（电力系统及其自动化专业论文）中性点有效接地系统电能计量方法研究.pdfVIP

华北电力大学工程硕士学位论文 第一章绪论 电力系统的基本任务是生产合格质量的电能，保证对电力用户的可靠的、持续 的供电。由于电力生产的特殊性一一电能不能大量贮存，使得电能的生产、传输、 分配和消费形成一个覆盖面非常广泛的统一的整体，在安全性和自 动化程度上有很 高的要求，具有统一调度、远距离传输电能和极快的响应时间常数等特点，在电力 系统形成和发展的一百多年的历史进程中，形成了一定的垄断性经营体制。 从 2 0世纪后期以来，在电力系统中打破垄断，引入竞争，施行商业化运营的 电力市场化改革席卷了全球的电力行业。这场改革的核心是将经济学理论引入电力 系统，在这个古老而又特殊的行业施行市场化，以实现提高总体效益，提高电力部 门的服务质量和降低电价的目的。我国的电力系统顺应历史潮流，也积极地、有步 骤地推行了电力市场化改革，在 2 0 0 2年将原来的“ 国家电力公司” 拆分、重组成 1 1 家公司，这成为电力系统体制改革的重要里程碑，对我国电力系统未来的发展有着 十分重要而深远影响。 电力市场的特点是更加注重电力生产的经济性，同时，并没有削弱对电力系统 的安全性及电能质量等问题的重视，相反，在电力市场条件下，电力系统的安全性 和对电能质量的重视等问题得到了充分的发展和和提高，特别是电能质量问题受到 了越来越多的关注。 2 0 0 3 年 8 月以来，一些发达国家相继发生了大停电事故，特别是美国“ 8 . 1 4 大 停电是规模和影响最大的一次，它充分说明了电力系统的在技术上还有不成熟的地 方，也说明了电力系统有着及其重要的特殊性和广泛的影响，这是任何时候都不能 被忽视的。 1 . 1 问题的提出与研究背景 电力系统的中性点运行方式是指采用星型接线的变压器的中性点的接地运行 方式，一般分为直接接地和不接地两种，直接接地的运行方式也称为大电流接地方 式，在系统发生接地故障时，短路点会产生很大的短路电流，从而使得继电保护动 作隔离发生故障的元件，这种中性点的运行方式的特点是可以降低绝缘水平，但相 对可靠性较差;不接地的运行方式也称为小电流接地系统，在系统发生单相接地故 障时，短路点的故障电流在几十安培以内，短时间内不影响系统的正常运行，这种 华北电 力大学工程硕士学位论文 中性点运行方式的特点是绝缘水平较高，但提高了系统的可靠性。我国电力系统规 定在 1 1 0 k v及以上的电力系统采用中性点直接接地的运行方式，在6 0 k v及以下的 电力系统采用中性点不接地或经过消弧线圈接地的运行方式。 随着电力系统的发展，特别是在大城市的配电网中，供电负荷密度急剧增大， 电缆线路越来越多的情况下，原来采用中性点不接地系统的运行方式遇到了新的问 题，主要是当系统发生单相接地时短路电流增大超过了额定值，一般规定超过 3 0 a 的小电流系统都要接消弧线圈，但过多的消弧线圈增加了系统的建设成本，也有消 弧线圈的电抗值整定困难等问题，因此，实际的 l o k v系统中很多都已经采用了中 j性点经小电阻接地的运行方式，据了解，北京电网 l o k v配电系统中，采用中性点 经小电阻接地的运行方式占全部小电流接地系统的8 0 %左右。 这种接地方式的特点 是将小电流接地系统改为大电流接地系统，一旦发生单相接地故障，故障点产生的 较大的短路电流使得继电保护动作隔离故障元件，避免了原来小电流系统故障点因 电流太小而不易找到和清除等缺点。 小电流该为大电流以后，虽然有利于及时、准确地确定故障点，但同时也带来 一个新的问题，原来系统中计量用的电能表都是两元件的计量方式，它在中性点不 接地系统中， 因为三相电流之和为零， 所以能够准确计量。 在中性点有效接地以后， 系统不能保证三相电流之和总是为零，因此还是采用这种两元件的计量方式就会带 来计量误差。