电能质量讲座.ppt

1、矿山电网电能质量,第一部分 电能质量概述,一、电能质量问题的提出,电力作为一种特殊商品，其质量问题已经越来越成为电力企业和电力客户共同关心的问题。 1.大量高科技电子设备的使用，其性能对电能质量非常敏感。 2、许多新型电气设备的使用，会向电力系统注入各种电磁干扰，对电力系统安全运行及用电设备的正常运行造成的危害不断增加。,理想供电系统提供的电产品,1. 恒定频率 2. 恒定电压 3. 正弦波形 4. 三相平衡 5. 电压电流同相位,二、什么是电能质量,定义：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。 由于电压、电流或频率偏差引起的，用户设备工作异常或损坏的任何电力问题，都属于电能质

2、量问题。,电能质量现象部分波形图（1）,电能质量现象部分波形图（2）,暂降 SAGS，DIPS,中断 INTERRUPTIONS,暂升 SWELLS,瞬变 TRANSIENTS,谐波 HARMONICS，DISTORTIONS,陷波 NOTCHES,波动 FLUCTUATIONS,频率 FREQUENCY DEVIATIONS,三、电能质量的含义,电压质量 电流质量 供电质量 用电质量,四、电能质量的特点,动态性 相关性 传播性 潜在性 复杂性 整体性,电能质量特征 1, 电能质量指标的动态性： 电能从发电生产到用户消耗是一个整体，电能量的流 动始终处于动态平衡之中。并且随着电网结构的改变和负

3、 荷的变化，在整个配电网络中，不同时刻、不同公共连接 点，电能质量指标往往是不同的，也就是说电能质量始终 处在动态变化中。 电力系统是一个在动态中不断寻求平衡的大系统， 电能质量现象的物理意义就在于此。,电能质量的动态性原因,可以讲，有功功率的平衡决定着电压频率的变 化；无功功率的平衡决定着电压幅值的变化；三相 负荷的平衡决定着电压对称度大小；。生产与消耗 的平衡决定着能否连续供电的问题。,又如，日负荷的变化以及负荷特性的改变、不同的 运行方式、随机发生的（自然现象和人为因素等）线路 故障等，电能质量状况始终处在动态变化中。因此质量 指标的评估往往是概率统计的结果。,电能质量特征 2,电能质量

4、作用的相关性： 电能不易大量储存，其生产、输送、分配和转换过 程直至消耗几乎是同时进行的。当电力系统处于不同运 行状态时，电能质量一旦超标，相关的配电网络和用设 备都会受到不同程度的影响，很显然，在系统运行过中 劣质电能是不可能更换的。 有些情况下，引起电能质量下降的原因是多方面的， 系统中的某一实体，往往既可能是电能质量的破坏者， 同时也是劣质电能的受害者。,电能质量特征 3,电能质量干扰的传播性： 由于电力线为扰动提供了最好的传导途径，且传播速度快，电气环境污染波及面大，影响域广，其结果可能会大大降低与其相连接的其它系统或设备的电气性能，甚至导致设备遭到损坏，可见劣质电能的危害与影响具有快

5、速传播性。,电能质量特征 4,电能质量干扰的潜在性： 虽然电产品的基本形式简单，但其质量扰动的现象却是多种多样的，事故的诱发条件比较复杂，电能质量下降造成的对系统和用电设备的损害有时并不立即显现出来，其危害与影响具有潜在性。,电能质量特征 5, 电能质量评估的复杂性： 一般而言，电力系统在运行过程中电能质量的各项指标接近系统标称值，就可以认为电能是达到标准要求的。但是当电能质量的多个指标共同作用在一个系统中时，其不同的组合结果对电力系统运行的不利影响和对电气设备性能的降低，甚至损坏都是十分复杂的问题。加之，不同电气设备在不同条件下对电压干扰的敏感度不同。因此如何综合的给出技术经济的评价仍然是非

