传统电能质量分析与改善措施

传统电能质量分析与改善措施

20世纪70年代以前，电力系统中使用电子计算机进行控制的设备和电子装置的数量不多，非线性负荷和冲击性负荷占系统总负荷的比例很小，电力工作者关心的电能质量问题主要局限在电压、频率和连续供电方面。因此，电压偏差、频率偏差、电压三相不平衡和供电可靠性构成了传统电能质量的主要内容。第一节概述电力系统中的电气设备是按额定电压和额定频率设计、制造的。在额定电压和额定频率下运行时，电气设备的运行性能最优、效率最高。

反之，电气设备的运行性能会减弱，效率下降，严重时可能使设备无法正常工作，甚至导致设备绝缘损坏、烧毁或爆炸等，从而间接或直接危害设备、人身及系统的安全。

由此可见，系统电压质量、频率质量以及供电可靠性的好坏对电气设备的安全运行与使用寿命有着重要的影响，同时也直接关系到电力系统自身的安全稳定和经济运行。保证系统频率和各点电压偏差在允许的范围之内，保证电压三相平衡以及提高系统的供电可靠性是电力系统运行调整的基本任务。

本章主要介绍了电压偏差、频率偏差、电压三相不平衡和供电可靠性的概念、产生的原因、相关的国家标准以及改善这些电能质量指标的常规方法。概念原因标准方法电压偏差频率偏差电压三相不平衡供电可靠性第二节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。一、电压偏差的定义

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之差对系统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差。其数学表达式为：——电压偏差；——实际电压，kV；——系统标称电压，kV。

(3-1)视频六视频五视频四视频三视频二视频一请观察电压的波动范围请观察电压的波动范围，思考模拟表盘与数字表盘在观察电压变动时的区别电压偏差与电压波动的关系电压波动电压偏差对电压波动的持续时间无要求系统正常运行方式下的电压变动

我国的国家标准GB12325—1990《电能质量供电电压允许偏差》对电压偏差做出了详尽规定。二、电压偏差的标准(1)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%、+7%。(3)220V单相供电电压允许偏差为标称电压的+7%、-10%。三、电压偏差产生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。

在系统运行中的任何时刻，无功电源供给的无功功率与系统需求的无功功率相等。什么是无功功率不平衡？什么是无功功率平衡？电源供给的无功=系统需求的无功可能会用到的公式：我们自己推导一下无功功率与电压偏差的关系。已知一条供电线路的等值电路如图所示。且证明：设，负载的复功率为

(3-2)所以(3-3)线路首末端电压的相量差，即线路的电压降为(3-4)将公式(3-3)代入式(3-4)，得

(3-5)

记为(3-6)其中，和分别是电压降的纵分量和横分量。其表达式分别为

(3-7)

(3-8)规定电压损失为线路首末端电压的均方根值之差，即电压损失为

(3-9)

一般，线路两端电压的相差角较小，电压降横分量对电压损失的影响可以忽略不计，把电压降纵分量近似看作电压损失，即

（3-10）

在110kV及以上电压等级的输电线路中，电感值远大于电阻值。由式（3-10）可知无功功率Q对电压损失的影响远大于有功功率P对电压损失的影响。无功功率不平衡越严重，电压偏差越大。母线2的无功功率充足，需要向系统输出无功；电压偏差为负；母线2的无功功率不足，需要从系统吸收无功；电压偏差为正。Q>0Q<0四、电压偏差过大的危害1.缩短用电设备的使用寿命不仅会影响我们日常生活中的家用电器，还会殃及工业生产中的各类大型设备。视频六视频五视频四视频三视频二视频一小区电压持续升高，烧坏电器若干这样的小区你敢住吗？小区电压一直不高，电器不能工作这样的小区你敢住吗。。。四、电压偏差过大的危害2.威胁电力系统的安全和稳定

系统运行电压偏低时缺乏无功电源时频率稳定和电压稳定破坏时系统运行电压过高

造成系统解列导致电压崩溃威胁系统中设备的绝缘和铁心给生产生活带来损失五、改善电压偏差的措施保证电力系统各节点电压正常水平的充分必要条件是系统具备充足的无功功率电源，同时采取必要的调压手段。

现以图3-2为例，说明各种调压措施所依据的基本原理。为简化起见，忽略系统各元件的对地电容，网络阻抗已归算至高压侧负荷接入点电压可表示为

(3-11)