当然，最简单的方式就是改成三元件的计量方式，理论上一定能够实 现准确计量，然而，全部更换电能表即需要很大的工作量，也增加了企业相当大的 成本，同时很多相应的计量点需要增设电流互感器等必须的配套设备，还会遇到没 有安装空间等问题。因此，研究在改用小电阻接地的中性点运行方式以后，原来的 两元件计量方式到底会产生多少计量误差，成为有必要首先解决的问题。 对于这个问题，即需要在理论上进行研究，还需要在实际上进行测试和进行数 据分析。理论研究需要解决的问题主要有:采用中性点经小电阻接地以后，零序电 流产生的原因是什么?它能有多大?零序电流的大小对两元件计量方式的准确度 能产生多大的影响等。实际测试就是要通过现场采集的数据，研究这种情况下实际 的计量误差情况，从而为是否将两元件更换成三元件计量方式提供依据。 本课题组在虚拟仪器及电能质量在线监测方面己经进行了多年的研究，具有一 定的研究基础，某公司与北京供电局合作进行这项研究的过程中，在现场采集到了 一些数据，提出与我们课题组合作进行研究，一方面希望我们在理论研究方面给这 个课题提供一定的基础，对数据进行分析，另一方面希望利用我们的装置进行实际 测试，但后来这个课题因故未能立项，在此仅论述己经完成的有关研究成果。 华北电 力大学工程硕士学位论文 1 . 2国内外研究现状介绍 1 ) : 1 1 0 k v以下电网中性点接地方式的发展及现状: 3 0年代，自从德国发明消弧线圈，各国多采用经消弧线圈接地的方式。6 0年 代后，一些国家相继把中性点接地的方式改为经小电阻接地的方式，主要原因:在 配网电压等级升高的过程中.为了充分利用原有线路和设备，采用有效接地方式; 消弧线圈调谐困难的问题日益严重，难以满足复杂电网的熄弧要求;消弧线圈接地 选线困难，难以满足配网自动化发展的要求。 8 0年代后，配网运行又提出新要求:在瞬时接地时要求能熄弧;永久接地要 求跳闸;同时要求降低接地电流造成的接地点电位升高及对设备绝缘的危害，降低 跨步电压，因而在安全分析、经济比较基础上。各地都本着因地制宜的方针选取中 性点接地的方式。我国在过去的几十年中，配网一般都采用不接地或经消弧线圈接 地的方式。长期以来的运行经验证明:上述做法对以架空线路为主的配电网，是十 分适宜的。因线路最多发的是瞬时接地故障，在上述两种接地方式中可以运行 2 h 或更长一点时间，且由于消弧线圈的补偿作用，使故障点的电弧缩小，发生相间短 路故障的机会也相对减少;即使发生短路故障引起线路跳闸，其中大部分属于瞬时 性故障，一般均可借助自 动重合闸的作用，而保证对用户的不间断供电 ( 成功率平 均为7 0 % 8 0 %) 随着城市配电网的高速发展， 网络结构开始发生很大的变化。 特 别是改革开放以来，城市配电网中电缆线路的比例逐年上升，使系统的电容电流数 值大幅度增加;其次是配电网中的谐振过电压频繁出现，曾引起一些电气设备绝缘 损坏和避雷器爆炸等事故:加之有些城市高压架空配电线路在发生一相断线事故 时，由于线路不跳闸，就有可能引起严重的人身触电伤亡事故等。针对以上情况， 有些城市已 先后将部分城市配电网 ( 包括 1 0 , 2 0 , 3 5 k v以电缆为主的)中性点改 为小电阻接地的运行方式，并紧密结合城市电网改造不断扩大应用范围，如北京、 上海、 天津、 广州、苏州、 深圳和珠海等城市， 都己取得了一定的运行经验。总之， 对城市配电网中性点接地方式，过去一律采用不接地和经消弧线圈接地的运行方 式，己不能满足电力事业发展的需要，在一定条件下可根据本地区的实际情况，因 地制宜采用其它接地方式， 寻求新的解决办法， 这是非常必要的。