电能质量研究论文.doc

摘 要电能质量有多个指标，电能质量 公用电网谐波是其六大标准指标之一。本论文从电能质量的概念出发， 分析了缙云电网谐波现状，介绍了影响缙云电网的谐波源。论述了减少谐波产生的机会、减小谐波对电网影响措施。提出加强谐波治理，保证电网安全和电能质量，同时降低设备能耗，是供用电双方共同的责任。关键词：电能质量，谐波治理，措施，提高 前 言电能既是一种经济实用，清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是一种由电力部门向电力用户提供，并由供用电双方共同保证质量的特殊产品。随着工业规模的扩大和科学技术的发展，国民经济各部门的用电量不断增加，电气化程度越来越高，新工艺、新技术广泛应用于工业生产和人民生活的各个方面，越来越多的用户采用了性能好、效率高但对电源特性变化敏感的高科技设备，电力用户对电能质量的要求在不断提高。与此同时，许多新型的电气设备在其运行中会向电力系统注入各种电磁干扰，对电力系统的安全运行和用电设备的正常工作造成的危害与影响不断增加，电能质量问题日益突出，引起了供电部门和广大电力用户的普遍重视。第一章电能质量概述1.1电能质量基本概念在现代电力系统中，电能质量这一技术名词涵盖着多种电磁干扰现象。但由于工业领域的各个行业对电能质量认识上的不同和使用名词上的不统一，长期以来人们在描述各种各样电压和电流干扰电力供应及电气设备正常工作的电磁现象时，所提出的专业名词的含以上很不准确，使用很不规范，严重影响了电能质量工作的开展。如，“电能质量”在英文用词方面有人使用“Electric Power Systems Quality”,有人使用“Quality of Power Supply”等。1968年，一片关于美国海军电子设备用电源规范要求的研究论文最先规范使用了“Power Quality”这一专业术语。与此同时，前苏联等国家也开始使用“Voltage Quality”,用来反映电压复制的缓慢变动和电源实际频率与理想频率的偏差。后来，越来越多的研究者表现出对电能质量或电压质量的关心，电气工程界在关于电能质量问题应采用规范的技术名词上逐渐趋向一致。国际电气电子工程师协会（IEEE）标准化协调委员会正式通过采用“Power Quality”术语的决定。我国国家标准中已正式更名采用国际通用的英文名词。随着人们对电能质量现象认识的不断提高和科学技术的广泛交流，电能质量领域的技术术语正在不断充实和完善2。迄今关于电能质量的定义概括起来主要有以下三种：(1) 合格的电能质量是指，提供给敏感设备的电力和为其设置的接地系统均适合于该设备正常工作。(2) 造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题，其表现为电压、电流或频率的偏差。(3) 电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当时恒定频率和恒定幅值的正弦波形电压与连续供电。由此看出，电能质量也可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差。电压偏差、电压波动和闪边、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等1.2电能质量的分类(1) 对于电能质量现象可以根据不同基础来分类，主要有瞬变现象、短时间电压变动、长时间电压变动、变压不平衡、波形畸变、电压波动、工频变化七类现象。(2) 按照电能质量扰动现象的两个重要表现特征-变化的连续性和事件的突发性为基础分为两类。其中变化性的重要特征表现为电压或电流的幅值、频率、相位差等在时间轴上的任一时刻总是在发生着小的变化；事件型的重要特征表现为电压或电流短时严重偏离其额定值或理想波形。迄今为止对电能质量的分类仍存在着由于定义不同引起的类别区分界线不很清晰和由于分类方法不同产生的技术名词不统一等问题。1.3电能质量标准指标电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理，推广电能质量控制技术，维护供用电双方合法权益的法律依据。近几十年来，许多工业发达的国家已经制定和颁布实施了比较完备的电能质量系列标准，并且随着工业经济国际化发展，各国制定的电能质量标准正与权威专业委员会推荐标准靠拢。