电能质量讲座(2010

1、电能质量讲座北京博电新力电力系统仪器有限公司 1 前言电力系统中, 理想的电压应具备下列特点: 频率稳定,我国电力系统频率为50 Hz。 波形为正弦波。 电压幅值稳定，且为规定值，如：0.38kV、10kV等等。 三相间相位依次相差120度。但随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，引起电网电流、电压波形发生畸变，产生电网的谐波污染。另外，冲击性、波动性负荷，如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重，这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干扰电网的经济运行，造成对电

2、网的公害。为此，国家技术监督局相继颁布了涉及电能质量六个方面的国家标准，即：GB/T 15945-2008 电能质量 电力系统频率偏差GB/T 12325-2008 电能质量 供电电压偏差GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变GB/T 14549-93 电能质量 公用电网谐波GB/T 15543-2008 电能质量 三相电压不平衡GB/T 18481-2001 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压电能质量的国家标准就是从不同方面描述和规定电压和电流的这种非理想状态。 2 供电电压允许偏差用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其端子上出现电压偏差时，其运行参数和寿命将

3、受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设备状况而异。电压偏差计算式如下： 电压偏差（）=（电压测量值系统标称电压）/系统标称电压100 电能质量 供电电压偏差规定电力系统在正常运行条件下，用户受电端供电电压的允许偏差为：（1）35kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10，如偏差同号，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。（2）20kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的77；（3）220V单相供电电压允许偏差为标称电压的107 。 为了保证用电设备的正常运行，在综合考虑了设备制造和电网建设的经济合理性后，对各类用户设备规定了如上的允许偏差值，此值为工业企业供配电系统设计提供

4、了依据。 当用户的无功功率较大时，将产生电压偏差，容性无功使电压偏高，感性无功使电压偏低。改善电压偏差的主要措施有：（1）就地进行无功功率补偿，及时调整无功功率补偿量，无功负荷的变化在电网各级系统中均产生电压偏差，它是产生电压偏差的源，因此，就地进行无功功率补偿，及时调整无功功率补偿量，从源上解决问题，是最有效的措施。（2）采用有载调压变压器。从总体上考虑无功负荷只宜补偿到功率因数为0.900.95，仍然有一部分变化无功负荷要电网供给而产生电压偏差，这就需要分区采用一些有效的办法来解决，采用有载调压变压器就是有效而经济的办法之一。3 公用电网谐波3.1 谐波限值谐波是对周期性交流量进行傅立叶级

5、数分解，得到频率为基波频率大于1的整数倍的分量，它是由电网中非线性负荷而产生。电能质量 公用电网谐波（GB/T145291993）中规定了各电压等级的总谐波畸变率，奇次谐波电压含有率和偶次谐波电压含有率的限值，详见下表。电网标称电压k电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率，奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8该标准还规定了当公共连接点处的最小短路容量等于基准短路容量时,公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（225次）的允许值；当公共连接点处的最小短路容量不等于基准短路容量时,公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量

6、（225次）的允许值按比例变化；同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。因此，每个用户向电网注入的谐波电流允许值取决于公共连接点处的标称电压、最小短路容量、供电设备容量以及用户的协议容量。3.2谐波产生的原因在电力的生产，传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。在发电环节，可以近似认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。在其它几个环节中，谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备：(1)具有铁磁饱和特性的铁芯没备，如：变压器、电抗器等；(2)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放电灯、交

7、流弧焊机、炼钢电弧炉等；(3)以电力电子元件为基础的开关电源设备，如：各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等。 非线性电气设备(或称之为非线性负荷)的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流，也就是说，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们的电流具有不随着电压同步变化的非线性的电压-电流特性，使得流过电网的电流是非正弦波形的，这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成，即产生了谐波，使电网电压严重失真。此外电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。3.3谐波的危害 增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，

8、降低设备的效率和利用率。由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。2)影响继电保护和自动装置的工作和可靠性谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸，则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路

9、各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。3)使测量和计量仪器的指示和计量不准确由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能，从而谐波源虽然污染了电网，却反而少交电费；而与此同时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。4)干扰通信系统的工作电力

10、线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声(3-10kHz)会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。 5)对用电设备的影响谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光

11、灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。3.4 抑制供电系统谐波的一般对策谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题，它不但与供电部门有关，而且还关系到广大电力用户和电器设备制造厂的切身利益。为减少供电系统的谐波问题，一般从管理上和技术措施上采取以下几方面的对策：1) 贯彻执行有关谐波的国家标准，加强谐波管理我国于1998年12月14日发布了国家标准GB17625.1-1998低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流16A)，等效采用IEC6100-