1 9 9 7 年9 月召开 的高压学术年会，对城市配电网中性点接地方式问题进行了热烈认真的讨论，并达 成如下共识:配电网中性点接地方式的选择是具有综合性的技术问题，中性点不接 地、谐振接地、电阻接地各有其优缺点，应结合电网具体条件，通过技术经济比 较 确定。 2 ) :电能计量的发展及现状 华北电力大学工程硕士学位论文 电能计量装置也就是电能表， 我国在5 0. 7 0 年代都是交流感应式电能表; 8 0 - 9 0 年代研制出半电子式及全电子式电能表， 有多功能的电子式电能表， 电卡电能表， 脉冲电能表， 目前电子电能表已经使用。 以上这些都是传统的物理意义上的电能表， 计量的原理都是一样的，有两元件和三元件接线法。现在随着数字测控技术及数字 信号处理技术、计算机技术的发展，电能计量还可以通过软件计算来实现，即专用 的微机型电能计量仪表，也就是基于虚拟仪器实现的电能计量。所谓的虚拟仪器就 是以计算机 ( 通常用工控微型机)外加数据采集等功能模块作为硬件平台，通过执 行专门研制的应用程序来完成各种传统电能计量功能。因而它是功能意义上的仪 表，充分体现了“ 软件就是仪器” 的现代仪表发展要求。它具有强大的图形界面，良 好的扩展性和开放性， 用户就像拥有一台个性化的计算机， 可以根据需要及时更新。 它与传统仪器相比有很大的优势表 1 - 1 列出详细比较表: 表 1 - 1虚拟仪器与传统仪器比较表 传统仪器 虚拟仪器 仪器厂商定义 硬件是关键 仪器功能规模固定 封闭的系统，与其他设备连接受限制 价格昂贵 技术更新慢 ( 周期5 - 1 0 年) 开发维护费用费用高 实现远程测控十分困难 用户自定义 软件是关键 系统功能规模可通过软件修改增减 基于计算机开放系统，可方便与外设相连 价格低，可重复使用 技术更新快 ( 周期一年) 软件结构大大节省开发时间和维护费 能够很好地进行远程测控 1 . 3本文的主要工作 本文的主要研究工作是: ( 1 )研究和分析电力系统中性点运行方式的特点，特别是经小电阻接地系统的特 点及其对供电系统运行的影响; ( 2 )研究和分析两元件和三元件电能计量的特点，分析电能质量对电能计量准确 度的影响; ( 3 )研究经小电阻接地运行方式下系统电能计量的方法; ( 4 )研究采用虚拟仪器技术进行电能质量监测的方法， 发挥虚拟仪器技术的优势， 开发一种多功能的电能质量分析及电能计量的装置。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章电力系统中性点运行方式概述 2 . 1 引言 电力系统中性点接地方式的选择是一项系统性工程，它与电压等级、供电的可 靠性、过电压的水平、保护的配置、及建设投资等都有关系，并直接影响电网的绝 缘水平、系统供电的可靠性和连续性、设备的安全运行及对通讯线路、弱电设备的 干扰。我国电力系统常用的接地方式有四种:中性点直接接地:中性点不接地;中 性点经消弧线圈接地;中性点经小电阻接地。通常按照系统零序阻抗与正序阻抗比 值的大小，上述四种方式又可分为:中性点直接接地和中性点经小电阻接地的有效 接地系统;中性点不接地和中性点经高阻接地的非有效性接地系统;中性点经消弧 线圈接地的谐振接地系统。 2 . 2 中性点直接接地的运行方式 电网中性点接地的方式决定了变压器中性点接地的方式。在直接接地系统，主 要避免产生操作过电压。在发生单相接地故障时，接地短路电流很大，故障线路或 设备须被立即切除，从而保证其他线路设备的正常运行，这显然增加了断路器的负 担，降低了供电连续性，但由于架空线路单相接地故障多为瞬时接地故障，一般均 可借助自 动重合闸的作用， 而保证对用户的不间断供电( 成功率平均为7 0 % 8 0 %) o 同时由于过电压较低，绝缘水平可以下降，减少设备造价，特别是在高压和超高压 电网经济效益显著，故被广泛的应用于1 1 0 k v及以上电网。 