第4章 电压波动与闪变.pdf

1 第四章 电压波动与闪变第四章 电压波动与闪变 一 均方根值电压的变动特性 凡不保持电压均方根值恒定不变的现象 或者说 实际电压偏离系统标称电压的现象统称为电压变动 一 均方根值电压的变动特性 凡不保持电压均方根值恒定不变的现象 或者说 实际电压偏离系统标称电压的现象统称为电压变动 Voltage RMS Change 第一节 基本基本概念 1 2 0 1 N RMSk k Uu N 式中 N 式中 N 一个周期内的采样点数一个周期内的采样点数 第k点的电压瞬时值 注意均方根值电压与瞬时值电压值的区别 第k点的电压瞬时值 注意均方根值电压与瞬时值电压值的区别 k u 电压变动值以标称电压的相对百分数来表示 即 12 100 100 NN UUU d UU 电机启动引起的电压变动 电机启动引起的电压变动 a 电压均方根随时间变化曲线 电压均方根随时间变化曲线 b 典型电压变动特性 典型电压变动特性 稳态电压均方根值与额定电压之间的差为稳态电压变动值 相对稳 态电压变动值 变动过程中相邻两点极值电压之差为动态的电压变动值 相对动 态电压变动值 相对最大电压变动值 100 c c N U d U 100 d d N U d U max max 100 N U d U 国际电工委员会 IEC 规定 在低压民用电力网 中 相对稳态电压变动值应不超过3 相对动态 电压变动值超过3 的持续时间不应超过200ms 相对最大电压变动值应不超过4 c d d d max d 二 典型电压变动现象二 典型电压变动现象 1 电压偏差电压偏差 电压均方根值的相对缓慢变动 也称为长期电压变动 Long duration variations 或稳态电压变动 2 电压波动电压波动 公共连接点电压在短时间里急剧变动 并且明显偏离标 称电压值 IEEE中给出的典型电压波动范围为0 1 7 变化频率小于25Hz 相对电压偏差而言 电压波动也称为快速电压变动 或动态电压变动 电压波动取值可以表示为 maxmin 100 N UU d U 2 3 电压暂降与暂升电压暂降与暂升 电压暂降 短时欠电压 电压迅速下降 后随即回 升 恢复至标称电压的允许范围 其典型持续时间为 0 5 30周波 下降幅度为标称电压的90 10 电压暂升 暂时过电压 电压骤然升高 后随即下 降恢复到标称电压允许范围 4 短时电压中断短时电压中断 端电压迅速下降 其均方根值跌至小于0 1p u 经过 一段时间重新恢复供电电压至标称电压允许范围 这一过 程称为一次短时间电压中断 5 长时间电压中断长时间电压中断 供电电压迅速下降跌至零且长时间不能恢复的现象 也泛称为断电 是电压变动的一种极端情况 变化型变化型 电压偏差 欠电压和过电压 电压波动等 偶然事件型偶然事件型 电压暂降和暂升 电压中断等 第二节 电压波动第二节 电压波动 一 电压波动一 电压波动 Voltage Fluctuation 的含义的含义 电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象 电压波动图形可整合为四种形式 一系列电压波动中的相邻两个极值之间的变化称为 一次电压波动 a 周期性等幅矩形电压波动b 一系列不规则时间间隔阶跃电压波动 c 非全阶跃式可明显分离的电压波动d 一系列随机的或连续电压波动 电压波动图形示意电压波动图形示意 a 相对电压变动特性 b 调幅波变化曲线 波动电压对工频电压的调制波动电压对工频电压的调制 a 电压波动调制示意图 b 正弦调幅波电压波形 单位时间内电压变动的次数称为电压变动频度r 一般以时间的倒数作为频度的单位 电压由大到小或由小到大的变化各算一次变动 同一方向的若干次变动 如果间隔时间小于30ms 