式中——归算至高压侧网络的电压损失kV；

——高压侧网络标称电压，kV。

公式（3-11）表明:改变以下各量即可调整负荷接入节点的电压UL。

（1）改变系统无功功率的分布；（2）改变发电机端电压US；（3）改变变压器变比k1，k2。（4）改变输电网络的参数X。下面从电力系统无功功率电源和调压手段两方面对电压偏差的改善措施作详细的介绍。（一）配置充足的无功功率电源电力系统中的无功功率损耗很大一部分是线路和变压器中的无功功率损耗。由于高压线路和变压器的等值电抗远大于等值电阻，变压器的无功损耗也比有功损耗大得多，从而导致整个系统的无功损耗远大于有功损耗。系统运行时仅靠发电机提供的无功功率远远不能满足系统对无功功率的需要，因此必须装设大量的无功补偿设备。

电力系统的无功功率电源有同步发电机，同步调相机，电容器，电抗器和静止无功补偿装置（SVC）等。1、同步发电机发电机是电力系统中唯一的有功功率电源，同时也是最基本的无功功率电源。发电机调节无功功率的速度快且不需要额外投资，所以充分利用发电机改善系统无功功率的平衡是一种十分经济实用的调节手段，其缺点是调节能力不大。2、同步调相机同步调相机实质上是不带机械负载的同步电动机。改变同步调相机的励磁，可以使同步调相机工作在过励磁或欠励磁状态，从而发出或吸收无功功率。它是最早采用的无功调节设备之一。

同步调相机的优点：有电压支撑的作用、可迅速提高无功功率、可吸收多余的无功功率。

缺点：本身设备的有功功率损耗大、维护复杂、投资大。所以它不是主要的无功功率调节设备。

3、电容器作为无功功率补偿用的电容器以并联的方式接入系统，其接线方式如图3-3所示。

电容器具有有功功率损耗小、设计简单、容量组合灵活、安全可靠、运行维护方便、投资省等优点。所以长期以来电容器一直是电力系统优先采用的无功功率补偿设备。但当系统电压下降时，会导致电压进一步降低；当系统电压偏高时，系统电压进一步升高。这种正反馈的电压调节特性不利于系统电压的稳定，这是电容器调压的缺点。

电容器只能输出无功功率。其产生无功功率的大小可表示成(3-12）

此外，这种调压是不连续的。常规电容器采用分组投切的形式，每投入或切除一组电容器，可分别使系统电压跳变式升高或降低。因此，应综合考虑系统容量、电压等级、负荷大小等因素，合理地选择电容器的分组数及每组容量。4、电抗器线路的分布电容所产生的无功功率，与电压的平方成正比，同时与线路的长度成正比。因此，长距离、高电压等级的线路产生的充电功率不容忽视。

图中电容代表线路的分布电容，每个电容的电纳为整个线路等效电纳B的一半。每个电容产生的充电功率为线路总充电功率的一半。当线路轻载或空载运行时，线路电抗X中的无功损耗很小，其数值可能等于或小于线路的充电功率。这种情况下线路总的无功为零，甚至变负。

高压线路在轻载时，将会存在大量过剩的充电功率，从而使电压升高。从表3-2可见，高压线路轻载时电压升高现象十分严重，其升高幅度已经大大超出了国家的有关规定。这对系统的安全运行和用户的正常生产构成了极大的威胁。5、静止无功补偿装置和静止无功发生装置基于电力电子半控器件无功补偿装置（SVC）和基于电力电子全控器件的静止无功发生装置（SVG）具有动态无功功率补偿特性。

与同步调相机一样，它们既可以向系统输出无功功率，也可吸收系统的无功功率。其动态特性好，调压速度快，调压平滑，而且可实现分相无功补偿，有功功率损耗也比较小。由于他们由静止开关元件构成，所以运行维护方便、可靠性较高。但这类设备价格普遍较高，运行经验较欠缺。（二）系统调压手段电力系统是个庞大的系统，其中的负荷难以计数，无法对其中每个节点的电压进行监视和调整。通常的做法是选择一些关键性的母线作为电压监视点。如果将这些母线的电压偏差控制在允许范围内，系统中的其他节点的电压及负荷电压就能基本满足要求。这些电压监视点称为电压中枢点。一般选择系统内装机容量较大的发电厂高压母线，容量较大的变电所低压母线，以及有大量地方负荷的发电机母线作为电压中枢点。

