品质管理品质知识电能质量概述与节能案例分析

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电能质量概论

电能既是一种经济实用、清洁方便且容易

传输、控制和转换的能源形式，又是一种由电

力部门向电力用户提供，并由供、用双方配合

保证质量的特殊产品。

电能质量基本要求

为保证电能安全经济地输送、分配和使用，理想供电

系统的运行应具有如下基本特性：

(1)以单一恒定的电网标称频(50Hz或60Hz,我国采

用50Hz)、规定的若干电压等级(如配电系统一般为

110kV,35kV,10kV,380V/220V)和以正弦函数波形变

化的交流电向用户供电,并且这些运行参数不受用电

负荷特性的影响。

(2)始终保持三相交流电压和负荷电流的平衡。用电

设备汲取电能应当保证最大传输效率，即达到单位功

率因数，同时各用电负荷之间互不干扰。

(3)电能的提供充足，即向电力用户的供电不中断,

始终保证电气设备的正常工作与运转，并且每时每刻

系统中的功率供需都是平衡的。

电能质量三要素

上述理想

供电系统的基

本特性组成了

供电运行对电

图1-1供电系统电

能质量的基本能质量的基本要求

要求，如果将

其概括描述可

电能质量三要素

如图1T所示。

电能质量特征

1、电力系统的电能质量始终处在动态变化中。

2、电力系统是一个整体，其电能质量状况相互影响。电能不易储存,

其生产、输送、分配和转换直至消耗几乎是同时进行的。

3、电能质量扰动具有潜在危害性与广泛传播性。

4、有些情况下用户是保证电能质量的主体部分。

5、对电力系统的电能质量指标进行综合评估非常困难。

6、控制和管理电力系统电能质量是一项系统工程。

电力系统对电能质量的要求

1）电力系统扩张与联网逐渐形成，系统运行的安全稳定性和可靠性

要求不断提高。

2）在保证电力系统一定的自然垄断特性的条件下，强化环境保护意

识与提高信息管理水平已经势在必行。

3）电力系统与计算机技术和通信技术的结合更加紧密，采用高新技

术（如TCSC、FACTS、HVDC、Cus-Pow）以提高电力传输能力和实

现配电自动化的趋势方兴未艾。

4）电力用户为满足其对产品的个性化、多样性生产的需求，从最大

经济利益出发,在大功率冲击性、非线性负荷容量迅速增长的同

时，更大规模地采用科技含量高的器件、设备与技术。

负荷类型

第一种负荷分为三类：普通负荷、敏感负荷和重要（要

求严格的）负荷。

第二种负荷可分为：感性负荷、纯阻性负荷、容性负荷

和磁性负荷。

电能质量起因

其他因素3%^60%其他因素0%自然因素66%

和邻用户8%^〜相邻用户8%^^^

用户12%了

电力部门17%电力部门1%

(a)伟)

