电能质量讲座

电能质量

综合补偿技术KunmingUniversityofScienceandTechnology

前言电力作为商品摆脱传统的计划经济模式进入市场，以市场运作规则制约供用电双方，是我国电力市场建设与发展的必然。我国电力市场建设是一项长期复杂的系统工程，涉及电力系统规划、电力生产、电网运行和负荷管理等诸多方面。电能质量是评估电力系统运行水平的重要技术标准。优良的电能质量应由供电方、电器制造厂商和电力用户三方共同保证。

自20世纪90年代起，国际相关组织开始将电能质量以及电磁兼容构筑成一个技术体系加以研究。电能质量已经成为电力系统研究领域一个新的学科分枝。电能质量监测与管理已经成为电力市场管理中的一项系统工程。电能质量相关知识已成本专业学生的课堂学习内容。

电力负荷分类(1)普通负荷(CommonLoad)，对电能质量要求不太高,如照明设备、加热器、通风机、空调机、一般家用电器等。(2)敏感负荷(SensitiveLoad)，电能质量不好可能对此类负荷造成一定的损害,如电动机控制器、UPS、变频调速装置等。(3)严格负荷(CriticalLoad)，对此类负荷,必须确保供电严格符合要求,如信息技术的芯片生产、微电子元件的智能化流水线、医院、银行和证券交易中心的计算机等。电能质量的基本要求

优质的供、用电应具有以下特征：(1)供电电压具有稳定的标称频率、幅值和波形；(2)保持三相电压和电流的平衡，保证电网最大传输效率；(3)持续稳定和充足的电能供应；(4)低廉的电价；(5)对环境的不良影响较小。

电能质量的特征

(1)电力系统的电能质量始终处在动态变化之中；(2)电力系统是一个整体，各个局部的电能质量可能相互影响；(3)电能质量扰动会在系统中广泛传播，并对其他系统或设备产生实在或潜在危害；(4)在一般情况下，用户是保证电能质量的主体；(5)对电力系统电能质量综合评估非常困难；(6)电能质量管理和控制是一项系统工程。电能质量问题研究要点：(1)污染源特性研究对负序、无功、谐波、闪变等污染源的种类、形式、特性研究；(2)电力系统对污染源的响应特性研究在电能质量研究中，这是最为困难的环节；(3)对污染源的实时治理。

保证优质电能的目的

(1)现代用电设备对电能质量的要求更高，许多带有微处理器和功率电子器件的装置对电磁干扰极为敏感。(2)非线性设备的谐波污染，致使供电电压干扰水平加重,对系统安全运行带来直接的或潜在的危害。(3)电力用户提高了对诸如供电间断、电压凹陷、电路通断引起的暂态现象的认识，提出更高供电质量要求。(4)电网各部分是相互联系的，供电部门在保证向用户优质供电的同时，还需极力避免遭受用户产生的电力干扰，维护电网安全运行。

建立电能质量管理体系的目的近年来，在经济发达地区高端产业快速增长的同时，非线性负荷大幅增加。有关资料显示，发达国家50％以上的负荷通过电力电子装置供电，致使电网中的电能质量问题日益突出。据美国电力科学院JaneClemmensen的粗略估计，认为每年因电能质量相关问题，造成美国经济损失达260亿美元。发达国家电能质量问题主要是供电电压暂降，占供电质量投诉量的80%。据英国1995年就电能质量问题对容量超过1MW的100家电力用户所作调查显示，在过去的1年中，66％的用户因电能质量问题导致生产受损。据IBM公司的市场调查，48.5％的计算机数据丢失由电源电压质量不良引起。信息产业和以计算机、微处理器为核心部件的工业生产，对电网电能质量提出了更高的要求，所以产生了“信息电力”的概念，其要点为电力供应必须着眼于满足信息社会的要求，而不是仅限于满足传统工业社会的要求。因此，有必要建立电能质量监管体系，使其成为保证电网安全运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，同时也是实施电能质量管理、维护供用电双方合法权益的法律依据。自20世纪60年代起，世界大多数国家制定了有关供电频率和电压允许变动的技术指标，部分国家还制定了限制谐波电压、电流畸变以及电压波动等推荐导则。近十几年来，许多工业发达国家已制定了更加完备的电能质量系列标准，而且各国的电能质量标准正在与国际相关专业委员会推荐标准接轨，逐步实现标准的统一与完整。

