲型瞬态变化过程可由下述特性描述：A、上升时间。B、衰减时间。C、峰值。上升时间A：峰值的10%上升至峰值的90%的时间。衰减时间B：时间波形起始时可至50%峰值的时间。

示例：415V供电系统典型值：上升时间为us～ms，峰值不超过6kV。过电压定义：220kV以下，最高运行电压Um为额定电压乘1.15。

(330～500kV为1.1)。高于此值即为过电压。如220kV系统，相对地最高运行电压：相间最高运行电压：判据：峰值电压。相对地过电压：峰值电压超过相间过电压：峰值电压超过RPM1650电压波动—瞬态现代电能质量测量技术：电压事件电压骤降：最严重的电能质量事件约有80%以上的电能质量事故是由电压骤降造成的★电压骤降：原因、危害与解决措施★电压骤降：监测、统计与评估方法电压骤降现象：由幅值与持续时间描述电压骤降、骤升与电压中断电压波动—瞬态电压骤降：背景知识电压骤降，为什么成为近年最受关注的电能质量问题？目前微处理器控制设备和电力电子设备在工业中广泛使用，这些设备对电压骤降特别敏感，电压骤降往往会导致其损坏或误动作。如：变频调速、可编程逻辑控制器、各种自动化生产线、计算机系统等。在欧洲和美国，电力部门和用户对电压骤降的关注程度比对其他电能质量问题的关注程度要强得多。主要原因是，由电压骤降引起的用户投诉占整个电能质量问题投诉数量的80%以上，而由谐波等引起的电能质量问题投诉数量所占不到20%。

IBM公司统计表明，48.5%的计算机数据丢失是由电压不合格造成的。例：由雷击造成的短路故障电压骤降，是一种新的电能质量现象吗？

不是。电压骤降是配电系统中最常见的一种电压扰动。当电力系统发生短路故障、大容量电动机启动、雷击、开关操作、变压器或电容器组投切时，都可能引起电压骤降。电压骤降并不是一个新的电能质量问题。由于过去的绝大多数用电设备对电压的短时突然变化不敏感，电压骤降问题没有引起人们的关注。电压波动—瞬态电压骤降：背景知识电压骤降，对敏感用电设备有什么影响？例：计算机系统紊乱(幅值下降大于10%，持续时间大于0.1s)。变频调速设备跳闸(幅值下降大于15%，持续时间10ms)。现有电能质量国家标准中，有类似于谐波等面对电网运行管理的电压骤降标准吗？目前还没有此国标。我国的电磁兼容标准GB/T17626.11-1999《电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验》等同于IEC61000-4-11:1994，该标准是针对用电设备的抗扰度要求而制定的。 上海、浙江等地区电网提出的电能质量监测技术规范(报批文件)，已明确要求监测统计电压骤降等。F430等完全符合IEC61000-4-30的A级仪器，监测电压骤降，有什么特点与优势？

传统的测量仪器将电压骤降也处理为谐波、闪变及电压幅值不合格事件，重复计算。有学者提出小波变换法检测电压骤降并分析谐波。

IEC61000-4-30：采用半周期(10ms)刷新RMS值法(20ms)检测电压骤降，记录其发生时刻、持续时间及幅度，并作出电压事件标记。DVR装置：解决电压骤降措施示例图DVR敏感负载短路故障某航天基地，2004.7.12，20:56:32，电压短时中断事件。*电压波动—瞬态电压骤降的原因和危害电压骤降产生的原因无论供电系统的可靠性如何提高，输配电网络以及特殊负荷等仍会造成无法避免的电压骤降。例如：各种短路故障、大型电机的启动。雷击致使保护动作、倒闸开关操作。变压器及电容器的投切、轧钢机等冲击性负荷的投切。电压骤降的危害电压骤降原因的统计比例设备名称