则 算一次变动 连续电压波动的频度为调幅波基波频率的2 倍 即 F f 2 s 260 min F F rf rf 次 或次 电压波动的原因 配电系统发生的短路故障或开关操作 无功功率补偿装置 大型整流设备的投切 功率冲击性波动负 荷的工作状态变化等 波动性负荷是引起供电电压波动的主要原因 波动性负荷是引起供电电压波动的主要原因 波动性负荷可分为两大类型 1 由于频繁启动和间歇通电时常引起电压按一定规律 周期变动的负荷 例如 轧钢机和绞车 电动机 电焊机等 二 波动性负荷对电压特性的影响二 波动性负荷对电压特性的影响 2 引起供电点出现连续的不规则的随机电压变动的负 荷 例如 炼钢电弧炉等 电压波动值的简化计算方法 电压波动值的简化计算方法 1 三相平衡负荷三相平衡负荷 电压波动量计算式 N U QXPR U 00 工程用计算公式 00 2 100 N RPXQ d U 可简化为 100 d Q d S 电压波动值与负荷的无功功率变动量 Q成正比 与公共连 接点的短路容量成反比 d S d A N S S U U d 3 3 其中 为PPC处的短路容量 为负荷容量 视在功率 的变化量 d S A S 三相平衡负荷的供电系统简化单线图三相平衡负荷的供电系统简化单线图 3 2 接于二相间的单相负荷 接于两相间的单项负荷的供电系统简化电路图 接于二相间的单相负荷 接于两相间的单项负荷的供电系统简化电路图 B相电压变动值d的计算公式 3 2 BA Nd US d US A S 为负荷功率变化量 3 单相负荷单相负荷 电压波动d的计算公式 d A N S S U U d 3 单相负荷的供电系统简化电路图单相负荷的供电系统简化电路图 表中公共连接点标称电压等级划分为 1 低压 LV 1kV 2 中压 MV 1kV 35kV 3 高压 HV 35kV 220kV 对于随机性不规则的电压波动 国标规定依据95 概 率大值 电压波动的限值为 1 HV 1 5 2 MV 2 0 3 LV 2 0 三三 电压波动限值电压波动限值 11 25100 r 10002 53r 10 1 52109Hz时 R f 约等于常数1 27 说明矩 形波谐波分量比其基波对闪变影响要小 R f 1 即在相同的频率下 矩形电压波动比正弦电压 波动对闪变的影响更严重 S t 1觉察单位的电压波动与频率的关系图觉察单位的电压波动与频率的关系图 5 二 闪变视觉系统模型二 闪变视觉系统模型 通过对电压波动的响应特性 人眼的感光反映能力和大 脑的记忆存储效应的近似数学描述 得到人的视觉系统模 型 即闪变的灯 眼 脑反应链传递函数 以实验获得的视感度频率特性为基础 通过对K f 曲线 的数学逼近和描述 12 22 134 1 2 1 1 K ss K s ssss 式中 K 1 74802 2 4 05981 2 9 15494 2 2 27979 2 1 22535 2 21 9 1 2 3 4 第四节 闪变的评估方法 一 电压波动与闪变的起因和危害 电压波动 一方面是由于各种类型的大功率波动性 负荷投运引起的 另一方面也会由于配电线路短时间承 载过重 而且馈电终端的电压调整能力很弱等原因 难 以保证电压的稳定 造成电压干扰的负荷主要有 电弧炉 轧钢机 电 力机车 电阻焊机以及高功率脉冲输出的电子设备等 家用电器和小功率设备也会引起局部电压波动 电压波动与闪变的危害 1 引起照明灯光闪烁 降低了工作效率和生活质量 2 使电视机画面亮度频繁变化以及垂直和水平幅度摇 动 3 造成电动机的转速不稳定 影响产品质量 严重时 危及设备本身安全运行 4 对电压波动较敏感的工艺过程或实验结果产生不良 影响 5 导致电子仪器和设备 计算机系统 自动控制生 