第1节电能质量定义从普遍意义讲，电能质量和优质供用电相关。但迄今为止，人们对电能质量的技术含义尚未给出统一的定义，这是人们关注的问题不同以及看问题的角度不同所致，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，供电可靠率（RSI）达到99.99%，表明电力系统是安全可靠运行的;发达国家平均供电可靠率（RSI）达到99.999％；中国电力企业联合会于2003年7月12日宣布：我国平均供电可靠率（RSI）首次超过3个“9”，达到99.907%，这意味着我国城镇10kV用户年平均停电降至8小时10分钟，而10年前，这一数字为95小时45分钟。但高端制造业，如IC制造厂商，希望供电可靠率达到9个“9”，99.9999999％，即全年只允许2个工频周波（40ms）的故障时间。电力用户则把电能质量定义为是否向负荷正常供电；设备制造厂家则可能将电能质量定义为电源质量，要求电源特性完全满足电气设备的正常工作需要；另外一些事件，例如供电中断，究竟应当归属于输配电工程问题还是用户用电质量问题，供用电双方意见往往无法一致。

正因如此，人们谈到电能质量时,使用的技术名词也不规范，例如：电力系统质量（electricpowersystemsquality）供电质量（qualityofpowersupply）电压质量（voltagequality）在1968年发表的一篇关于美国海军电子设备电源规范研究的论文中,最先使用了“powerquality”（电能质量）这一术语。

IEEE标准化协调委员会已正式采用“powerquality”(电能质量)这一术语，并且给出了相应的技术定义。IEC没有采用“powerquality”(电能质量)，而是提出使用“EMC”(电磁兼容)术语，其强调设备之间、电源与设备之间的相互作用和影响。在IEC的电磁兼容概念中，采用以下两个术语：

排放(emission)－表示设备产生的电磁污染，反映的是负荷电流质量问题;

抗扰(immunity)－表示设备抵抗电磁污染的能力，它与供电电压质量相关。

IEC以此为基础,制定出了一系列相关的电磁兼容标准。电磁兼容术语与电能质量术语有很大重叠性，它们之间有许多同义词。国内外关于“电能质量”的几个定义定义1：IEEE标准化协调委员会给出的电能质量定义:合格电能质量概念指的是，给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均能适合于该设备正常工作。定义2：所谓电能质量是指电压质量、频率质量及供电可靠性的总称。定义3：电能质量定义为导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。

第2节电能质量问题分类1稳态电能质量问题

供电电压偏差；

公用电网谐波；

三相电压不平衡度；

电力系统频率偏差；

电压波动与闪变。2暂态电能质量问题

暂态过电压和瞬态过电压。电能质量的实际测量方法和输出结果

第3节我国已建立的电能质量标准GB12325-1990《供电电压允许偏差》；GB/T14549-1993《公用电网谐波》；GB/T15543-1995《三相电压允许不平衡度》；GB/T15945-1995《电力系统频率允许偏差》；GB12326-2000《电压波动与闪变》；GB/T18481-2001《暂态过电压和瞬态过电压》。

第4节GB/T159451995《中华人民共和国国家标准电能质量电力系统频率允许偏差》简介

电力系统频率偏差：系统频率的实际值与额定值之差。频率偏差允许值：电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz；当系统容量小于3000MW时，偏差值可以放宽到0.5Hz。冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过0.2Hz，根据冲击负荷性质、大小以及系统的条件也可适当调整限值，但应保证电网发电机组和用户的安全稳定运行。电网频率实测案例：图为实测结果，其偏差远小于0.2Hz，表明我国主网有功功率比较充足。

第5节GB12325—90《中华人民共和国国家标准电能质量供电电压允许偏差》简介

交流50Hz电力系统供电电压偏差定义为实测电压与额定电压之差，以额定电压的百分数表示。供电电压允许偏差：（1）35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；（2）10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%；（3）220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%。

说明：1电压偏差按以下公式计算2标准中“供电电压”指的是：供电部门与用户的产权分界处的电压；或由供用电协议所规定的电能计量点的电压。可以通过以下两条途径，来保证供电电压偏差满足国家标准要求：（1）电网中传输的无功功率尽可能小；（2）负荷端口的系统三相短路容量尽可能地大。

随着科技进步和新型电力设备尤其是电力电子设备制造技术的发展，使可调并联无功补偿装置的工程应用成为可能。如：晶闸管投切电容器组(TSC)、晶闸管控制电抗器(TCR)和真空接触器投切电容器组在各地变电所应用，取得了良好的无功补偿效果。需要强调的是，固定并联电容补偿方式有着结构简单、工程造价低、可靠性高、现场运行经验成熟及运行维护方便等诸多优点。在一定的运输条件下是能够较好地发挥其补偿效益的，对固定补偿方式采取简单否定的态度是不可取的。第6节负序电流和三相电压不平衡

引起发电机转子附加损耗、发热，负序磁场产生制动力矩、机械振动；增加电动机定子和转子的铜损，负序磁场产生制动力矩，正负序磁场产生的脉动转矩引起电动机振动；降低变压器负载能力，造成局部过热，缩短变压器寿命；造成继电保护和自动装置误动；造成输电线路损耗的增加。