变压器的中性点一般是通过隔离开关实现接地，以便于运行调度灵活选择接地 点。变压器停用或充电前，为防止开关三相不同期或非全相投入产生操作过电压， 影响变压器绝缘，必须在停用或充电前，将变压器中性点接地，变压器充电后，接 地方式按正常运行方式考虑，并根据其接地方式做出相应改变。变压器的中性点位 置的选择应保证任何故障形式都不应使电网解列成为中性点不接地系统，凡中、低 压侧有电源的升压站和降压站，至少应有一台变压器直接接地，防止高压侧开关跳 闸， 变压器成为中性点绝缘系统;自 祸变压器其中性点须直接接地或经小电阻接地; 华北电力大学工程硕十学位论文 双母线接有两台以上变压器时，可考虑两台变压器的中性点都接地:变压器中性点 接地点的数量选择上，应使电网所有短路点的综合零序电抗与综合正序电抗之比 即: x o i x , 1 -1 . 5 ，以使单相接地短路电流不超过三相短路电流。 2 . 3中性点不接地的运行方式 实变 中性点不接地的方式是最为简单的接地方式，是中性点非有效接地的一种 际可视为经容抗接地的接地系统，该容抗是由电网中的电缆、架空线路、电机、 压器等所有电气设备的对地祸合电容所组成。 建国以来， 我国的广大城乡配网多采用不接地的方式。 运行经验证明上述做法 对以架空线路为主的配电网，是十分适宜的。由于架空线路易受外力、雷击、树木 和大风等影响而经常造成故障，若为单相接地故障，一般允许连续运行 2 h或更长 一点时间，其中大部分属于瞬时性故障，可以自行恢复。这是不接地系统最大的优 点。其缺点:是接地短路电流在熄弧过程中每次过零时，都会有一个暂时性熄弧过 程，由于电动力和热空气对流，接地电弧电流将被拉长，当弧道绝缘的恢复速度低 于故障相电压的恢复速度时，弧道将再次重燃，直到绝缘的恢复强度足以承受恢复 电压时，电弧才被永久熄灭，故障消除。这种接地电弧电流一般能在几秒到几十秒 内自 行恢复。可随着电网增大，电容电流增大，接地短路电流达到一定值，接地电 弧不能熄灭，会形成永久性故障。同时，接地电弧的暂时性熄灭和重燃都会导致电 网中电磁能量的剧烈震荡，使非故障相的、系统的中性点乃至故障相产生所谓的接 地过电压。过电压的幅值视具体电路参数而定，能达到3 . 5 -4 倍的额定相电压， 会 威胁到设备的绝缘。 中性点不接地系统发生单相接地故障时， 故障相电压下降， 非故障相电压升高， 在最严重的金属性接地故障时，故障相电压为零，非故障相电压升至线电压，中性 点电压不再为零，也升至相电压，系统出现零序电压，为相电压，线电压不变，这 也是能带接地运行的原因。单相接地时，通过故障点的电流是非故障相对地电容电 流之和。电压向量图与c相接地时，接地电流走向见图2 - 1 与2 - 2 0 2 . 4中性点经小电阻接地的运行方式 随着城市配网发展，单纯的采用不接地或经消弧线圈接地的方式已 远远不能适 华北电力大学工程硕十学位论文 应电网安全、稳定运行的要求。电缆出线的日 益增多，设备绝缘老化使得系统的对 地电流也相应的增大， 中性点不接地运行的方式的优点得不到发展， 反而暴露弊端， 在单相接地故障时，形成不易被熄灭的电弧，造成事故的扩大，最为常见的是由单 相接地转为相间故障，最终还是断路器跳闸。另一方面对于电缆出线而言，单相瞬 时接地故障很少，通常均为永久性故障，需要停电检修线路，因而在我国大城市配 网中有采用经小电阻接地的方式。图2 - 3为典型的小电阻接地的方式，及零序等值 电路图。 abc a1 1 al b 图 2 - 1 电压相量图 i c 图2 - 2 c相接地电流走向图 图2 - 3小电阻接地方式典型接线图 c a )中性点接线( b )零序等值电路 小电阻接地方式就是变压器的中性点串联一个数值较小的电阻， 相当于人为的 在变压器的零序阻抗上并联一零序电阻，在故障时，人为的增加故障电流，使断路 器直接作用于跳闸，可以有效地限制和消除弧光接地过电压、断线谐振过电压和铁 磁谐振过电压。