图L2关于电能质量的电力市场调查结果

(a)对用户的调变结果；(b)对电力部门的调麦结果

电能质量定义

从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。

电力部门可能把电能质量定义为电压、频率的合格率

以及连续供电的年小时数，并且用统计数字来说明电

力系统是安全可靠运行的。

电力用户则可能把电能质量简单定义为是否向设备提

供了合格电力。

电能质量类型

电流质量：电流质量与电压质量密切相关。电流质量包括电流谐

波、间谐波或次谐波、电流相位超前或滞后、噪声等。

供电质量：它包括技术含义（电压质量和供电可靠性）和非技

术含义（供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的透

明度等）。

用电质量：它包括电流质量和非技术含义等,如用户是否按时，

如数缴纳电费等。

电压质量：给出实际电压与理想电压间的偏差，以反映供电部门向

用户分配的电力是否合格。电压质量通常包括电压偏差、电压频

率偏差、电压不平衡、电压瞬变现象、电压波动与闪变、电压暂

降（暂升）与中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。

电能质量表现形式

■瞬变现象

■短时间电压变动

■长时间电压变动

・电压不平衡

・波形畸变

■电压波动

-工频变化

-、瞬变现象

关于瞬变现象,IEEEStdl00-1992《电气与

电子标准术语词典》有一个含义更宽、描述更

简单的定义：变量的部分变化,且从一种稳态

状态过渡到另一种稳定状态的过程中该变化逐

渐消失的现象。

瞬变现象两种普遍类型一一冲击和振荡

1、冲击性瞬变现冲击性瞬变是

一种在稳态条

件下，电压、电

流非工频的、单

极性的突然变

化现象。

最常见引发其

瞬变现象两种普遍类型一一冲击和振荡

的原因

2.振荡瞬变现象

振荡瞬变是一种在稳态条件下，电压、电流

的非工频、有正负极性的突然变化现象。常用

频谱成分、持续时间、和幅值大小来描述其特

性。其频谱分为高、中、低频，如表「2所示。

・高频振荡现象

■中频振荡现象

・低频振荡现象

二、短时间电压变动

包括电压暂降和短时间电压中断现象。

造成电压变动的主要原因是系统故障、大容

量负荷启动或电网松散连接的间歇性负荷运作。

根据所在系统条件和故障位置的不同，可能引起

暂时过电压或电压跌落，甚至使电压完全损失。

三、长时间电压变动

长时间电压变动是指,在工频条件下电压均方根值偏离

额定值，并且持续时间超过lmin的电压变动现象。长时

间电压变动可能时过电压也可能欠电压。

过电压

欠电压

持续中断

Ui、电压不平衡

电压不平衡，时常定义为与三相电压（或电流）的平

均值的最大偏差,并且用该偏差与平均值的百分比表示。

电压不平衡也可利用对称分量法来定义，即用幅负序或零

序分量与正序分量的百分比加以衡量。图1—13给出了

采用上述两种比值表示的某一民用溃电网一周内电压不

平衡趋势。

五、波形畸变

波形畸变,是指电压或电流波形偏离稳态工频正弦波形的

现象，可以用偏移频谱描述其特征。波形畸变有五种主要

类型，即直流偏置、谐波、间谐波、陷波、噪声。

谐波畸变水平的描述方法,通常用具有各次谐波分量幅值

和和相位角的频谱表示。图1—14给出了典型变速驱动输

入电流波形和频谱图。

六、电压波动

电压波动是指电压包络线有规则的变化或一系列随机

电压变动。通常，其幅值并未超过ANSIC84.1—

1995《电力系统与设备电压等级》规定的0.9—

l.lp.u.范围。IEC1000—3—3—1994《低压供电系统

电压波形和闪变限值（额定电流＜16A的设备）》则

定义了多种类型的电压波动。

-t、工频变化

,把电力系统基波频率偏离规定正常值的现象定义未频

率变化。工频频率的值与向系统提供电能的发电机的

转子速度直接相关。

/大规模互联电力系统极少出现频率大的波动。

/有时人们会把陷波和频率偏差弄错。

电能质量的数学分析方法

电能质量主要的分析方法可以分为时域、频域和基于

数学变换的分析方法三种。

-时域仿真方法在电能质量分析中应用最为广泛。

■频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题。

-基于数学变换的方法主要指傅立叶变换方法、短时傅

立叶变换方法、矢量变换方法以及小波变换方法和人

工神经网络分析方法。

供电电压偏差

电压是电能质量的重要指标之一，其中电压偏

差是衡量供电系统正常运行与否的一项主要指

标。

电压偏差定义

供电系统在正常运行方式下,某一节点的实际电压与

系统标称电压（通常，电力系统的额定电压采用标称电

压去描述，对电气设备则采用额定电压的术语）之差对

系统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差。

供电电压正常运行方式

供电电压正常运行方式是指系统中所有电气元件均

按预定工况运行。供电系统在正常运行时，负荷时

刻发生着变化,系统的运行方式也经常改变,系统中

各节点的电压随之发生改变，会偏离系统电压额定

值。电压的这种变化是缓慢的，其每秒电压变化率

小于额定电压的1%。

电压偏差的限值

■35kV及以上供电电压的正、负偏差的绝对值之和不超

过标称电压的10%。如供电电压上下偏差同号时(均为

正或负)，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。

■(2)10kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的

±7%o

■(3)220V单相供电电压允许偏差为标称电压的+7%、-

10%o

电压偏差产Th的原因

-电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时发生变化，

网络结构随着运行方式的改变而改变,系统故障等因素

都将引起电力系统功率的不平衡。系统无功功率不平

衡是引起系统电压偏离标称值的根本原因。

电力系统的无功功率平衡

在系统运行中的任何时刻，无功电源给予的无功功率

与系统需求的无功功率相等。系统无功功率不平衡意

味着将有大量的无功功率流经供电线路和变压器，由

于线路和变压器中存在阻抗,造成线路和变压器首末

端电压出现差值。以供电线路为例来说明无功功率与

电压损失的关系。

线路的输送距离和输送容量

aM线路的输送距离和输送容・

触定电上(IcV)传勒力K崎送春橐(kW)输送距离(lua)