我国从20世纪80年代初到2001年，国家技术监督局也先后组织制定并颁布了下列六项电能质量国家标准：供电电压允许偏差 (GB12325-90)、 电压波动和闪变 (GB12326-2000)、公用电网谐波 (GB/T14549-93)、三相电压允许不平衡度 ( GB/T15543-1995)、电力系统频率允许偏差 (GB/T15945-1995) 、暂时过电压和瞬态过电压 ( GB/T18481-2001)。国家标准中所确立的各项电能质量的指标反映的是电能质量问题严重程度，从某种意义上说只能作为电能质量的技术指标或计划指标，而非评估指标。从现有的国家标准来看，我国的电能质量标准体系还很不完善，如有些指标已经是工业生产中继续提出的，但目前没有作出必要的规定，缺少相应的检测推荐方法和测量精度等的规定，有些指标的科学性和可操作性差，而且缺少完整的技术知道和行业规程和导则。因此，建立全面的电能质量标准体系仍然有大量工作去展开.第二章 缙云县电网谐波现状分析2.1缙云电网谐波主要来源2.1.1中频炉设备是我县电网谐波的主要来源中频炉是一种将工频50HZ交流电转变为中频（300HZ以上至1000HZ）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流. 这种涡流同样具有中频电流的一些性质，即，金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动要产生热量广泛用于有色金属的熔炼，主要用在熔炼钢、合金钢、特种钢、铸铁等黑色金属材料以及不锈钢、锌等有色金属材料的熔炼，也可用于铜、铝等有色金属的熔炼和升温，保温，并能和高炉进行双联运行对我县负荷进行分析发现，主要的原因是铸钢、阀门等工业发达，中频炉作为一类高效的加热源已经非常普及。中频炉是工频电流整流后再变为中频，再利用电磁感应来熔炼金属，因此产生大量的高次谐波，其中以5次、7次、11次等奇次谐波为主。这正是我县谐波的主要来源。2.1.2用户变压器群是我县谐波的重要来源在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波.在工业用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电力变压器产生谐波主要由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。谐波的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。一般情况下，三相变压器由于铁芯为“日”形状，中相比边相要短一半，因此，三个磁路的不对称引起变压器励磁电流中含有谐波分量。所以当对空载三相变压器加电压激励时，即使受电侧没有零序电流通路（中性点不接地或三角形接线），励磁电流中也会有谐波分量。虽然在实际运行时，这个谐波分量很小，但由于变压器绕组接法以及各绕组和电网各相的连接统一规定时，则各台变压器励磁电流里的同次谐波彼此叠加，形成了电网中谐波的又一重要来源。例如，在绝大多数配变中，都是Y，yn 接线，变压器的中间的铁柱对应的线圈即中相接的都是B相，这样的统一接法，就为3、5、7等次谐波提供了一个分别互相叠加的条件。2.1.3谐波的其他来源事实上，谐波还有其他的来源，各类生产用电如电镀、电泵等，生活用电中如电视机、电脑、荧光灯等采用开关电源或其他电力电子技术的装置，单独来看，所产生的谐波非常微小，但是由于其数量的极其庞大，也是不可忽视的一部分。谐波对电网中的电气设备有着严重危害，而且有愈演愈烈的趋势，通过对上半年我县的电网运行现状的分析发现，电网设备和用户设备受用户谐波源的影响增大，设备受损现象日益增多：今年我县电网接连发生由谐波引起的设备故障：陶滩变滤波装置中5次滤波的C相电抗器烧坏，B相也有过载的痕迹，整组滤波补偿装置被迫停运近50天；110kV里隆变的补偿电容器发出异常声响；东方变电容器保护熔丝经常性烧断；还发生了多起不明原因的10kV配变、计量箱、电缆烧毁或爆炸等事故；0.4kV总保、补偿电容开关经常性跳闸，电容器短期烧毁等。 谐波除了对电网中的电气设备造成损害外，对用户自身设备损害程度同样很大，上半年我局参于处理的故障就有11起，主要故障为高压计量柜损坏、变压器故障、低压总柜开关故障、高压电缆损坏等。通过对谐波潮流的分析，治理谐波工作必须从源头抓起，这些源头就是谐波源用户。