产线以及办公自动化设备等工作不正常 或受到 损坏 6 导致以电压相位角为控制指令的系统控制功能紊 乱 致使电力电子换流器换相失败等 波动性负荷还会产生大量的谐波和负序分量 二 闪变水平评估与干扰限制值 在电力输配电过程中 既要限制电压波动也要限制 闪变 并且将限制发生闪变干扰放在首位 UIE IEC建议在进行闪变监测时 对于运行周期时间 较长的波动性负荷 如电弧炉 一般用短时间闪变值短时间闪变值和 长时间闪变值长时间闪变值两个指标作为闪变严重度的判据 分别用 来确定一段时间 1 15min 的闪变强弱和整个工作周 期 1h 7天 的闪变严重度 并且给出了闪变评价的数 学方法和测量方法 1 短时间闪变水平值 在观察期内 如取典型值10min 对瞬时闪变视 感度S t 作递增分级处理 标准规定分级应不小于64 级 并计算各级瞬时闪变视感水平所占总检测时间长 度之比 也称为时间 水平统计 可获得概率直方图 进而采用IEC推荐的累积概率函数 CPF 即水平分级 状态时间计算法 对该段时间的闪变严重度作出评定 6 S t 分 级 计 时 示 例 分 级 计 时 示 例 S t 统计 计时 概率 分布 直方 图 统计 计时 概率 分布 直方 图 观察10min内等间隔采样时间得到的15000个数据所描述的瞬时闪 变视感度S t 变化曲线 将该变化曲线分为10级 对每级的时间总和进行计算 得到每级 瞬时闪变视感水平所占总检测时间长度之比 可给出概率直方图 对概率分布直方图进行累加计算 可以得到累积概率函数 CPF 图形 S t 累计 概率 函数 曲线 累计 概率 函数 曲线 S t 统计 计时 概率 分布 直方 图 统计 计时 概率 分布 直方 图 研究表明 对于不同类型的供电电压干扰采用 多点测定算法可以更准确地反映闪变的严重程度 通常用5个概率分布测定值计算出短时间闪变 平滑估计值 表示实际检测到的短时间闪变水平严 重度 其近似计算公式为 式中 K0 1 0 0314 K1 0 0525 K3 0 0657 K10 0 28 K50 0 08 0 10 11t PKPK PK PK PK P 其中5个测定值分别为10min内S t 超过 0 1 1 3 10 50 时间的觉察单位值 当S t 不随时间变化时 0 1131050 PPPPP 0 1131050 PP P PPS t 0 5096 0 714 st PS tS t 2 2 st S tP 短时间闪变值适用于对单一闪变源的干扰评价 对于多闪变源的随机运行情况 或者工作占空比不定 且长时间运行的单闪变源 必须做出长时间评价 2 长时间闪变水平值Plt 长时间闪变的统计时间需在1h以上 国标中规定 为2h 在2h或更长时间测得并作出的累积概率统计曲 线 CPF 中 将瞬时闪变视感度不超过99 概率的短 时间闪变值Pst 用符号Pst 99 表示 或超过1 时间的 Pst 用符号P1表示 作为长时间闪变水平值Plt 即 Plt Pst 99 P1 在实际处理时 长时间闪变值还可根据具体情 况 分别利用4种不同的计算方法来处理 1 仍利用长时间CPF进行多点计算和分析 7 2 有些专家主张以95 概率代替99 概率 以放 宽对电能质量的要求 使之更符合实际 即 并利用由大型电弧炉在其供电点的实测数据总结的 经验公式作简化计算 3 对于电弧炉等类型的负荷所引起的闪变 至 少需观测一星期才能作出全面评定 在整个闪变观 测结束时方能给出和两项指标 具体处理时可在每 天保留的Pst中取出第三大值Pst 3max作为Plt值 95 99 99 95 0 81 25 stststst PPPP 或 95 5ltst PPP 4 UIE IEC推荐的计算式与上述算法不同 它 规定对于已顺序测得的N个10min短时间闪变值数 