6、常困难的，目前尚无一个准确的和普遍认可的定量评估计算方法。,电能质量的特征 6, 电能质量控制的整体性： 从整个电力系统来讲，保证优质电力生产和用户安全使用还要靠多方共同努力。因此要求设备制造厂商、电力供应方、电力使用方、标准制定方，监督管理方等协同合作，达成共识，制定统一的和可操作的适度质量标准或单独的供电质量协议，按照电力用户对电能质量的不同要求实行分级控制和质量达标，实现技术与经济的综合优化，做到电能质量的责任与义务清晰，保护共享的电气环境，共同获得最大的生产效率和经济利益。 可以说，如何认识、管理和保证电能质量是一项系统工程问题。,五、电能质量的主要内容,基本概念 与 术语,瞬态：半个

7、周波（10ms)以内 暂时：从10ms 到1min 稳态：1min以上,瞬变 -瞬态概念 骤升，骤降 -暂时概念 过电压，低电压，电压中断 -稳态概念,电压波动 闪变 谐波,六、供电电压偏差,1、 供电电压偏差定义 供配电系统改变运行方式和负荷缓慢地变化会使供配电系统各点的电压也随之变化，这时各点的实际电压与系统标称电压之差称为电压偏差。电压偏差也常用与系统标称电压的百分比表示。即： 2、 供电电压允许偏差 国家标准 电能质量 供电电压允许偏差（GB/T12325-2008) 35KV 正负偏差绝对值之和10% 10KV 三相供电为7、7 220V单相供电为10、7,六、供电电压偏差,3、供电

8、电压偏差产生的原因 供电系统无功不平衡是引起供电系统电压偏离标称值的根本原因。 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及变压器，由于线路和变压器中存在阻抗造成线路变压器首末端电压出现电压差。,六、供电电压偏差,4、供电电压偏差对系统及用电设备的影响 1电压偏差对感应电动机的影响。电动机转矩与端电压的平方成正比。当电压出现正偏差时，电动机机端电压升高，其激磁电流和温升也增加，绝缘受到过电压和过热的威胁，影响其使用寿命，同时还会产生有害的谐波电流；当电压出现负偏差时，其实转矩下降较多，转速降低，引起产品质量和数量的降低，同时负荷电流却会增加，影响电动机的使用寿命。 2电压偏差对照明

9、设备的影响。照明设备的发光效率与电压的关系极大，因此，电压降低会引起照明设备的效率降低，造成照度不足，影响照明效果；当电压过低时，会导致气体放电光源的照明器不能正常点燃；另一方面，电光源的工作寿命也受电压的影响很大，当电压偏高时，光源寿命缩短很多。 3电压偏差对电子设备的影响。随着计算机系统的大规模应用和自动控制系统的不断精细化，对于一个计算中心来说，电压偏差会造成计算机系统的工作紊乱，数据损坏；对于精密机床、机器人等，电压偏差可能造成无法保持对由其驱动过程的精确控制。 4电压偏差对无功补偿的影响。电压过低会引起补偿电容器组输出无功减少，不能满足补偿要求。,六、供电电压偏差,六、供电电压偏差,

10、六、供电电压偏差,5、电压偏差的改善措施 降低线路阻抗 改变变压器变比 合理的无功补偿,七、电力系统谐波,电能质量 公用电网谐波（GB/T14549-1993),八、电力系统三相不平衡,三相电压不对称的程度通常用三相电压不对称度来表示，它表示三相系统的电压正序分量与电压负序分量的均方根值百分比。即：,1、三相电压不对称度的概念,式中 三相电压正序分量的均方根值； 三相电压负序分量的均方很值； 三相电压不对称度。,八、电力系统三相不平衡,电能质量 三相电压允许不平衡度（GB/T15543-2008) 正常允许2%，短时不超过4% 每个用户一般不得超过1.3%,2、三相电压不对称度的允许值,八、电

11、力系统三相不平衡,3、三相不平衡产生的原因 供电环节不平衡（系统阻抗） 用电环节不平衡（电气化铁路、电弧炉）,八、电力系统三相不平衡,4、三相不平衡的危害 对变压器的影响 对于三相电力变压器，当三相电压不对称时，由于要求三相负荷均不能过载，因此，变压器额定容量必须大于其负荷最大一相的容量的3倍，使三相电力变压器的利用率降低。 对电动机的影响 负序电流流入同步电动机或异步电动机，会使电动机因产生附加损耗而过热，产生附加转短而降低使用效率；同时还会使电动机寿命降低。 对变流装置的影响 对多相整流装置，不对称电压使电流在各整流元件上导通的时间和大小发生差异，因而必须降低整流装置的允许功率，从而导致部