2.2谐波对缙云电网影响 2.2.1对电网运行危害目前，对公用电网影响最为严重得是谐波源是电弧炉、中频炉、电焊机等非线性用电设备。大量中频炉、电弧炉得使用产生了大量得谐波电流，它们注入电网后，造成了电压正弦波形畸变。缙云县一些变电所10KV母线电压畸变率最大得高达21%，给电网安全稳定运行和电能质量带来了很大的危害，成为污染电网得危害。谐波引起公用电网局部得并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，对电网安全运行造成严重危害。2.2.2谐波对并联补偿电容器的影响由于电网主要是按基波设计的。由于感性元件和容性元件的存在，虽然在基波时不会发生谐振，但在某个特定谐波时却可能引起谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，电网谐振引起设备过电压，产生谐波过流，对设备造成危害。特别是对电容器和与之串联的电抗器。其中，特别要注意的是，由于电容器是容性负载，能与电网上感性设备（电网中设备主要是感性设备）配合，构成谐振条件，电容吸收谐波谐振电流，引起电容过载，造成电容损坏，或者熔丝熔断。2.2.3谐波对用电设备的影响谐波使供电线路产生了附加损耗。由于肌肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能浪费。同时，电网中的电气设备产生额外的损耗（谐波功率），降低了设备的效率，同时谐波会影响设备的正常工作，例如变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，电机产生机械振动等故障，绝缘部分老化、变质，严重时候甚至设备损坏。例如变压器本身既是谐波源，又是传送其他谐波源所产生谐波的中间环节。谐波电流的涡流损耗会引起变压器的附加损耗和附加发热，谐波电压引起的附加损耗（铁心的谐频磁滞损耗和涡流损耗），会影响绝缘的局部放电和介损增大，受到较大的谐波电流或电压时会导致损坏（其中包括谐波过电压使绝缘击穿），谐波还会使变压器噪声增大。35KV东方变电所在浙江广欣金属制品有限公司谐波影响时，变压器噪声明显增大，且发出异常声音。2.2.4 谐波对继电保护和自动装置的影响导致继电保护和自动装置出现误动作，造成不必要的损失，谐波对继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动和拒动。尤其是一些衰减时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值强大、谐波含量也很大，更容易引起继电保护的误动作。2.2.5谐波对计量装置影响谐波还会使电气测量仪表测量不准确，电度表读数不准，一般以少计电量为主；造成电压监测仪、功率因数表等电气测量仪表指示失真等现象。针对谐波对电能表影响得测试表明，在谐波得影响下，同等条件下，电子式电能表比机械式电能表计量减少1%左右。2.2.6谐波得其他影响谐波还会影响各种用电设备得安全运行，导致电动机等设备得发热、振动，影响电子设备得工作精度，使精密机械加工得产品治理降低，设备寿命缩短，家用电器损坏等。容易使电能质量要求较高的企业不能正常生产，严重时导致设备损坏被迫停产。同时谐波还易影响到居民的生活，造成居民家用电器损坏，电表损坏等。华孚纺织有限公司曾受谐波影响造成进口设备无法投入生产，在35KV陶滩变进行谐波治理后，该厂设备才能正常运行。缙云县壶镇和云和县曾发生大片居民电表烧毁的情况。谐波还会产生对设备附近的通信系统产生干扰等其他危害。2.3谐波治理效果分析四通铸件厂于2010年投入运行了滤波装置，使谐波电流得到控制，超标的各次谐波电流有较大幅度的下降，电流总谐波畸变率从治理前的20.62%降到治理后的4.33%，滤除率达到79%，使谐波电流得到有效控制，用户计量点侧治理前后主要谐波电流测试数据进行比较（见下图）,电压总谐波畸变率治理前后都达到国标要求4%以内。可以看出：超标的各次谐波电流治理后均有不同程度下降，治理效果良好。 四通铸件厂计量点侧治理前后主要谐波电流对比效果 2.4减少谐波产生机会，减少谐波对电网影响措施2.4.1安装交流滤波装置吸收谐波电流在换流装置附近接入滤波器是抑制和吸收谐波是最常用得一种抑制措施，滤波器类型有串联滤波器、并联滤波器和综合型滤波器，对于6脉动和12脉动换流装置，一般采用并联滤波器来一致其产生得谐波电流。由于各种并联滤波器对谐波具有很低得阻抗，当与谐波源并联联接时，就能吸收谐波电流。