电空跳<500.15

0,22

电敏<!000.2

架空城1UU0.25

电般175035

3架空蝎100-10003-1

碎战200010-3

6

山观线3(»0<8

帆线MJU15-5

10

电就线5000<10

35架空线20U0-1000U加-20

66理空线3500-mi100-W

110架空线10000-50000150-50

220架空线10000(1-5000002UU-3UD

电压偏差过大的危害

1、对用电设备的危害

所有用户的用电设备都是按

照设备的额定电压进行设计和

制造的。当电压偏离额定电压

较大时，用电设备的运行性能

恶化,不仅运行效率低,很可能

会由于过电压或过电流而损

2、对电网的危害

输电线路的输送功率受功率稳定极限的限制，而线

路的静态稳定功率极限近似与线牌号『方成正比。

系统运行电压偏低产导致电

压崩溃Jz-----------

缺乏无功电源时给生产生

频率稳定和电压稳定毁坯|±活到来损,

失

系统运行电压过高也会威胁系统

的安全运行

电能质量治理两种技术途径

无功补偿

谐波治理

无功补偿（按电压分类）

高压补偿,6kV以上；

低压低压补偿,0.4kV以下；

对于铁合金行业来说，还存在中压补偿（10kV）的概念。

无功补偿（按补偿接入点）

■集中补偿（解决力调电费的办法）

■分散补偿（小系统的无功优化）

■就地补偿（无功就地平衡途径）

无功补偿（按补偿装置的特性）

静态无功补偿装置（如FC,接触器投切）

动态无功补偿装置（SVC,SVG）

TSC：晶闸管投切电容器组；

TCR：晶闸管投切电容器电抗器组；

SVG：静止无功发生器；

谐波分类

谐波分为：低次、高次；

谐波分为：奇次、偶次；

谐波分为：谐波电压、谐波电流;

如采用双向晶闸管（可控硅）锻造加热炉，就产生偶次

谐波，不常见。）

谐波治理

无源滤波装置（针对产生谐波的次数进行滤波，采用

的是LC结构，治理率60%,主要用于高压谐波治理）

有源滤波装置（检测电网存在的谐波次数及波形，发

射一种与之相反的波形，进行相互抵消，治理率90%

以上,主要用于低压系统。）

电能质量综合治理

■APF（电力有源滤波器）

■电能质量综合治理是指低压系统，既有不规则

谐波的发生,有存在大量无功需求,治理时需要

双重考虑,就需要采用APF。

谐波与无功补偿的关系

■电容是谐波的放大源之一。

无功补偿与谐波治理的目的

■提高功率因数，减少系统无功损耗;