12、3-2：1995，但在技术内容上与该国际标准完全一致。GB17625.1规定了准备接入公用低压配电系统中的电气、电子设备(每相输入电流16A)可能产生的谐波的限值。只有经过试验证实符合该标准限值要求的设备才能接入到配电系统中。这样就可以对低压电气及电子产品注入供电系统的总体谐波电流水平加以限制。此外，1993年发布了国家标准GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波，该标准考虑了不同谐波源叠加计算的方法，规定了各级电网电压谐波总畸变率和用户注入电网的谐波电流容许值，对限制公用电网中的谐波起到了积极的作用。认真贯彻执行有关国家标准关于限制谐波的规定，就能从总体上控制供电系统中的谐波水平，保

13、证供电系统供给优质的电力质量。 2) 增加换流装置的相数换流装置是供电系统的主要谐波源之一。理论分析表明，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk1和pk(p为整流相数或脉动数，k为正整数)。当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效的消除幅值较大的低频项，(其特征谐波次数分别为12k1和12k)，从而大大地降低了谐波电流的有效值。3) 增装动态无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力在技术经济分析可行的条件下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置：静止无功补偿装置(SVC-Static Var Compensator)或更先进的静止同步补偿装置(STATCOM Static Sy

14、nchroncusCompensator)，以获得补偿负荷快速变动的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力。4) 加装滤波装置(包括无源滤波和有源滤波装置)为了减少谐波对供电系统的影响，最根本的思想是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近防让谐波电流的产生，从而降低谐波电压。防止谐波电流危害的方法，一是被动地防御，即在已产生谐波的情况下，采用传统的无源滤波方法(由一组无源元件：电容器、电抗器和电阻器组成的调谐滤波装置)，减轻谐波对电气设备的危害。另一种方法是主动的预防谐波电流的产生，即有源滤波方法。其原理是

15、利用可关断电力电子器件产生与负荷电流中的谐波分量大小相等，相位相反的电流来消除谐波。总之，一方面要严格限制谐波的发射水平。另一方面还要设法提高设备自身的抗谐波干扰的能力，改善谐波保护性能，以做到真正意义上的电磁兼容。 4 电压波动和闪变电能质量 电压波动和闪变（GB12326 2008）适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能引起人对灯闪明显感觉的场合。最敏感频率8.8Hz。电压波动即电压方均根值一系列的变动或连续的改变，用电压变动来表示, 电压变动是电压方均根值变动的时间函数上,相邻两个极值电压之差,以系统标称电压的百分数表示。 闪变即灯光照度不稳定造成的视感，用短时间闪变值

16、Pst和长时间闪变值Plt来表示, 短时间闪变值Pst是衡量短时间(10分钟)内闪变强弱的一个统计量值, 长时间闪变值Plt是由短时间闪变值Pst推算出的反映长时间(2小时) 内闪变强弱的量值。它们是由波动负荷 ，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。电压变动限值见下表。r,h-1d,%r,h-1d,%LV、MVHVLV、MVHVr14310r10021.51r103*2.5*100r10001.251注 很少的变动频度r(每日少于1次)，电压变动限值d还可以放宽，但不在本标准中规定。2 对于随机性不规则的电压波动，依95%概率大值衡量，表中标有“*”的值为其限值。3 本标准中系统标称电压UN等级

17、按以下划分：低压（LV） UN1kV中压（MV） 1kVUN35kV高压（HV） 35kV110kVPlt10.8在进行变动分析时， GBT 123262008给出了几种近似的计算公式。但计算变动的基准方法是根据变动的定义，即：先计算每半个基波电压周期方均根值，再对这些值遍历，求出极值点，最后计算相邻两个极值点之差和标称电压的百分比。在进行闪变分析时，按照GBT 123262008中附录A的规定：“根据IEC 61000415：1996制造的IEC闪变仪是目前国际上通用的测量闪变的仪器。”该方法将电压波形适配后，依次通过平方器，高通滤波器，高阶低通滤波器，加权滤波器，平方器，低通滤波器，再经过

18、复杂的概率统计计算得出闪变值。除基准方法外，还有其它各种近似的方法，但都不如基准方法精确。高档的电能质量分析仪和监测仪应采用基准方法。5 三相电压不平衡电能质量 三相电压不平衡（GB/T155432008）适用于标称频率为50Hz的交流电力系统正常运行方式下由于负序基波分量引起的公共接点的电压不平衡及低压系统由于零序基波分量而引起的公共接点的电压不平衡。不平衡度是指三相电力系统中三相不平衡的程度,用电压、电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示。但电流一般不采用不平衡度,而用负序电流和零序电流。因为当电流正序基波分量较小时，虽然电流不平衡度较大，但是危害不大。对于三相不