三相电压不平衡度用电压负序分量与正序分量的均方根百分比表示。

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%。接于公共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%，根据连接点的负荷状况、邻近发电机继电保护和自动装置安全运行要求，可作适当变动。第7节GB/T14549-93《中华人民共和国国家标准电能质量公用电网谐波》简介

电压、电流波形畸变并不是一个新课题，在20世纪20年代，德国就已提出静态整流器引起的波形畸变问题。从20世纪50年代起，由于高压直流输电技术的发展，技术人员在晶闸管换流器谐波问题的研究方面作了大量工作。20世纪70年代后，各种功率换流器的普遍应用，引起了人们对电网谐波问题的关注，促进了谐波问题研究的发展。自那时起，各国以及相关专业委员会，如国际电工委员会（IEC），先后制定了包括配电系统、电力设备、用电设备包括家用电器在内的各类谐波标准。

谐波污染对电网及用户的主要影响造成电网功率损耗增加，线路和设备过热；引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电力设备损坏；造成电力变压器、电力电缆、电动机设备发热，电容器损坏、绝缘材料老化、延长断路器灭弧时间；造成继电保护和自动装置误动作；增大磁场干扰，影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量。降低电能计量的准确度。谐波污染引起的电力事故屡见不鲜，例如:1989年3月，加拿大魁北克系统因地磁感应电流过大导致系统主变饱和并产生大量谐波，造成SVC保护动作、系统电压失稳，最终使魁北克系统崩溃；

1991年意大利阿尔俾斯山区20kV电网，因谐波电流引起18％电压畸变而最终瘫痪；上世纪80年代初，由于石－太电气化铁路开通和葛洲坝－上海500kV直流输电工程的建设，我国展开大规模谐波问题的研究，至今已取得众多基础性成果。谐波国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》自1994年3月起开始实施。基于IEC61000-3-6技术文件的国家标准化指导性技术文件GB/Z17625.4-2000《电磁兼容限值中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》也于2000年12月颁布。谐波国家标准GB/T14549-93规定的公用电网谐波电压（相电压）标准如下表所示。某变电站A相电压总谐波畸变率A相电压总谐波畸变率

第8节GB12326-2000《中华人民共和国国家标准电能质量电压波动与闪变》简介

电压波动和闪变作为评价电能质量的一个重要指标，直接反映出电网电压质量。1986年，国际电工委员会(IEC)根据1982年国际电热协会(UIE)的推荐，制定了闪变仪的测试功能和设计规范。我国在2000年以前主要参照日本的△V10闪变标准进行测试和评价，以IEC标准为准，新的国标GB12326-2000《电能质量电压波动与闪变》已于2000年颁布。电压波动和闪变产生的主要原因冲击性负荷用电，如电弧炉、轧钢机、电焊机等；系统发生短路故障；设备投切，如备用电源自动投切、自动重合闸等；系统遭受雷击。电压波动和闪变的主要影响电压波动和闪变大多产生于配电系统，通过配电变压器传输到低压用户。电压波动和闪变主要干扰计算机和控制系统和各种电子仪器设备的正常工作。

电压波动是指电压调幅波中相邻两个极值（电压均方根）之差，以额定电压的百分数表示；电力系统公共连接点由冲击性负荷产生的电压波动允许值见表所示。

闪变是指人眼对灯闪的主观感觉，IEC标准规定低、中压电网短时（10min）闪变兼容值Pst=1，中、高压电网的闪变规划值分别为0.9和0.8。在GB12326-2000《中华人民共和国国家标准电能质量电压波动与闪变》中，值得注意的有2点：（1）该标准虽然论及电压波动（电压变动）和电压闪变，但其着眼点在于闪变，最终可具操作（指测量程序实现、测量值的统计和评估）的指标也是闪变。所以在工程实践中，都是以电压闪变测量来评估电压的波动。（2）电压闪变的测量方法（即数据采样方法）与其他稳态电能质量（如无功、负序、谐波等）的测量方法不同。第9节GB/T18481-2001《中华人民共和国国家标准电能质量暂态过电压和瞬态过电压》简介根据不同负荷对电压质量的敏感度,负荷分为三类:(1)普通负荷

(CommonLoad)：普通负荷对电能质量要求不太高。(2)敏感负荷

(SensitiveLoad)：如电机控制器、UPS、变频调速装置等。(3)严格负荷(CriticalLoad)如信息技术的芯片生产、微电子元件的智能化流水线、医院、银行和证券交易中心的计算机等。严格负荷通常对供电网电能质量提出很高要求，例如：浦东新区上海索广映像有限公司的等离子电视机显像管生产线，要求低于85％UN的电压不得持续10ms；英特尔中国有限公司的芯片封装厂对电源提出零停电要求，要求低于87％UN的电压不得持续12ms；华虹NEC芯片生产厂同样对电源提出零停电要求，并要求低于90％UN的电压不得持续10ms，该公司在建厂初期向有关电力公司索要完整电网背景电能质量测试资料。