-提升电能质量，提高用电安全；

■节约电量，节约电力建设；

-主要是强调节约电量与节约电力建设

节约电力建设的体现

■功率因数可理解为电能的使用效率；

.提高功率因数，减少无功损耗，就是增加了供电设备、线

路的余量,间接给了设备与线路进行了增容。

节约电量

■力调电费的问题

■降低无功损耗（各种损耗的降低）

■降低有功损耗

■无功经济当量

降低有功损耗

功率因数提高到0.95对降低有功功率损耗的影响见下表

功率因数提高值0.60.650.70.750.80.850.90

有功损耗降（%）60534638292010

功率因数从0.95降低到下表值功率损耗增加的百分数之间的关系见下表

功率因数下降值0.950.90.850.80.750.70.65

有功损耗增加（%）1123385678104136

无功经济当量

发电厂直配线供电时0.03

二级变压供电时0.06

三级变压供电时0.09

例如：由发电厂直配线供电的工厂企业在进行技术经济比较时，无

功补偿减少lOOkvar无功功率，可折算成减少有功功率3kW;若是二

级变压供电的工厂，可以折算成6kW有功损失；三级变压供电时,

折算成9kW有功损失。

案例一海南州某矿业公司

供配电系统示意图

存在的主要问题

1、现场调查阶段，10kV母线电压只有9.2kV,低压侧在365V,电压

值明显偏低；

2、二期高压电机启动,会造成由变频控制的电机由于系统欠压跳

机；

3、二期只能一条生产运行，两条生产线同时运行时，10kV母线电压

只有7kV,严重偏低,导致不能正常生产。

总体分析：系统无功损耗过大,需要进行系统性动态无功补偿配

置,减少线路压降,提高供电质量,节省电费支出。

导致原因

・1、贵单位采用的无功补偿为普通型,不是高海拔型，设备运行的稳定与

电气参数会产生一定的影响；

-2、一期的系统无功基本上通过0.4kV的集中补偿得到了解决，但考虑到

系统电能质量的稳定与提升,还是需要从负荷端进行处理,减少低压系统

的无功,整体的提升供电质量；

・3、二期的问题主要体现在以下三点：

■1）两台475kW的高压球磨机没有补偿，通过现场运行数据的计算，该负

荷的功率因数在0.70,无功太失；

>2）1600kVA变压器的电容补偿配置偏小，只有480kvar,对于1200kW

的负荷来说,补偿量设计明显偏小,需要系统性增加一部分；

・3）需要从负荷端进行处理,减少低压系统的无功，整体的提升供电质

量。

解决方案

■对两台475kW的高压电机及10kV电网进行无功补偿；

■对全厂＞37kW及其以上的电机进行就地补偿,使得无功就地平衡,

不发生到电网上（变频控制除外）；

■对二期1600kVA变压器增加一组320kvar高海拨低压动态电容补偿

装置。

经济效益分析（55kW水泵就地补偿为例）

一台55kW循环水泵,年运行时间8000小时,现场测得数据如下：有功

P=48.7kW,电压U=372V,电流I=100.78A,功率因数0.乃,将功率因数补

偿到0.95,求补偿容量？年节约电量？

=

■补偿容量Qc=axPx（tg（D1-tg（t>2）26kvar

・a—负荷系数；tgQ—补偿前功率因数角正切；tg0）2一补偿后功率因数角正切值。

选择电容配置（10+20）kvar的智能型就地无功优化装置

节约电量计算：

根据无功经济当量系数表K值取0.09,55kW电机每小时减少的无功损耗为26kvar

补偿系数为0.85,年节约的电量为：

26kvar*0.09*0.85*8000=15912kWh

案例二某钾肥厂

llOkV专线,线路距离150公里以上；

一边生产,一边建设，由于线路过长,受自然灾害影响,会出现负荷

波动，以反低负荷运行的状态；

llOkV变电站采用三绕组变压器，llOkV进线，出线35kV/10kV

,35kV/10kV都有负荷，无功补偿在10kV侧；

无功配置为2M电抗,6M电容（分三组），手动投切。

0.4kV侧的无功补偿基本配置到位，但由于质量原因均没有正常

使用。

存在的主要问题

■存在力调电费问题；

・0.4低压侧功率因数低于0.60；

■在lOkV侧增设一台4M的SVG（动态无功补偿）或MCR（磁控电抗器）

,将原先FC运行纳入SVG控制范畴；

将0.4kV低压侧的无功补偿重新、合理配置,正常投入运行使用。

案例三某矿业公司

供配电系统为110kV/6kV,动力负荷占90%以上；

由于公司建设得比较早,所以供用电设备老旧，部分设备进入了国

家强制性淘汰目录；

公司整体的配电网络来看,哪里需要用电就从哪里接,缺少足够的

规划，导致变压器的配置不合理；

0.4kV侧变压器无功补偿配置不至IJ位;

由于公司没有二级或三级计量,所有没有办法对整个供配电系统

的线路及变压器的损耗进行统计分析；

解决方案

■对需要淘汰的设备进行合理性淘汰；

■对0.4kV侧变压器的负荷进行统计与分析,加装无功补偿装置,减少

低压侧无功损耗；

■对0.4kV侧变压器及6kV主要设备按照计量装置。

备注：通过二级或三级计量的数据统计，分析出整个系统的线路

损耗和变压器损耗，然后根据分析的结果，制定出合理的改造方

案。

节能概念

节约能源简称“节能”。所谓“节能”，是指加强用

能管理,采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会

可以承受的措施,减少从能源生产到消费各个环节中

的损失和浪费，更加有效、合理地利用能源。目的是

提高能源的使用效率,用更少的能源投入提供同等的

能源服务。

节能三种表现形式

结构节能

管理节能

技术节能

技术节能主要表现形式

余热回收

更换低效设备

控制技术

大量的技术节能，是否忽视了管理节能的重要性！通

过数据挖掘能有效的发现管理及设施运行中的节能空

管理节能的核心

■数据统计与分析

备注：数据本身不产生价值，数据只有通过分析才能产生价值

管理节能主要工具

能源管理系统

能源管理系统是