12、分元器件效能得不到充分利用。此外，在不对称电压下工作，对多相整流装置会产生偶次非特征谐波，其幅值与电压的不对称度成正比。 对补偿电容的影响 对于对称连接的电容器，加上不对称电压后，会引起三相无功功率输出的不平衡，改变总无功功率的输出。,八、电力系统三相不平衡,5、三相不平衡的改善措施 分散供电 将不对称负荷接到不同的供电点，以减小集中连接造成的不平衡度超标问题。 合理分配 将不对称负荷合理分配到各相，尽量使其平衡化。 提高短路容量 将不对称负荷接到更高电压级上供电，以使连接点的短路容量足够大。 SVC分相补偿,九、电力系统频率偏差,1、电力系统频率偏差定义 频率偏差是电力系统实际基波频率偏离标

13、称频率的程度。即： 2、频率偏差限值 电能质量 电力系统频率允许偏差（GB/T15949-1995) 正常允许0.2HZ，根据系统容量可以放宽到0.5HZ 用户冲击引起的频率波动一般不得超过0.2HZ,九、电力系统频率偏差,3、频率偏差产生的原因 当发动机与负荷间出现不平衡时，系统频率就会产生变动出现频率偏差。当系统中发动机的总输出有功功率大于系统负荷总有功功率总需求，则系统频率上升，频率偏差为正；反之系统频率下降，频率偏差为负。,九、电力系统频率偏差,4、频率偏差对系统和用电设备的影响 （1）将引起异步电动机转速的变化； （2）将使与系统有关的测控设备受系统频率的影响而降低其性能，甚至不能正

14、常工作； （3）将引起异步电动机和变压器激磁电流增加，所消耗的无功功率增加，恶化了电力系统的电压水平； （4）频率的变化还可能引起系统中滤波器的失谐和电容器组发出的无功功率变化。,九、电力系统频率偏差,5、限制措施 频率偏差通常由电力系统调节，供配电系统一般不采取调整措施,十、电压波动和闪变,1电压波动 一系列的电压变动或电压包络线的周期性变动，当其变化速度等于或大于每秒02时称为电压波动。,一、电压波动和闪变的概念,十、电压波动和闪变,2电压闪变 负荷急剧的波动造成供配电系统瞬时电压升降，则照明设施的照度随之急剧变化，使人眼对灯光的闪烁感到不适，这种现象称为电压闪变。,十、电压波动和闪变,3

15、电压变动频度 单位时间内电压变动的次数。电压由大到小或由小到大各算一次变动，同一方向的若干次变动，如间隔时间小于30ms，则算一次变动。电压变动频度的计算公式为： 式中 m某一规定时间内电压变化的次数。 T冲击负荷的周期，单位为h。 4短时间闪变值和长时间闪变值 短时间闪变值是衡量短时间（若干分钟）内闪变强弱的一个统计量，长时间闪变值是由短时间闪变量推算出，反映长时间（若干小时）闪变强弱的量值。这两个值是评价电压闪变的指标。可以由闪变仪直接测量，也可由仿真计算得到。,十、电压波动和闪变,2、电压波动和闪变限制值 电能质量 电压波动和闪变（GB12326-2008) 闪变限值,注:PLt测量周期

16、为2h;MV括号中值仅适用于pcc连接的所有用户为同电压等级的用户场合。,电压变动限值(%),十、电压波动和闪变,3、引起电压波动和闪变的原因 大型电动机的起动 冲击负荷 反复短时工作制负荷 大型电弧炉 系统短路,十、电压波动和闪变,4、电压波动和闪变对系统和用电设备的影响 电压波动和闪变对照明设备的影响 引起照明设备中光源的闪烁，使得照明质量下降。 电压波动和闪变对显示设备的影响 电压波动和闪变会引起电视机、计算机显示器中显像管工作不正常，图像变形。 电压波动和闪变对电动机的影响 电压不稳定使电动机转速不均匀，影响所生产产品的质量。 电压波动和闪变对电子设备的影响 电压波动和闪变会导致电子设