19、平衡负荷，将产生负序电流注入电网，这是产生三相电压不平衡的根源。该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下负序电压不平衡度不超过2，短时间不得超过4,短时允许值是指任何时刻均不能超过的限制值。不平衡度为在电力系统正常运行的最小方式下、最大的生产（运行）周期中负荷所引起的电压不平衡度的实测值。接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3，短时不超过2.6。在电压不平衡度和负序电流的分析中，最准确的方法是应用对称分量法，分别求出负序基波分量、零序基波分量和正序基波分量，再求出不平衡度。其它的方法都是近似计算。6 电网频率用户从电网中吸收的有功功率是变化的，发电机输出的有功功

20、率必须和用户消耗的有功功率维持动态平衡，才能使电力系统频率不发生偏差。当有功冲击使有功不能平衡时，将产生电力系统频率偏差。电能质量 电力系统频率偏差（GB/T 159452008）中规定：电力系统频率偏差允许值为0.2Hz0.2Hz，当系统容量较小时，偏差值可放宽到0.5Hz0.5Hz，标准中并没有说明系统容量大小的界限，而在全国供用电规则中有规定：“供电局供电频率的允许偏差：电网容量在300万千瓦及以上者为0.2Hz；电网容量在300万千瓦以下者为0.5Hz。”实际运行中，我国各跨省电力系统频率都保持在0.1Hz0.1Hz的范围内，所以说在电能质量各参数中电力系统频率是最有保障的，很难发现超

21、标的实例。7 暂时过电压和瞬态过电压电能质量 暂时过电压和瞬态过电压（GB/T 184812001）规定了交流电力系统中作用于电气设备的暂时过电压和瞬态过电压要求,电气设备的绝缘水平,以及过电压保护方法。 以Um表示三相系统最高电压,则峰值超过系统最高相对地电压峰值(0.8165Um)或最高相间电压峰值(1.4142Um)的任何波形的相对地或相间电压分别为相对地或相间电压过电压。持续时间较长的不衰减或弱衰减(以工频或其一定的倍数,分数)振荡的过电压称为暂时过电压, 持续时间数毫秒或更短,通常带有强阻尼或非振荡的过电压称为瞬态过电压。该标准规定了暂时过电压和瞬态过电压的典型波形和限值。 电能质量

22、 暂时过电压和瞬态过电压GBT 18481-2001已经颁布实施将近四年了。但是，与其它电能质量标准不同的是，该标准实际上没有被贯彻执行。这其中的原因是多方面的，其中一个很重要的因素是过电压信号很难取样、A/D转换、数据分析，总而言之很难测量。 电能质量中的频率、电压偏差、谐波、不平衡度、电压闪变和变动都能通过测量PT和CT二次侧的信号得到，唯独暂时过电压和瞬态过电压不行。要想准确测量过电压,只有在高压一次侧用纯电阻分压取样。所谓纯电阻是指非有感电阻，并且在电阻分压取样电路中不能引入过量的电容（这一点很能难做到），否则，都会使瞬态过电压的波形取样失真。用纯电阻分压会带来三个问题：第一，无感电阻

23、的功率和耐压值可能会要求较大，难以制作。例如，雷击架空线路导线产生的直击雷过电压最大值一般不超过10000kV，为安全起见，分压电阻的耐压值应大于10000kV。假设分压电阻的取样电流只有0.01mA，分压电阻的功率也要有100瓦。第二，采用非隔离的分压电阻取样的安全性如何保证？在过电压的长期监测过程中，采用非隔离的分压电阻直接连接在高压一次侧，万一分压电阻因某种原因（如雷击、老化）被击穿，将造成严重后果。为了监测过电压，冒如此大的风险，可能得不偿失。第三，为测量暂时过电压和瞬态过电压，必须额外增加取样电路，经济上是否合算？即使采用纯电阻分压，要想对陡波前过电压进行不失真的过电压信号采集也是一

24、件很困难的事情，因为对高压系统的采集电路中，电感和电容很难完全消除，它们将使得波形严重失真。过电压的信号采样 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压中规定的瞬态过电压分为缓波前、快波前和陡波前，其波前时间T分别为：20微秒T5000微秒，0.1微秒T20微秒，0.003微秒T3秒）内，只测量分析3秒的数据,这样对电能质量的监测是不完全的。随着DSP技术的迅猛发展和普及，实现对电能质量无缝监测将成为主流。133 多功能 除传统的电能质量信息外，更多的测量数据将被融合进来。一方面国家将制定更多的电能质量相关标准，为贯彻这些标准的实施，势必要求更多的测量数据；另一方面，随着电子技术的迅猛发展，包括故障录波

25、和测距等以前必须专用设备完成的功能也可能与电能质量监测一同完成。134 高性能 随着技术的发展，电能质量监测系统的性能将逐渐提高。例如：随着传感器和采样分析技术的发展，电能质量监测的精度将会提高；采用GPS时钟信号后，可实现精确定时，使得异地的电能质量监测数据可以在一个时间轴上进行对比分析；随着计算机存储容量的发展，监测仪和分析仪可存储十年以上的数据。13. 5 专家诊断系统目前，从大量电能质量信息中得出结论和措施主要还是靠人。通过将专家的思想转变成计算机可执行的数学模型，相信今后计算机将会在这方面发挥越来越大的作用，可帮助人们摆脱繁杂的电能质量原始测量数据，进行电能质量评估和治理，电能质量监