一般情况下，并联型滤波器都接在换流变压器得电力系统侧。但是当换流变压器具有专用得第三绕组时，也可接于第三绕组侧，这样可以降低滤波器成本，但滤波效果差。目前我县的谐波治理工作正在紧张有序的进行,即对于产生大量谐波的用户，在用户变的低压侧加装滤波装置。按照滤波原理划分,我县目前安装的都是无源电力滤波器, 无源滤波器的主要结构是用电感器与电容器串联起来，组成LC 串联回路，并联于系统中，LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，例如5次、7次、11次谐振点上，达到滤除这3次谐波的目的。从而保证电压畸变率处在较低水平。一般根据需要吸收的谐波次数，设置合适的LC参数，分别设置滤波装置。我县已有若干用户装设了此类无源滤波补偿装置。装设5、7次滤波装置，采用可控硅自动投切，在滤除谐波的同时，对无功也进行了补偿。但此类无源装置不能满足对无功功率和谐波进行快速动态补偿的要求。同时还要注意不能在滤除某次谐波时，LC参数恰好是另一个谐波的谐振参数，而使此谐波放大。2.4.2改变部分运行、接线方式，减小谐波的产生提高供电电源电压等级，以提高公共连接点得短路容量，使其谐波电流含量控制在国家标准以内。将谐波源由较大容量的供电点或由高一级电压的电网供电，提高电气设备的短路比，来降低谐波对同一电网上其他设备的影响。如广欣变从东方变改接到仙都变后对电网的影响减小很多。但是这种方法对高压用户容易实现，目前正在治理的10kV用户改接到更大容量的供电点不可行。更换整流变压器副方绕组得连接方法，相数越多，整流电压中得最低谐波越高，幅值越小，对电网波形影响越小。加强运行时的实时控制，避免轻负荷、高电压的运行状态，以减少谐波电压过高对系统电器设备的影响，由于用户的电工对设备的运行管理不够专业，实现起来难度较大。有意识的将配变中间相改接A或者C相，减少变压器群产生的谐波。在可能的情况下，接成，Yn形，将谐波在高压侧消化。这种手段由于各种客观条件的制约,很少采用。2.4.3在设计中注意避开谐波产生谐振的机会，减小带来的影响根据民用建筑电气设计规范JGJ/T 16-923.3.10 “为控制各类非线性用电设备所产生的谐波引起的电网电压正弦波形畸变在合理范围内，宜采限下列措施：各类大功率非线性用电设备变压器的受电电压有多种可供选择时，如选用较低电压不能符合要求，宜选用较高电压。”也就是中频炉等大功率非线性用电设备在选型时，尽量选择较高电压。在无功补偿设计中除了应注意避免并联电容器与系统感抗的谐振，除了验算基波外，还需要验算3、5、7次等主要谐波，避开这些参数，防止在该次谐波发生谐振。第三章 加强谐波治理，保证电能质量3.1保证和提高电能质量是供用电双方的责任电力法第四章第28条规定：“供电企业应当保障供给用户的供电质量符合国家标准。对公用供电设施引起的供电质量问题，应当及时处理。用户对供电质量有特殊要求的，供电企业应当根据其必要性和电网的可能，提供相应的电力。近年来随着经济的蓬勃发展与招商引资的成果不断扩大，地区电网中钢铁冶炼，化工电解、大功率变频调速及交直流电焊设备、港口机械等负荷高速增长，与此同时，一些高新技术企业设备中队电能质量十分敏感的用电负荷日益增多，对当前电力部门的电能质量监控与管理提出了更新更高的要求，如果不对此引起高度重视并采取有力措施，供电部门今后承担的法律责任与风险将会加大。搞好谐波监督管理，对保证电网和用户设备的安全、可靠、经济运行，实现优质服务以提升供电企业的形象，具有十分迫切的意义。毋庸置疑,恶劣与超标的电能质量将给电网设备及用电设备带来不容忽视的危害，直接影响到电网的安全稳定运行及用户设备的正常生产。正本清源，公用电网谐波污染的来源，除了不同电压等级之间的谐波渗透与传递外，可归结为输配电设备及大量用电设备的非线性特性，而其中主要是各类非线性用电设备的谐波电流注入电网所致，因此保证提高电能质量应当是供电电双方的责任。但就目前而言，供电公司无疑承担着电网供电质量的主要管理责任，供电企业的谐波管理首先应当在摸清地区电网谐波污染现状的基础上，积极开展谐波技术监督与全程化专业管理。谐波作为一项重要指标，长期以来一直受到我们公司的重视。3.2建立完善谐波监督防范体系有利于实现谐波电网规范化3.2.1根据谐波管理办法开展地区电网谐波技术监督缙云县电力公司对谐波源的管理坚持贯彻预防与治理相结合、重在预防的方针，坚持谁污染谁治理的原则。