17、备、自控设备或测试仪器无法准确工作。,十、电压波动和闪变,5、抑制电压波动和闪变的措施 采用单独回路供电 降低共用配电线路阻抗 提高供电电压 增加短路容量 采用静止型无功功率补偿装置,十一、暂时过电压和瞬态过电压,1、系统过电压定义 在系统中某一部分出现的相对地电压峰值超过 或相间电压峰值超过 的如何波形电压称为相对地或相间过电压 2 、系统过电压分类 内部过电压（暂时过电压，操作过电压） 雷电过电压 3、限制标准 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压（GB/T18481-2001),七、电力系统谐波,电能质量 公用电网间谐波（GB/T12325-2009),第二部分 矿井谐波防治及无功补偿,二、

18、谐波及无功功率,1、谐波的基本概念 谐波的定义 谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 由傅立叶级数可知，周期性非正弦函数可分解基波分量和谐波分量。,例1 方波的傅立叶级数展开,满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数 基波（fundamental）在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量 谐 波频率较基波频率大于1整数倍的分量 谐波次数谐波频率和基波频率的整数比 n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为,2 、间谐波的基本概念 间谐波是指非工频频率整数倍的

19、谐波。由于各次间谐波周期与基波不同步，如果电压中包含间谐波，会使电压的有效值与峰值发生波动，实际上就是电压闪变的一种形式。,间谐波引起电压闪变,拍频的概念,3. 功率因数基本概念 （1） 正弦电路中的情况 电路的有功功率就是其平均功率： 视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI 无功功率定义为： Q=U I sinj 功率因数l 定义为有功功率P和视在功率S的比值： 此时无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间有如下关系： 功率因数是由电压和电流的相位差j 决定的：l =cos j,（2） 非正弦电路中的情况 有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍由式 定义。 公用电

20、网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况有很大的实际意义。,（3） 非正弦电路的有功功率 设正弦波电压有效值为U，畸变电流有效值为I，基波电流有效值及与电压的相位差分别为I1和j 1。 这时有功功率为：P=U I1 cosj1 功率因数为： 基波因数n =I1 / I，即基波电流有效值和总电流有效值之比 位移因数（基波功率因数）cosj 1 可见： 功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定的。,（4） 非正弦电路的无功功率 定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义 一种简单的定义是仿照式给出的

21、： 这样定义的无功功率Q反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受，但该定义对无功功率的描述很粗糙。,二、谐波和无功功率分析基础,基波无功功率采用符号Qf， 忽略电压中的谐波时有：Q f =U I 1 sinj 1 在非正弦情况下， ，因此引入畸变功率D，使得： 比较式，可得： 忽略电压谐波时 这种情况下： Q f为由基波电流所产生的无功功率，D是谐波电流产生的无功功率。,3、矿井主要谐波源及谐波特性,系统中产生谐波的设备即谐波源，是具有非线性特性的用电设备。谐波源按其非线性特性可分为三大内： 铁磁饱和型 电子开关型 电弧型,（1）低压交流调压装置,（2）低压变频器,3、矿井提升机,矿井提升机

22、电气传动分类 直流传动 6脉动变流器 12脉动变流器 6/12波动变流器 交流传动 交交变频器 交直交变频器,A、6脉动变流器,三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 30 时的波形,6脉动变流器网侧电流仿真波形及频谱,6脉动变流器网侧电流实测波形及频谱,B、12脉动变流器,由两个6脉动变流器串联或并联组成，整流变压器二次侧相差30 理论上讲其网侧谐波电流次数n12K1 由于系统电压、阻抗不平衡及触发脉冲不平衡5、7、17、19等次谐波仍有少量存在，一般取6脉动变流器网侧谐波电流值的15%。,C、6/12脉动变流器,由两个6脉动变流器串联组成 网侧谐波电流次数n6K1 谐波电流的幅值随控制角而变化,D、交交变频器,交交变频器负载侧电压机电流波形,交交变频器频谱网侧电流谐波特性,网侧谐波电流频率fn（np1）f1mf0 网侧谐波电流幅值随负载侧电流及频率而变化,交交变频器频谱网侧电流