1、电压偏差的调整方式中枢点的调压方式分为三种：逆调压顺调压恒调压三种调压方式中，逆调压适用于线路长、负荷变化有规律、负荷波动大的中枢点；顺调压适用于线路短、负荷变动小的中枢点；恒调压适用于两者之间。目前中枢点常用的调压方式是逆调压。2、电压偏差的调整手段用发电机调压：调节自动调节励磁装置改变变压器变比调压：即调节变比k普通电力变压器除分接头外，还有2-4个附加分接头。通过选择分接头，可使变压器的变比发生改变。但使用变压器调压只是将主网的无功功率转移至负荷侧，并不能解决整个电力系统的无功缺额，因此有可能引发电压崩溃事故。改变线路参数调压

1）采用分裂导线。

在相同导线有效截面积下，导线分裂数越多，导线电抗越小；导线分裂数越少，导线电抗越大。2）串联电容器。接线图见图3-6.串联电容补偿线路电抗的程度可用补偿度Kc来表示：

(3-14)式中XL--线路电抗；

XC--线路串联电容容抗。叫过补偿，整个线路的等值阻抗呈现容性；叫欠补偿，整个线路的等值阻抗呈现感性；叫完全补偿，整个线路的等值阻抗呈现阻性；

与装设并联电容器相比，串联电容器补偿法的调压效果显著，特别适合于电压波动频繁、负荷功率因数低的场合。但采用串联电容也会带来一些新问题。

串联电容与感应电动机有可能发生共振。串联电容与变压器也可能发生共振。六、电压偏差的监测与考核电压监测的方法是在电压监测点安装具有自动记录和统计功能的“电压监测仪”。它能直接监测电压的偏差，并能统计电压合格率和电压超限率。表3-4我国某大城市电网2002年供电电压合格率统计表思考：1.什么是电压偏差？电压偏差针对系统的什么运行方式成立？2.电压降及电压损失的定义是什么？试写出电压损失的近似表达式。3.为什么说无功功率是引起电压偏差的主要原因？4.电压偏差大对用电设备有什么危害？对电力系统有什么危害？5.电压调节的方式有哪些？各有什么特点和适用性？思考：6.调压手段有哪些？各自有什么特点？7.为什么要进行无功补偿？无功补偿的原则是什么？8.电力系统的无功电源有哪些？各有什么特点？第三节电力系统频率偏差频率是电能质量最重要的指标之一。系统负荷特别是发电厂厂用电负荷对频率的要求非常严格。要保证用户和发电厂的正常运行就必须严格控制系统频率，使系统的频率偏差控制在允许的范围内。允许频率偏差的大小不仅体现了电力系统运行管理水平的高低，同时反映了一个国家工业发达的程度。一、频率偏差的定义根据工学理论，正弦量在单位时间内交变的次数称为频率，用f表示，单位为Hz。交变一次所需的时间称为周期，用T表示，单位为s。频率和周期互为倒数，即f=1/T（3-18）交流电力系统是以单一恒定的标称频率、规定的几种电压等级和以正弦函数波形变化的交流电向用户供电。交流电力系统的标称频率分为50Hz和60Hz两种，我国采用50Hz标称频率（工频）。一、频率偏差的定义

电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频率偏差，用公式表示为（3-19）式中——频率偏差，Hz；

fre——实际频率，Hz；

fN——系统标称频率，Hz。频率偏差属于频率变化范畴。电力系统的频率变化是指基波频率偏离规定正常值的现象。

不同标称频率的系统要实现互联，只能通过换流设备才能实现。

一个常蓄结合式抽水蓄能电站的原理接线图如图3-7所示。图中，SFC称为静止频率变换器；G代表常规发电机组，其额定频率为50Hz；G/M代表抽水蓄能机组，其工作频率为30-80Hz。二、频率偏差限值

我国国家标准GB/T15945-1995《电能质量电力系统频率允许偏差》规定：

系统正常频率偏差允许值为0.2Hz。系统容量较小时，可放宽到0.5Hz。用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过0.2Hz小阅读一些经济发达国家的系统频率允许偏差为±0.1Hz日本的系统频率允许偏差达到±0.08Hz预计不远的将来，经济发达国家的系统频率允许偏差将达到±0.05Hz三、频率偏差产生的原因当系统负荷功率总需求(包括电能传输环节的损耗)与系统电源的总供给相平衡时，才能维持所以发电机组转速的恒定。但是，电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时都在变化。