一方面，严格审查管理新建谐波源，从用电申请流程上把好谐波源用户业扩增容环节，签订谐波治理承诺书；另一方面，对谐波超标的客户由营销部门主动沟通，签订谐波治理承诺协议，积极实施整改。通过对各类非线性用电设备注入电网得谐波进行限制管理，使电网各级谐波水平控制在国家标准允许得范围。丽水局在2000年召集相关部门讨论并修订了丽水电网谐波管理办法（试行），规范了生计、营销、调度等部门得管理职责与分工。目前公司谐波归口管理部门为生产技术部，负责组织电网谐波得监测玉分析，组织消谐滤波方案得专项审查验收、督促检查抑制电网谐波措施得落实。3.2.2理顺内部流程，抓住谐波治理得关键环节根据目前工作规定，谐波源用户申请新装或增容时，要求提供与谐波注入量有关的设备技术资料，并委托进行谐波影响评估。在确定谐波用户的供电方案时，要求用户提供其用电设备对公用电网电能质量影响的分析评估报告在谐波注入量超标的新设备投运时，应同步采取谐波治理措施，能否投运以实际谐波数据为准，否则由用户继续实施治理，直到谐波注入负荷要求为止。此外，在与用户签订供用电合同时，统一在合同中特别著名，因谐波超标而造成电网或其他用户得损失，应当由谐波源用户负责赔偿，并要求对谐波超标情况进行限期整改。按照丽水电网谐波管理办法，生计部门牢牢抓住谐波源用户在也扩初步设计与滤波工程实测验收这二个重要环节，实现谐波全过程管理、有效把好谐波源入网关得关键所在。3.2.3 有针对、有重点开展谐波实测目前我们公司的谐波现场测试主要是由计量中心负责实施，配备专用搞精度谐波测试仪器，切实推动我县谐波测试与分析工作。通过建立完善用户基础资料及谐波数据库档案，将本地非线性电力用户全部纳入谐波监督管理的范畴。通过对重点大型谐波源用户定期监测，对发现谐波超标得用户及时将报告与分析意见交营销部处理。严格按照国标GB/T14549-1993电能质量 公用电网谐波对用户滤波装置进行验收，编写用户谐波测试分析报告，促进缙云电网谐波监测分析水平得提高。3.2.4谐波管理实时化与网络化 电网谐波畸变率是表征电网电能治理得指标之一，为开展电网监测诊断分析，动态跟踪掌握地区电网公告联接点谐波变化，为制定谐波治理措施提供依据。缙云县电力公司先后选择山雁等重点谐波原用户接入点，建立了5个谐波在线监测点，初步形成地区电网谐波在线监测网络，实现了对部门重点谐波源用户的实时监控。通过在线监测点所在变电所安装在线电能质量监控单元，经MIS网络实现数据同心，动态统计电网母线谐波电压指标及重点用户供电线路注入电网得谐波电流含量，为谐波专业管理部门提供详细得电能质量实时数据。系统通过MIS网络上传数据，自动生成各类谐波分析统计报表，实现了电压偏差、谐波畸变率、三相不平衡率等各类电能质量报表和图形曲线得在线分析，便于专业人员及时掌握与分析当前电网谐波变化动态。3.2.5抓好电容器设计与运行管理在一定的电网谐波背景下，电容器容抗、电抗器感抗以及系统电抗可能在特定条件下造成谐波放大，影响电网设备的正常可靠运行。为规范当前电网电容器电抗率得选择计算，我们公司定期将电网普测结果交给设计部门，设计部门在电网项目工程对无功补偿方案设计时考虑背景谐波得营销，采取措施抑制谐波放大。对于运行中的电容器组，做好运行管理及故障原因分析，重点预防谐波超标引起的电容器损坏。此外，对于运行中得组架式电容器组，一旦出现单组熔爆及单组电容器损坏，在三相减容后得电容量必须重新核算，纺织谐振频率逼近谐振点造成谐波放大。3.3有效治理谐波，改善电网谐波污染水平3.3.1新谐波源用户投产时消谐滤波装置必须同步投运对新谐波源用户坚持投产时消谐滤波装置必须同步运行，严格执行谐波管理实施细则，在规划、设计、运行等环节落实各部门的管理职责，抓好每一个谐波源用户工程的初设审查与投运验收，实现谐波源接入系统的闭环管理。在用户正常投产后组织进行最大负荷24h谐波现场实测验收；时限了谐波源接入系统得闭环管理，做到谐波源设备投运得同时用户消谐滤波装置同步投运，成功把好了谐波源入网关。3.3.2促进老用户的谐波治理对原有的谐波含量超标的老用户是谐波治理工作的难点，由于用户投运时间较长，且往往企业经济效益不景气，因此落实谐波治理的主动性不够。我公司根据谐波污染对电网造成的影响，分别出具详细的谐波测试数据与分析报告，站在用户的角度综合考虑用户长远的经济利益的平衡，积极主动的推荐消谐改造方案，通过宣传有关规章制度，明确双方的义务与责任，补充签订谐波治理协议，督促其及早实施整改；对谐波污染