当发生弧光接地过电压时， 在熄弧的半波时间内， 中性点的电阻可把 华北电力大学工程硕十学位论文 线路上的电 荷几乎完全泄漏掉， 从而降低了故障相上的最大恢复电压的数值( 不超过 相电 压) ，使电弧重燃不致引起高幅值的过电压。同时也降低了恢复电压的上升速度， 减少了电弧重燃的可能性。 对于铁磁谐振过电压， 由于系统的中性点串接了电阻后接 地， 从根本上改变了谐振回路的参数。 与线路零序电容并接在零序回路中的是变压器 阻抗、小电阻，当发生断线时， 如果断线两侧都不接地或仅负荷侧接地时， 中性点小 电阻都串接在谐振回路中， 从而破坏了谐振的条件。如果断线后电源侧接地， 小电阻 实际上并接在电 源上， 因而不能消除谐振。 但中性点经小电阻接地后能快速切除故障 线路， 过电压持续时间很短， 危险性也大为减弱。显然小电阻接地的运行方式，加剧 了断路器的负担， 现在采用的真空断路器缓解这一问题; 且不能保证供电的连续性， 我们可以通过环网或双电源实现对用户正常供电。 小电阻接地运行的关键问题是电阻值的选取，电阻值的选取应考虑过电压与绝 缘的配合，接地电流水平，继电保护的灵敏度，对通讯的干扰及中性点设备的动稳 定。 过电压一般限制在2 . 5 u x ， 当流过电阻的电流大于等于 1 . 5 倍的电容电流时就可 以实现对过电 压的限制。根据i e e e 标准，单相接地电流应在 1 0 0 i o o o a ，我国具 体情况一般为4 0 0 - i o o o a 。 对通讯线路的干扰主要表现为导致通讯质量下降的杂音 干扰和威胁人身与设备安全的电磁危险，即故障线路在通讯线上的感应电压，一般 u l - 6 5 0 v 。运行经验表明单相接地电流小于i o o o a时对通讯线路的干扰不大。通常 小电阻值的选取可以由单相接地电流来整定，由其他相关限制条件校验。一般电阻 值为 i m -2 0 n . 小电阻接地方式的实现:新建站低压侧直接采用y型接线，有中性点;对旧站 中性点接地方式改造中，在低压 接线上，就需外加接地变压器造成一个中性点， 以加装y o / 0型变压器或曲折变压器即z型来实现人造中性点。图2 - 3 为小电阻接 地的典型接线图。图2 - 4为曲折接线接地变的小电阻接地方式。小电阻材料选择: 一般为铸铁或合金，合金因结构紧凑，在系统中运行较多。 对配电网中性点采用低电阻接地的运行方式时，首先应在以电缆为主的配电网 中实施，应加速对少量架空线改为电缆或绝缘导线;对电缆配电网改造工程中， 应 构建成环网，确保在某一段线路发生故障时，能及时将它切除，或采用双电源以保 证全部用户的正常供电。通过分析小电阻接地运行方式的特点可以看出，它使接地 电流加大，具有对继电保护反应灵敏和运行维护方便等特点，对于供电可靠性相对 较差的不足可以采用其它措施加以解决，安全性降低的问题，我们通常通过选取合 适的电阻值保证接地点的电压限制在安全范围内。因此这种运行方式是配电网的发 展方向， 如北京配电网己经有 8 0 %的接地方式采用小电阻接地， 上海、 深圳、 广州、 珠海也广泛采用此种方式。 华北电力大学丁程硕士学位论文 二 声4 0 |卫|. ibo l o 不 闷卜一 飞 lbo个 ，。 ta 让 礁l .1 r u i 3 1 o ( a ) 接线图 ( b )等值电路图 图2 - 4曲折接线接地变经小电阻接地方式 2 . 5 其它的中性点运行方式 其它中性点运行的方式还有经高阻接地及经消弧线圈的方式。 经高电阻接地实现方法同经小电阻接地一样， 但它们的目的不同。 经高电阻接 地的目的是为了限制短路电流，防止并阻尼谐振，降低间歇性过流、过电压。