据 长时间闪变值可由这N个的立方和求根得到 例如在2h监测期间 每隔10min测一次 可得N 12个值 即 因此在闪变评估时 首先要根据被测对象的工 作周期确定长时间设定值 并且使得 longshort TnT 3 3 1 1 N ltst k k PP N 12 3 3 1 1 12 ltst k k PP long T 3 多波动性负荷总干扰的评价 若同一供电电源连接点有多个波动性负荷 总干扰评价通常采用立方求和定律计算 即 以及 3 3 stst j j PP 3 3 ltlt j j PP 4 闪变干扰限制值 1 各级电压水平闪变限值 为了降低波动性负荷对供电电压质量的影响 许多工业发达国家和一些大型电力公司陆续制定了 电压波动和闪变的标准 我国2000年重新修订并发布了GB12326 2000 电能质量 电压波动和闪变 0 60 7 0 8 0 8Plt 0 80 9 1 0 1 0Pst 高压 HV 中压 MV 低压 LV 系统电压等级 2 闪变限值的补充说明 1 闪变干扰的传递 高电压级出现的闪变干扰传递到与之相连的配电系统 的中 低电压级 传递系数等于0 8 1 而中 低电压级的 闪变干扰传递至高电压级的作用可以忽略 传递系数等于 0 同电压级相邻母线间的闪变干扰传递作用 一般需要 计算机程序计算 2 闪变的兼容值和允许值 闪变兼容包括两个指标 闪变允许值和闪变兼容值 前者是负荷设备产生闪变干扰的限值 后者是指受到闪变 干扰的设备的安全限值 3 国家标准与IEC标准的不同 5 单位闪变曲线 由实测获得短时间闪变水平值Pst 通过适当的数学 处理 可得到长时间闪变水平值Plt 进而用这些实测数 据对照闪变限制值来评价电压波动与闪变的严重度 由信号的波形相似性原理可知 对于任一规则波形的 电压变动在观察其响应时可以用冲量相等的阶跃电压波动 等值替换作分析 这样可以引入等值电压变动波形系数 用解析法来分析等值阶跃电压波动问题 8 当Pst1 3时 灯 光闪烁使人感到很不舒服 为此IEC推荐Pst 1作为低压 供电的短时闪变限制值 称为等值阶跃电压的单位闪变 Unit Flicker 它表示在标准实验条件下 60W 230V钨 丝灯 对于周期性矩形电压波动被实验总人数中80 的 人有明显刺激性视觉感受的闪变强度 矩形电压波动单位闪变曲线 矩形电压波动单位闪变曲线 描绘了在闪变 限值临界条件下相对电压波动和电压波动频度的 关系 矩形电压波动单位闪变曲线矩形电压波动单位闪变曲线 三 闪变严重度简洁预测算法 由于波动性负荷自身的特性 例如炼钢电弧炉的 运行电流剧烈变化 决定了其供电电压极不规则的随 机变化 因此很难对由此产生的闪变作出可靠的计算 国际上普遍采用UIE IEC推荐的闪变测算方法进行实际 检测和评价 电力科技工作者经过多年研究和大量时间调查 并通过对单位闪变曲线特性的分析 提出了采用简化 的预算方法来模拟该曲线 特别是对于典型规则电压 波动 将其乘以波形系数F就可以折合成相应同频率变 化的单一等值阶跃电压波形 闪变预测法和等值预测方法 1 利用单位闪变曲线估算Pst 通过大量实验 可得到矩形电压波动引起闪 变的重要结论 对于同一频率的电压波动 电压 波动相对值d越大 其产生的短时间闪变水平值 Pst也越大 且在大部分频率段呈线形关系 计算方法 计算方法 当已知典型波形的电压波动相对值ddx和变动频率r 时 从各类波形电压波动图中查出波形系数F 计算出 折合成的等值阶跃电压相对变动值d Fddx 由单位闪变 曲线查出r对应的电压波动相对极限值dlim 则短时闪变 值为Pst d dlim 2 等值闪变严重度Ast计算 若已知电压相对变动值d 或根据供电母线和连接 负荷的电参数 