影响与危害

制冷控制器电压低于80%时，控制器切除制冷电机，导致巨大损失。

芯片制造业电压低于85%时，芯片被毁，测试停止工作，内部电子电路主板故障。

PLC

当电压低于90%持续几个周波，I/O设备切除，低于81%时PLC停止工作。

精密制造电脑或机器人控制操作的精密加工过程，当电压低于90%持续2-3个周波时，其工作过程中断

直流电机当电压低于80%时，电机保护跳闸。

调速电机(VSD)当电压低于70%持续时间超过6个周波时，VSD被切除；当电压低于90%持续时间超过三个周波时，一些精密加工业的电机会跳闸退出运行。

直流接触器电压低于50%持续时间超过一个周波时，接触器就会脱扣，有时电压低于70%接触器就会脱扣。

计算机

电压低于50%持续10个周波时，计算机工作受到影响，数据丢失。电压骤降：某航天基地变电站，10kV母线*A相电压波形2004年9月23日11:54:56秒骤降深度约为32.63%，骤降持续时间约300ms。电压波动—瞬态电压骤降现象电网短路故障：电压骤降与短时电压中断。

故障点附近，电压可能降到很低的水平。故障点较远区域，表现为不同程度的电压骤降。高压输电线短路故障：骤降影响用户设备短路故障：骤降影响示例图：三相自动重合闸装置故障发生第1次重合闸第2次重合闸●80%以上的架空线事故为暂时性故障●故障过程的电流波形●典型的自动重合闸装置动作情况电压波动—瞬态电压骤降实例企业背景：安飞电子玻璃有限公司是河南安彩集团与荷兰飞利浦公司在郑州经济技术开发区的合资公司。主要生产彩色显像管玻壳，月产值8500万。生产线上的任务考核等以分钟计。电能质量要求：该公司全部生产线自动化程度很高，采用了大量的PLC控制器，电压骤降对其影响很大。电压骤降的危害与影响：电压骤降发生时，导致PLC控制程序紊乱。不仅当时在生产线的大量产品出现质量问题而报废，还会损坏模具等。重新启动整条生产线至少需半个小时。电压骤降的经济损失：

因电压骤降，每次事故造成的损失少则十到二十万元多则近百万元。电压骤降事件实录：

2006年4月29日与4月30日，电源系统连续出现两次电压骤降。

*清华大学电机系文献资料，2006年例：清华大学研制的DVR对电压骤降的抑制效果故障相发生时刻持续时间最小有效值降幅BC2006-04-2908:20:42:635100ms141V40%故障相发生时刻持续时间最小有效值降幅BC2006-04-3013:38:03:23660ms191V20%企业背景：安飞电子玻璃有限公司是河南安彩集团与荷兰飞利浦公司在郑州经济技术开发区的合资公司。主要生产彩色显像管玻壳，月产值8500万。生产线上的任务考核等以分钟计。电能质量要求：该公司全部生产线自动化程度很高，采用了大量的PLC控制器，电压骤降对其影响很大。电压骤降的危害与影响：电压骤降发生时，导致PLC控制程序紊乱。不仅当时在生产线的大量产品出现质量问题而报废，还会损坏模具等。重新启动整条生产线至少需半个小时。电压骤降的经济损失：

因电压骤降，每次事故造成的损失少则十到二十万元多则近百万元。电压骤降事件实录：

2006年4月29日与4月30日，电源系统连续出现两次电压骤降。

*清华大学电机系文献资料，2006年例：清华大学研制的DVR对电压骤降的抑制效果功率因数、最大需量与电费供电局对工业用户的电费计算方法：

1、基本电费：由最大需量决定(Peakdemand)2、电度电费：由实际用电量计算(kWh)3、功率因数调整电费：按平均功率因数增加或减少(PF)负载曲线，最大需量负载工况F43B、F434：真功率因数，PF基波功率因数，DPF最大需量记录功能最大需量：连续测量的15分钟或30分钟kW读数的最大值★真功率因数低，基波功率因数低。两者基本一致。感性负载。电容器无功补偿，提高功率因数。★真功率因数低，基波功率因数高。因谐波引起，治理谐波提高功率因数。负载工况例：物价局《功率因数调整电费方法》：对于0.9标准的用户，如实际功率因数为0.65，则月电费增加15%。如实际功率因数为0.95以上，月电费减少0.75%。视在功率：S=UI，电气设备的功率设计极限值，或设备的最大可利用容量。由额定电流（与导线截面积和铜损发热相关）及额定电压（与电气绝缘相关）决