在工 程中主要用于2 0 0 mw 以上大型发电机回路和部分6 - - - l 0 k v配网，单相接地可以运 行两小时， 应用非常有限。根据i e e e标准， 应限制单相接地短路电流在 1 0 a以下， 过电压在 2 . 5 u x 以下。阻值的确定一般根据运行经验，先确定接地故障电流，再确 定相应阻值，最后 由过电压水平做校验。综合以上条件高电阻的阻值为 r n = u x l ( 0 .5 - 1 .0 ) 1 0 ; i c 为单相 接地时电 容电 流。 通常r n 在1 0 0- 4 0 0 5 2 0 我国规程规定: 对地电容电流大于3 0 a时就应采用补偿装置。 经消弧线圈接地 就是在变压器的中性点串联或并联一个带有铁芯电抗器 抗产生的电感电流将会对接地电容电流实现有效补偿， ，在发生单相接地故障，电 使电弧熄灭。 线圈串联电阻方式。经消弧线圈接地后，大大减少故障点的接地电流 图2 - 3为消弧 ，在投入宽带 补偿装置后， 压的上升速度 还可以将故障点的电流降为零;同时减少电弧熄灭瞬间故障点恢复电 ，使其不易发生电弧重燃;还降低单相接地故障引起的过电压幅值。 华北电力大学工程硕士学位论文 补偿方式有过补偿、全补偿、及欠补偿， 全补偿会发生谐振，系统不允许; 欠补偿 方式， 系统方式变化， 参数相应变化后也易形成谐振， 因而通常采用过补偿的方式。 但在实际应用中，如果对地电容电流很大，补偿量就会很大，投资较大。如方式变 化，不及时调整分头，会出现谐振。因而曾一度因为调谐困难，不再应用。可随着 技术的进步，己研发出的自 动跟踪补偿装置克服了调谐困难的问题，兼有经消弧线 圈接地和经小电阻接地的优点，有着广泛的应用前景。 图2 - 3消弧线圈串联电阻器方式 2 . 6 小结 在本章就系统中性点接地的四种方式进行了一个概括性阐述。分别对其特点及 运用场合、实现方式进行介绍。重点是中性点经小电阻接地的方式。表2 - 1 为常用 接地方式比较表 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 - 1 常用中性点接地方式综合比较表 比较项目不接地 经消弧线圈 接地 电阻接地 直接接 地 单相接地电流很小最 小 高阻 i -i o a低阻 1 0 0 - i 0 0 0 a 最 大 非故障 电压升高 最高j 3 u , t5 3 u x( 0 . 8 -4 3 ) u xj 弧光接地 过 电压 最高4 3 u x低，_ 2 . 5 u x低，_ 2 . 5 u x最低 操作过电压 最高， ( 4 一4 . 5 ) u x _ u 。 与1 , 的 夹 角少 。 表 示的 无功 功率 为: q = 呱几 s in ( 3 0 0 + tp a ) + 叽1 , s i n ( - 3 0 0 + p , ) ( 3 .8 ) 而三相系统无功功率的有效值为: q= u q i . s i n r9 . + u b i b s in rp b + u j i s i n p ,( 3 . 9 ) 同 上， 在 三 相 三 线制 系 统:i o 十 i 十 i = 0 因 此 有: i b = - i o 一 i 整理得: ( 3 . 1 0 ) 带入 ( 3 . 9 ) q , = u bj o s in ( 3 0 0 + v q ) + u . 7 , s i n ( - 3 0 0 + (p , ) ( 3 . 1 1 ) 比较 ( 3 . 1 1 ) 与 ( 3 . 8 ) ， 相同， 可见在三相三线制系统， 采用6 0 0 接线测量无功功率是 准 确的。 在 三相四 线系 统， 参 数 对称的 情 况下: i a + i b + i c = 0 时， 对 无 功电 能的 计 量 显 然也 是 准 确的; 可 如果 参数不 对 称，t o + i n 十 凡 = 3 1 0 ，因 此有几= 3 1 0 一 ( i o + 几 ) ， 带 入 ( 3 . 