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            1 電能質量的定義

            電能質量是指通過公用電網供給用戶端的交流電能的質量。理想狀態的公用電網應以恒定的頻率、標準正弦波和額定電壓對用戶供電。同時,在三相交流系統中,各相電壓和電流的幅值大小應相等、相位對稱且相差120度。但由于系統中的發電機、變壓器和線路等設備非線性或不對稱、負荷性質多變,加之調控手段不完善及運行操作、外來干擾和各種故障等原因,這種理想狀態并不存在。因此,產生了電網運行電力設備和供用電環節中的各種問題,也就產生了電能質量的概念,圍繞電能質量含義,從不同角度理解通常包括:

           1)電壓質量:是以實際電壓與理想電壓的偏差,反映供電企業向用戶供應的電能是否合格的概念。這個定義能包括大多數電能質量問題,但不能包括頻率造成的電能質量問題,也不包括用電設備對電網電能質量的影響和污染。

           2)電流質量:反映了與電壓質量有密切關系的電流的變化,是電力用戶除對交流電源有恒定頻率、正弦波形的要求外,還要求電流波形與供電電壓同相位以保證高功率因素運行。這個定義有助于電網電能質量的改善和降低線損,但不能概括大多數因電壓原因造成的電能質量問題。

           3)供電質量:其技術含義是指電壓質量和供電可靠性,非技術含義是指服務質量。包括供電企業對用戶投訴的反映速度以及電價組成的合理性、透明度等。

           4)用電質量:包括電流質量與反映供用電雙方相互作用和影響中的用電方的權利、責任和義務,也包括電力用戶是否按期、如數交納電費等。

            總之,上述定義都是將電能質量與用戶的需求相聯系,即解決電能質量問題,就是保證系統設備安全運行并提供給用戶所需要的質量水平的電能。


            2 電能質量重要指標

            電能質量指標主要包括:頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、暫時或瞬態過電壓、波形畸變、電壓暫降與短時間中斷以及供電連續性等。

            2.1 電壓偏差

            (1) 定義:

            供電系統在正常運行方式下,某一節點的實際電壓與系統的標準電壓之差對系統標稱電壓的百分數。其數學表達式如下:

            確定允許電壓偏差是一個綜合的技術經濟問題,允許的電壓偏差小,有利于用電設備的安全、經濟運行,但須為此在電網中增添更多的無功電源和調壓設備,需要更多的投入。反過來,如果擴大用電設備對電壓的適應范圍,提高設備在這方面的性能往往也需增加設備的投資。供電系統在正常運行時,負荷時刻發生著變化,系統的運行方式也經常改變,系統中各節點的電壓隨之發生改變,會偏離電壓標稱值。電壓的這種變化是緩慢的,其每秒電壓變化率小于標稱電壓的1%。供電電壓允許偏差是電能質量的一項基本指標,合理確定該偏差對于電氣設備的制造和運行,對于電力系統安全和經濟都有重要意義。系統無功功率不平衡是引起系統電壓偏差的根本原因,無功功率越嚴重,電壓偏差越大。另外供配電網絡結構的不合理也能導致電壓偏差。供配電線路輸送距離過長,輸送容量過大,導致截面過小等因素都會加大線路的電壓損失,從而產生電壓偏差。

            (2) 電壓偏差過大所產生的危害:

            ①對用電設備的危害:當電壓偏離標稱電壓較大時,用電設備的運行性能惡化,不僅運行效率降低,還可能由于過電壓或過電流而損壞。例如,當電壓高于標稱電壓5%時,白熾燈的壽命會減少30%,當電壓高于標稱電壓10%時,白熾燈的壽命會減小一半,從而使白熾燈的損壞數量大大增加,當電壓低于標稱電壓的5%時,白熾燈的光通量減少18%。當電壓低于標稱電壓10%時,光通量減少30%,從而使照度顯著降低。電壓過低或過高都會使電動機的溫升增加,若電動機長時間處于較大的電壓偏差下運行,就可能燒壞電動機繞組,使繞組絕緣老化而縮短電動機的壽命。由于許多家用電器內部都裝有動力裝置,也即是各種類型的電動機,電壓偏差過大同樣會影響它們的使用效率和壽命,嚴重影響人們的正常生活。

            ② 對電網的危害: 輸電線路的輸送功率受功率穩定極限的限制,而線路的靜態穩定功率極限近似與線路的電壓平方成正比。系統運行電壓偏低,輸電線路的功率極限大幅度降低,可能產生系統頻率不穩定現象,甚至導致電力系統頻率崩潰,造成系統解列。如果電力系統缺乏無功電源,可能產生系統電壓不穩定現象,導致電壓崩潰。