利用负荷电压波动简化计算公式估计电 压波动大小 可计算出基于求Pst的方法的等值闪变严重 度Ast 计算步骤 1 闪变时间 tf 2 3 dF 2 短时等值闪变严重度Ast tf 10 60 3 长时等值闪变严重度Alt tf 120 60 4 短时和长时闪变值 3 10min f st t P 3 120min f lt t P 9 5 短时等值闪变严重度Ast和短时闪变值Pst的 转换关系式为 或 在采用上述等值计算方法的国家 其国家标准 一般在采用IEC制定的电磁兼容水平和规划水平的同 时 还给出等值闪变严重度考核指标用于检验电力 系统的电压质量 3 ststPA 3 st stAP 第五节 电弧炉用电特性分析 交流电弧炉是供电系统各类功率波动性负荷中 对电压特性影响最大的负荷 其中炼钢用电弧炉比 其他用途 如生产磷化物 冶炼硅钢等 的电弧炉 对供电电压的干扰更大 炼钢用交流电弧炉对供电系统产生的不利影响 主要包括有功功率和无功功率冲击性快速变化引起 的电压波动和闪变 电弧电阻的非线性导致的电力 谐波畸变 以及三相负荷不对称带来的供电系统动 态不平衡干扰等 一 电弧炉的基本参数和运行周期 普通交流电弧炉的冶炼周期约为3 8h 具体 时间取决于供电电压高低 电弧炉容量和冶炼材 料及其工艺 通常电弧炉的供电电压为110KV或 35KV 二次侧电极间电压的典型值在100 600V之 间 电弧炉消耗的无功功率很大 且无功功率变 化率也大 在电极短路时功率因数约为0 1 0 2 在额定运行时约为0 7 0 85 电弧炉的运行周期包括三个阶段 熔化 期 氧化期和还原期 电弧炉运行周期示意图电弧炉运行周期示意图 二 电弧炉运行的电气特性 电弧炉的电气特性如下 1 消耗的功率强烈而快速 且出现随机性变化 2 电能质量下降程度最大和时变性最强的时刻发生 在熔化期 3 氧化和还原的精炼期电压波动和谐波含量显著降 低 4 电能质量的性质和电能质量下降的程度随熔化期 运行条件的不断变化而有所不同 取决于电弧炉 的容量和类型 熔化材料的成分和性质 电弧炉运行引起的电能质量冲击 电弧炉运行引起的电能质量冲击的因素包括 1 大电流电感支路 2 在电极与熔化的炉料间燃烧的电弧 使电能质量降低的更主要原因是三个自由燃烧 的大电流电弧 10 第六节 电压波动和闪变的测量 电压波动和闪变的测量是与它们的评估标准 紧密相连的 经国际电工委员会和有关技术委员 会协调统一 闪变的测量仪器逐渐走向规范化和 标准化 目前国际上有代表性的三种原理类型的闪变 测量仪器 如日本的 V10闪变仪 英国的ERA 电弧炉闪变测量仪和由IEC和UIE推荐的闪变仪 目前我国电能质量标准中关于电压波动与闪 变的部分已经与IEC国际标准接轨 一 电压波动的同步检测法 常用的电压波动检测方法有整流检测法 有效 值检测法和同步检测法 IEC推荐的闪变测量方法是同步检测法 为检测出电压波动分量 通常将电压波动看成 以工频电压为载波 其电压的均方根值或峰值受到 以电压波动分量作为调幅波的调制 为检测出电压波动分量 通常将电压波动看成 以工频电压为载波 其电压的均方根值或峰值受到 以电压波动分量作为调幅波的调制 对于任何波形的调幅波均可看作是由各种频率 分量合成 为使分析简化而又不失一般性 我们可 以分析仅含单一频率的调幅波对工频载波的调制 调制波解析式的一般表达式为 式中 工频载波电压的幅值 V 工频载波电压的角频率 Hz 调幅波电压 V 调幅波电压的角频率 Hz cos mFN u tUvtt m U N F vt F 若调幅波电压为单一频率的正弦波形 则有 式中 m称为调制指数 要求m 1 否则将出现包络线畸变 cos FmF vtVt 1coscos1coscos m mFNmFN m V u