系统中发电机的总输出有功功率大于负荷消耗的有功功率时，系统频率上升；

系统中发电机的总输出有功功率小于于负荷消耗的有功功率时，系统频率下降；

当发电机与负荷间出现有功功率不平衡时，系统频率就会产生变动，出现频率偏差。

系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因

四、频率偏差的危害1.系统频率偏差过大对用电负荷的危害（1）产品质量没有保障。（纺织、造纸）（2）降低劳动生产率。（车床设备）（3）使电子设备不能正常工作，甚至停止运行。（计算机控制流水线、银行安全防护系统）2.系统频率偏差过大对电力系统的危害（1）降低发电机组效率，引起频率或电压崩溃。（水泵、风机；电容）（2）汽轮机在低频下运行时易产生叶片共振，造成叶片疲劳损伤和断裂。（3）电力系统中的异步电动机和变压器由于频率低，主磁通会增加，励磁电流会随之增加，系统所需无功功率大为增加，导致系统电压水平降低，造成调压困难。（4）无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比。频率下降时，影响电容器对电压的支撑作用。（5）频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。频率升高，计量电量减少。五、电力系统频率调整和控制电力系统在正常运行方式下，通过改变发电机的输出功率使系统的频率变动保持在允许偏差范围内的过程，称为频率调整。分为：一次调整、二次调整。

一次调整：利用发电机组的调速器，针对变化幅度小(0.1%-0.5%)，变动周期短(10s)的频率偏差。

二次调整：利用发电机组的调频器，针对变化幅度大(0.5%-1.5%)，变动周期长(10s-30s)的频率偏差。

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抽水蓄能机组是一种特殊形式的水轮发电机组。当系统处于低谷负荷期间，抽水蓄能机组工作在抽水电动机工况。此时，机组吸收系统多余的电能，把下水库的水抽到上水库，将电能转化为水的势能存储起来；当系统处于高峰负荷期间，抽水蓄能机组工作在水轮发电机工况，机组利用上水库的水进行发电，将水的势能转化为电能输送到系统。1.当系统发出的有功大于负荷的需求2.当系统发出的有功小于负荷的需求

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自动调频是通过装在调频厂和调度所的自动发电控制装置实现的。自动发电控制装置随系统频率的变化自动增减调频机组的出力，一般可使系统频率偏差保持在±0.1Hz之内。自动调频是电力系统调度自动化的组成部分，具有调频、经济调度和系统联络线交换功率控制等综合功能。2.电力系统频率控制电力系统在以下情况下可能出现频率异常：（1）故障后系统失去大量电源，或系统解列（2）气候变化或意外灾害使负荷发生突变（3）在电力供应不足的系统中缺乏有效的控制负荷手段。（4）高峰和低峰负荷期间，发电机出力的增减速度与负荷的增减速度不一致。（5）大型冲击负荷造成的频率波动。2.电力系统频率控制

系统频率异常时一般采取以下频率控制措施：（1）应具备足够的负荷备用和事故备用容量；（2）在调度所或变电所装设直接控制用户负荷的装置，并备有事故拉闸序位表。（3）在系统内安装按频率自动减负荷装置，和自动切除发电机装置。频率调整和电压调整的差异：（1）全系统频率相同，而系统中各节点的电压却不同（2）系统频率质量主要由系统有功功率平衡状况决定，而系统电压质量则主要由系统无功功率平衡状况决定。（3）调整频率只有改变发电机组原动机功率这一唯一的措施，而调整电压的措施却很多。思考题：1.什么是频率？什么是频率偏差？2.产生频率偏差的根本原因是什么？3.频率偏差大对用电设备有什么危害？对发电厂和电力系统有什么危害？4.频率调整与电压调整有什么区别？思考题：5.改善频率偏差的措施主要有哪些？一次调频和二次调频有什么区别？手动调频和自动调频各有什么特点？6.频率调整与频率控制有什么不同？7.安装自动低频减载的目的是什么？安装自动高频切机装置的目的又是什么？第四节电压三相不平衡一、三相对称与三相不平衡的概念设三相系统的电流和电压分别为:

式中，iA、iB

、iC

和uA、uB

、uC

分别为A、B、C三相的瞬时电流和瞬时电压；ＩA、ＩB

、ＩC

和ＵA、ＵB

、ＵC

分别为三相电流均方根值和电压均方根值。

对称三相系统是指三相电量数值相等、频率相同、相位互差120度的系统。不同时满足这三个条件的三相系统是不对称三相系统。换言之，式（3-20）和（3-21）所表示的系统如果同时满足以下条件

(3-22）（3-23）那么该系统是对称的，反之则是不对称的。

将式（3-22）、（3-23）代人式（3-20）和（3-21）同时选取A相电流为参考量，记及A相电压超前于电流电角度，即令，则对称三相系统可表示为

（3-24）（3-25）

三相系统的对称性还表现为：在任意时刻，三相电量的瞬时值之和为零，用数学公式表示（3-26）（3-27）三相系统又可分为平衡三相系统和不平衡三相系统。在任意时刻，三相瞬时总功率与时间无关，这样的系统称为平衡三相系统；在任意时刻，三相瞬时总功率是时间的函数，这样的系统称为不平衡三相系统。

根据电工理论，系统在某一时间t吸收的总瞬时功率为三相瞬时功率之和，每一相的瞬时功率为同一时刻同相电压和电流的乘积，即（3-28）式中——总瞬时功率，MVA.