9 ) 整理得: q . = u b c i , s in ( 3 0 0 + fp a ) + u 1 , s in ( - 3 0 0 + 9 , ) + 3 u . i o s i n a ( 3 . 1 2 ) 其中a 为叮。 和1。 比较 ( 3 . 1 1 )与 ( 3 . 1 2 ) 无功电能的计量是有误差的 华北电力大学工程硕士学位论文 的夹角。 可见相差3 u 6 s i n a ， 及在三相四 现制系统采用6 0 0 接线进 行 3 .2 .2 三元件法的电能计量 三元件法一般用在三相四线制系统，是通过电流、 流、和电压，通过计算从而实现电能计量。具体接线如 电压互感器分别采集各相电 3 - 2: 由如图接线可以看出，其实际测量到有功功率为: p = u p i , c o s op a + u b i b c o s p b + u , 1 , c o s p , ( 3 . 1 3 ) 与理论值相符合，即采用三元件法对有功电能的计量是准确的。由于其采集的是 三相电 压、电流值， 所以不管是三相三线制、还是三相四线制，其有功电能的计量都是 准确的。 三相三线三元 件有功电能表 三相三线三元件 9 0 。 无功电能表 图3 - 2电能计量的二元件接线法 9 0 。 接线测量无功功率，实际有效值为: q= u . i . s in 4p a ) + u b l b s i n 6 + u , i , s i n 4p , ( 3 . 1 4 ) 与理论值相符， 还是三相四线制系统 即采用9 0 0 接线计量无功电量是准确的。不管是三相三线制系统 其无功电能的计量都是准确，这是由它的接线原理所确定的。 华北电力大学工程硕士学位论文 3 . 3电能质量问题概述 电能质量国家标准将电能质量定义为: 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，其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可 靠性、波形失真、三相不平衡以及电压波动和闪变等。在参考i e c标准和i e e e 标 准的基础上结合我国电力系统的实际情况， 我国相继颁布有关电能质量的五项标准: 电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、公用电网谐波、三相不平衡。由电力系统 电源发出就是频率 5 0 h z ，电压是额定电压的正弦波的电。可随着社会工业化程度 的加剧，非线形负荷的增多，正弦波的电力发生了很大的畸变:电压、频率偏差过 大、波形非正弦。 1 ) :电压偏差 电压偏差:供电系统在正常方式下，某一节点的实际电压与系统额定电压之 差对系统额定电压的百分数。其数学表达式 8 u = 竺 卫 三 x 1 0 0 % u n ( 3 . 1 5 ) s u为电 压偏差;u ,r 为实际电 压;叽为额定电 压。 电压偏差产生的原因是系统无功功率的不足。下面以供电线路为例说明电压 损失与系统无功功率的关系。 u ， 为首 端电 压，u 2 末端电 压 负载的视在功率为s i 末 端电 流， 设仇 = u l 0 0 二 p 1 j= u , i p 一 j q u 2 ( 3 . 1 6 ) ( 3 . 1 7 ) 矶 线 路的电 压降 u 为: a u = 认一 仇= j ( r + j x ) ( 3 , 1 8 ) ( 3 . 1 7 ) 代 入 ( 3 .1 8 ) 有 口 一 型 匕 丝一 u 2 + j p a ， 一 q r u 2 ( 3 . 1 9 ) 纵向 分量 u = p r 十 q x u 2 ( 3 . 