tUttUmtt U m m V m U 调幅波电压幅值 载波电压幅值 按照IEC推荐的同步检测方法 将调制波 电压自乘求平方 得到 22222 2222 222222 2 22 1 2 coscoscos 11cos2 2222 cos2cos2 cos 488 cos 2 cos 2 co 2 s 2 mFFN mm N mmm FNFNF mm NFNF mF u tUmtmtt UUmm t U mU mU m ttt U mU tt U mt 调制波电压的平方项除了有直流成分外 含 有以下频率分量 利用0 05 35Hz的带通滤波器滤除其中的直 流分量和工频及以上频率的分量 并且考虑到 由于实际上的调制指数 存在的调幅波电压的倍 频分量幅值远小于调幅波的幅值 可忽略不计 因此 滤波后便可实现解调 NNN 222 2 FFFF 11 获得近似加权的调幅波电压 即 已知相对电压变动值d 并且假定调幅波为正弦 函数波形 则有 得到用相对电压变动d参数表示的表达式 2 cos cos mFmmF v tmUtUVt 1 2 22 2 m m N V V md UU 22 cos0 35cos mFmF v tmUtU dt 二 IEC闪变测量环节分析 为了使电压波动与闪变的测量方法与标准一致 并且使各仪器 制造厂家生产的闪变仪测量结果具有可比性 UIE 国际电热协 会 1982年给出了闪变测量的推荐方法 1986年IEC又在此基础上制 定了闪变仪器的功能和设计规范 IEC给出的闪变测量环节 总体上分为三部分 1 电压输入适配调整 2 模拟视觉系统模型 灯 眼 脑反应链频率响应特性 3 瞬时闪变视感度的统计分析 闪变闪变仪仪的的简简化原理化原理框框图和仿图和仿真真波形波形 框1为输入级框1为输入级 包括两个主要部分 输入电压适配器输入电压适配器 用于将输入的被测电压信号 调整为适合仪器内部参照水平的电压数值 这一 功能可通过输入变压器分接头调节或自动量程切 换放大器实现 自检信号发生器自检信号发生器 用来产生标准的调制波电压 作为仪器的自检与标定信号 框2模拟灯的作用和特性框2模拟灯的作用和特性 通过平方解调器平方解调器分离出与调幅波幅值成比例 的电压波动量 该量反映了灯照度变化与电压波 动的关系 可采用被测信号自乘求平方来实现 框3模拟人眼的视觉频率选择特性 框3模拟人眼的视觉频率选择特性 两个级连滤波器 即带通滤波器和视感度加权滤波器 以及一个测量范围选择器构成 带通滤波器带通滤波器的功能是消除平方解调后电压信号中的直流分 量和载波倍频分量 视感度加权滤波器视感度加权滤波器模拟人眼视觉系统在白炽灯受到正弦电 压波动影响下的频率响应 即由实验得到的觉察率为50 的闪 变视感度 频率特性 即按照幅频特性对视感度频率范围内 的调幅波信号分别取不同的加权系数 如对应8 8Hz调幅波信 号 其增益为1 其它频率信号的加权系数都小于1 带通滤波器的通频带为0 05 35Hz 具体设计时 采用一阶高通滤波器抑制直流分量 并采用截至频率为 35Hz的6阶巴特沃斯低通滤波器滤除载波工频成分及其以 上的频率分量 一阶高通滤波器的传递函数为 20 05 1 c c c s HP s s 12 六阶巴特沃斯低通滤波器六阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为 式中 加权滤波器加权滤波器即为觉察率为50 的闪变视感度 频率特性的 具体实现 65432 lp a Hs sbscsdsesfsa 6 219 91 a 848 85b 360768 64c 3 9 14 219 91 d 4 7 46 219 91 e 5 3 86 219 91 f 12 22 134 1 2 1