PA、PB、PC——A、B、C三相瞬时功率，MVA。将式（3-20）和（3-21）代人式（3-28），经整理后得（3-28）上式中第二个方括号与时间有关，一般来说，它不等于零。对于对称三相系统，将式（3-22）和（3-23）代入（3-28），并计及得（3-29）

式（3-29）说明对称三相系统在任意时刻的总瞬时功率是常数，也就是说对称三相系统一定也是平衡三相系统。对于三相系统，系统的不对称直接导致不平衡，所以不对称三相系统和不平衡三相系统在使用上不作严格区分。三相电压不平衡度是电能质量的重要指标之一。二、三相不平衡度的定义根据对称分量法，三相系统中的电量可分解为正序分量、负序分量和零序分量三个对称分量。电力系统在正常运行方式下，电量的负序分量均方根值与正序分量均方根值之比定义为该电量的三相不平衡度，即（3-30）（3-31）

由式（3-30）和（3-31）可见，要计算三相系统的不平衡度，必须首先计算三相系统的正序和负序分量。但在实际工作中，往往只知道三相电量的数值。在不含零序分量的三相系统中，只要知道三相电量a、b、c，即可由下式求出三相不平衡度：（3-32）式中：

工程上为了估算某个不对称负荷的公共连接点上造成的三相电压不平衡度，可用公式（3-33）进行近似计算。(3-33)式中——负荷电流的负序分量，A；

——公共连接点的线电压均方根值，KV；

——公共连接点的三相短路容量，MVA。式（3-33）只能用于距离发电厂以及大型电机电气距离较远的公共连接点处三相电压不平衡度的近似计算。

在三相对称系统中，由于在某一相上增设了单相负荷而引起的三相电压不平衡度也可按下式估算（3-34）式中——单相负荷容量，MVA；

——计算点的三相短路容量，MVA。三、三相不平衡度的限值我国国家标准GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》规定：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%；接于公共连接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3%。四、三相不平衡产生的原因电力系统三相不平衡可以分为事故性不平衡和正常性不平衡两大类。事故性不平衡由系统中各种非对称性故障引起。电力系统在正常运行方式下，供电环节的不平衡或用电环节的不平衡都将导致电力系统三相不平衡。而供电系统的不平衡主要来自于供电线路的不平衡。用电环节的不平衡

三相负荷不对称是系统三相不平衡的主要因素。主要原因是由于单相大容量负荷（电气化铁路、电弧炉、电焊机）的电气位置分布不合理。五、三相不平衡的危害系统处于三相不平衡运行时，其电压、电流中含大量负序分量。由于负序分量的存在，三相不平衡对电气设备产生不良影响，具体表现如下：（1）感应电动机（负序电压产生制动转矩）（2）变压器（不能充分利用变压器容量）（3）换流器（换流器触发角不对称，产生谐波）（4）继电保护和自动装置（负序电流保护误动作）（5）线损。（6）计算机（电噪声干扰）六、改善三相不平衡的措施减小系统三相不平衡的常用方法有如下几种：（1）将不对称负荷合理分布于三相中，使各相负荷尽可能平衡。（2）将不对称负荷分散接于不同的供电点，减小集中连接造成的不平衡度过大。（3）将不对称负荷接于高一级电压供电。（4）将不对称负荷采用单独的变压器供电。（5）采用特殊接线的平衡变压器供电。（6）加装三相平衡装置。思考题：1.三相不对称与三相不平衡指什么？为什么二者可以不加区别的使用？2.三相不平衡产生的主要原因有哪些？何为供电环节的不平衡？用电环节的不平衡产生的主要原因有哪些？3.三相不平衡对电气设备有何影响？4.改善三相不平衡措施有哪些？第五节供电中断与中断可靠性一、供电可靠性的常用指标供电系统供电可靠性用一系列指标加以衡量。这些供电可靠性指标按不同电压等级分别计算，并分为主要指标和参考指标两大类。1、供电可靠性主要指标（1）供电可靠率（RS-1）。