2 0 ) 横向 分 量 a 氏 = p x一 q r u 2 ( 3 . 2 1 ) 当u 。 与 u 2 夹角 较小 时， 可以 忽 略功; 一 般 在高 压电 网， 输电 线 截面 较大， 华北电力大学工程硕士学位论文 x r , 所以无功功率县对电压损耗影响较大， 有功功率对其影响小，即无功功 率是造成电压损耗的主要原因，同时电压的损耗是与回路的参数有关。因为线路或 变压器传输的功率是变化的，所以电压偏差也是随时间变化的。 图3 - 3 :电压偏差相量图 因为线路、变压器的电抗值远大于电阻值， 所以线路、 变压器的无功损耗比有 功损耗大得多， 要想维持负荷的电压水平， 必须供给相当于该电压水平的无功功率。 从根本上说要维持整个系统的电压水平， 就必须有足够的无功电源来满足系统对无 功功率的要求和补偿无功功率的损耗， 如果不足，就会使整个电网的电压处于低水 平状况。系统的无功电源主要有:发电机，调相机、静止补偿器、并联电容器。运 行电压过低最终可能导致电网电压的崩溃。一般 1 k w 的有功负荷需要 0 . 5 5 0 . 6 5 k v a r 的无功补偿。规程规定允许电压偏差:2 2 0 v单相供电电压 十 7 % - 1 0 %; 3 5 k v及以上正负偏差的绝对值之和不超过 1 0 %, ; l o k v及以下允许士 7 %; 用户允许 偏差士 1 0 %. 2 ) :电压波动和闪变 电压波动和闪变也是衡量电压质量的参数。电压波动为电压方均根值的两个极 值u m a 、 与u m i。 差i j 。可以说工频电压是载波， 波动电压是调幅波。闪变是选白炽 灯的工况作为判断电压波动值是否被接受的依据。 波动和闪变主要是由用户波动性 负荷引起，包括周期性和非周期性波动。其中周期性和接近周期性的波动性负荷对 闪变的影响更大。波动性负荷在系统阻抗上将引起电压降的波动，当负荷波动时， 系统功率和阻抗越大，导致的电压波动越大:电压波动，其伏秒面积越大，所引发 的闪变干扰越大;电压波动的重复频率在 5 -1 2 h z所引发的照明闪变最为严重。 p o 定义为短时间闪变严重度，是一个统计值。当p, 0 ， 说明u* 和j 。 的 夹 角 在 一 9 0 度 到正9 0 度 之间 ， 则 出 现 负 误 差， 此时 两 表 法少 计 量了 电 能; 如 果c o s a 0 ， 说明u 。 和1 。 的 夹 角 在9 0 度到正2 7 0 度之间，则出 现正误差， 此时两表法多计量了电能。 2 , ( 4 .9 ) 式说明， 误差的大小与零序电流的大小成正比， 零序电流越大， 误差越大; 零序电 流越小， 误差越小。 3 、 考 虑到 系 统 不 对 称的 最 严 重 情况 是 在出 现 单 相 接 地时， 假设i o = i 1 3 , c o s a = 1 , 此时的 最大误差y _%- 1 4 可见， 零序电流对电能计量的影响体现在两个方面:一个是零序电 流的大小， 一个 是零序电流的方向 ( 即角度) 。 零序电 流的幅值大小影响三相功率和电能计量误差的幅值误差， 即影响计量误差的 绝对值的多少;零序电流的角度 ( 方向) 影响计量误差是正还是负，即采用两元件法 可能少计量，也可能多计量。 据文 献 1 介绍， 通过实际 测量， 对不完 全对称的 三相四 线制系统， 同 时 采用两 元件 和三元件法计量功率和电能，采用两元件法计量有功功率时的误差为负的几率为 7 6 .9 %，说明多数情况下系统少计量了电能，它给供电企业产生了相当大的经济损失。 据文献 2 介绍，与上述条件类似， 采用两表法产生的计量误差在t ( 0 ,5 - 7 . 8 ) % 之 间，说明两表法产生的计量误差是很大的。 华北电力大学工程硕士学位论文 4