           (3)國家標準:

             GB12325-90<<電能質量-供電電壓允許偏差>>中規定:35kV及以上供電電壓正負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%;10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%;220kV單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%,-10%。


            2.2 電壓波動

            (1) 定義:

             電壓波動定義為電壓均方根一系列相對快速變動或連續改變的現象,其變化周期大于工頻周期。電壓波動值為相鄰電壓方均根的兩個極限值UmaxUmin之差△U,常以其標稱電壓的百分數表示其相對百分值:

            在配電系統運行中,這種電壓波動現象有可能多次出現,變化過程可能是規則的、不規則的,亦或是隨機的。在波動負荷中,以電弧爐引起的電壓波動最為嚴重。多數國家在制定的電壓波動與閃變標準中的條款是針對電弧爐負荷設定的。同時電弧爐造成的供電電壓波動對用電設備和系統安全運行的影響主要決定于波動值的大小和變動的頻度。

            (2) 國家標準:

            GB12326-2000<<電能質量-電壓允許波動和閃變>>中規定:在公共供電點的電壓波動允許值如下:10kV及以下為2.5%,35kV—110kV為2%,220kV及以上為1.6%。


            2.3 電壓閃變

            (1) 定義:

            閃變是經過燈-腦-眼環節反映人對照度的主觀視感。為更為本質地描述燈-腦-眼環節的頻率特性,IEC推薦引入視感度系數K(?):

             電壓閃變通常是以白熾燈的工況作為判斷。在所有低頻成份中,人眼對8.8Hz的電壓波動最為敏感。因此,IEC標準以S=1(S為瞬時閃變視覺度)為察覺單位,對1/2以下的低頻成分以8.8Hz為標準作歸一化處理,通過S=1下的電壓波動頻率、電壓波動及視覺系數之間的關系將不同頻率下的低頻電壓波動轉化為一個特定頻率(如8.8Hz)的電壓波動,以該特定頻率電壓波動的限值作為判斷是否發生閃變的標準,大于該限值則判斷為發生了閃變;反之則沒有,閃變與電壓波動有著直接的關系,但由于引起閃變的某些量值難以量化,而且它還需要對電壓波動(調幅波)頻譜分析度進行統計。因此,對閃變的計算遠遠比計算電壓波動要復雜得多。到目前為止還沒有準確計算閃變的公式。

            (2) 國家標準:

            GB12326-2000<<電能質量-電壓允許波動和閃變>>中規定,對照明要求高的白熾燈負荷為0.4%,對于一般性的照明負荷為0.6%。


            2.4 頻率偏差

            (1) 定義:

             頻率偏差是指在電力系統正常運行條件下,系統頻率的實際值與標稱值(50Hz6OHz,我國采用5OHz標準)之差。用公式表示為:

          

             頻率是電能質量的重要指標之一,系統負荷特別是發電廠廠用電負荷對頻率的要求。要保證用戶和發電廠的正常運行就必須嚴格控制系統頻率,使系統的頻率偏差控制在允許范圍之內。允許頻率偏差的大小不僅體現了電力系統運行管理水平的高低,同時反映了一個國家工業發達的程度。

             (2) 頻率偏差過大所產生的危害:

             ① 對用電負荷:  工業企業所使用的用電設備大多數是異步電動機,其轉速與系統頻率有關,系統頻率變化將引起電動機轉速改變,從而影響產品質量,降低勞動生產率。電動機的輸出功率與系統頻率有關,系統頻率下降使電動機的輸出功率降低,從而影響所傳動機械的出力,使電子設備不能正常工作,甚至停止運行,而電子設備對系統頻率非常敏感,系統頻率的不穩定會影響這些電子設備的工作特性,降低準確度,造成誤差。

             ② 對電力系統:  降低發電機組效率,嚴重時可能引發系統頻率崩潰或電壓崩潰。汽輪機在低頻下運行時容易產生葉片共振,造成葉片疲勞損傷和斷裂,處于低頻率電力系統中的異步電動機和變壓器其主磁通會增加,系統所需無功功率大為增加,導致系統電壓水平降低,給系統電壓調整帶來困難。無功補償用電容器的補償容量與頻率成正比,當系統頻率下降時,電容器的無功出力成比例降低,不利于系統電壓的調整,使感應式電能表的計量誤差加大。

             (3) 國家標準:

             我國電力系統的標準頻率為50Hz,GB/T15945-1995<<電能質量-電力系統頻率允許偏差>>中規定,電力系統正常頻率偏差允許值為±0.2Hz,當系統的容量較小時,偏差值可以放寬到0.5Hz,標準中沒有說明系統容量大小的界限。在<<全國供電規則>>中規定“供電局供電頻率允許的偏差”:電網容量在300萬千瓦以上者為±0.2Hz,電網容量在300萬千瓦以下者為±0.5Hz。實際的運行中,從各大電力系統看都保持在不大于±0.1Hz范圍內。


             2.5 電網諧波

             (1) 定義:

             諧波的國際公認定義是:“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數倍”。諧波的一個重要指標就是總諧波畸變率(THD),定義為畸變波形因諧波引起的偏離正弦波形的程度。用公式表示為:


             式中:THDh-電壓總諧波畸變率;Uh-各次諧波均方根值;U1-基波均方根值;M-所考慮的諧波最高次數,由波形的畸變程度和分析的準確度要求來決定,通常取≤50。

             (2) 國家標準:

             GB/T14549-93<<電能質量-公用電網頻率諧波>>中規定:6—220kV各級公用電網電壓(相電壓)總諧波畸變率是:0.38kV為5.0%,6—10kV為4.0%,35—66kV為3.0%,110kV為2.0%;用戶注入電網的諧波電流允許值應保證各級電網諧波電壓在限值范圍內,所以國標規定各級電網諧波產生的電壓總畸變率是:0.38kV為2.6%,6—10kV為2.2%,35—66kV為1.9%,110kV為1.5%。對220kV及其以上其供電的電力用戶參照本標準110kV執行。


            2.6 三相電壓不平衡度

            (1) 定義:

             電力系統在正常的運行方式下,電量的負序分量均方根之與正序分量均方根值之比。

             式中:U1為三相電壓正序分量的均方根值;U2為三相電壓負序分量的均方根值。

             電力系統的三相不平衡(或對稱)是由于三相負載不平衡(或對稱)以及系統元件參數的不對稱所致。在研究不對稱的三相電力系統時,廣泛使用對稱分量法,即將任何一組不對稱的三相相量(電壓或電流)分解成相序各不相同的三相對稱的三相相量。三相電源電壓畸變不對稱時,對于三相四線制電路,電壓中除含有諧波分量外,還含有正序、負序、零序分量。對于三相三線制電路,只含有正、負序分量。電力系統三相不平衡可以分為事故性不平衡和正常性不平衡兩大類。事故性不平衡由系統中各種非對稱性故障引起,比如單相接地短路、兩相接地短路或兩相相間短路等。而電力系統正常運行時,供電環節的不平衡或用電環節的不平衡都將導致電力系統的三相不平衡。

             (2) 三相不平衡所產生的危害:

             ① 對感應電動機: 電動機的負序電抗很小,所以負序電壓產生的負序電流很大,使電動機的銅損增加。銅損的加大不僅使電動機效率降低,同時使電動機過熱,導致絕緣老化過程加快。

             ② 對變壓器:變壓器處于不平衡負載下運行時,變壓器容量得不到充分利用。研究表明,變壓器工作在標稱負載下,當電流不平衡度為10%時,變壓器絕緣壽命約縮短16%。

             ③ 對換流器:三相不平衡使換流器的觸發角不對稱,換流器將產生較大的非特征諧波。非特征諧波電流的出現對換流器的諧波治理提出了更高的要求,直接導致換流器總投資的加大。

             (3) 國家標準:

             GB/T15543-1995<<電能質量-三相允許不平衡度>>中規定:電力系統公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%。短時不得超過4%,標準中還規定對每個用戶電壓不平衡度的一般限值為1.3%。


             2.7 暫態指標

             評估電能質量的技術指標除了以上幾節中介紹的穩態指標之外,還有暫態指標,主要有電壓暫升、電壓暫降、瞬時間斷、暫時過電壓、瞬態過電壓、脈沖等等。其中,由于變頻調速設備、可編程邏輯控制器、各種自動化生產線以及計算機系統等敏感性用電設備的大量使用,電壓暫降(凹陷、跌落)與短時斷電(間斷)問題引起了有關部門和研究人員的重視,國內外不少專家學者認為這一問題已上升為當前最重要的電能質量問題之一,許多國家已開展了電壓暫降的長期監測工作。電壓暫降和電壓短時間中斷通常是相關聯的電能質量問題,發達國家早在20世紀80年代初就開始研究電壓跌落并取得大量的應用成果。 

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