26、测系统同时也是电能质量专家诊断系统。14 测试时的注意事项14.1 基准短路容量，最小短路容量，供电设备容量，协议容量 最小短路容量，供电设备容量和协议容量需要供电方提供准确的数据，电能质量测量设备无法自动设置合理的值。 基准短路容量：短路容量从本质上反映了公共连接点的供电设备的内阻，进而决定了公共连接点的谐波电流允许值。基准短路容量是是一种标尺或举例。 最小短路容量：公共连接点最小供电方式下的短路容量。 供电设备容量和协议容量：需要的是两者的比值，暂时不知道时应放宽，例如：供电设备容量协议容量，即该用户的谐波电流允许值公共连接点的谐波电流允许值。142 电能质量数据观测的一般方法 由宏观到微

27、观，即先观测一大段时间所对应的统计报表或趋势图，如果要同时观测较多的参数，建议用统计报表，对统计报表中有问题的参数，再有针对性地用趋势图观测。如果要观测较少的参数，建议用趋势图。从趋势图中，可以很清楚地知道在哪一段时间内问题比较严重，再针对该时间段，用统计报表或趋势图观测。更进一步可以用测试报表和波形图来观测。测试报表有报表和频谱图两种表现形式，报表更全面和准确，频谱图更直观。波形图也可以任意缩放，满足由宏观到微观的观测需求。 对谐波和三相不平衡度的观测，以95概率大值为主，以平均值，最大值和最小值为辅。15 基于DSP技术的电能质量监测系统 北京博电科技股份有限公司最新研制的基于DSP技术的

28、电能质量监测系统的主要特性如下：1）采用高速DSP作为电能质量分析的核心，实现对所有电压网点和电流网点的所有电能质量参数（谐波，电压变动和闪变，三相不平衡度，频率，电压偏差）无缝（谐波无间隔每3秒分析6次，得出一组谐波测量结果）监测分析的同时，还实现电能质量超标录波、手动录波、DI跳变录波。 2）采用多种技术提高测量精度。将采样率提高到256点周波。 频率的测量精度主要取决于采样频率，与算法的合理性也有直接的关系。如果频率测量不准，还会引起谐波分析的频谱泄漏误差。目前，电能质量监测分析仪广泛采用128点周波或更低，这在一定程度上影响了频率和谐波的分析精度 。非整数点的频谱分析技术应用于电能质量

29、谐波分析。 目前，为提高分析速度，电能质量谐波分析都采用每周波2的N次方个点的快速傅里叶变换技术。但是，电网的频率是变化的，对于固定采样频率的系统，每周波的点数一般是非整数，在将非整数个点规整为2的N次方个点的过程中，必然引入误差，这种误差随着谐波次数的增高而变得越来越大。也有采用锁相环技术，使得每周波固定采样2的N次方个点。但该技术在谐波较大时容易锁相失败，导致电能质量所有参数分析错误。因此，锁相环技术在电能质量测量领域逐渐淡出。 由于采用了超高速DSP，克服了速度的瓶颈，才可以采用非整数点的频谱分析方法，提高了谐波的分析精度。将直接测量评估分析技术应用于电能质量闪变分析。 在进行闪变分析时

30、，按照GBT 123262008中附录A的规定：“根据IEC 61000415：1996制造的IEC闪变仪是目前国际上通用的测量闪变的仪器。”该方法将电压波形适配后，依次通过平方器，高通滤波器，高阶低通滤波器，加权滤波器，平方器，低通滤波器，再经过复杂的概率统计计算得出闪变值，运算量很大，一般用于单一功能的闪变仪。目前，电能质量测量装置大多采用根据电压变动计算闪变值，或者，根据每半周波的方均根值，进行频谱分析，再对各个频率加权处理，进而得到闪变值。这两种方法都是近似算法，在有些情况下，误差很大，不符合国标的基准方法。由于采用了DSP，克服了速度的瓶颈，可以使用最准确的分析算法，提高了分析精度，

31、保证了在任何电压变动频度下闪变的测量精度。高档的分析仪和监测仪应采用基准方法。电压变动根据基本定义计算。三相不平衡度分析中采用最准确的对称分量法。 在电压不平衡度和负序电流的分析中，最准确的方法是应用对称分量法，分别求出负序基波分量、零序基波分量、正序基波分量，再求出不平衡度。其它的方法都是近似计算。3）其它特点：能分析谐间波，步距可变。 采用GPS时钟信号实现精确定时（扩展配置）。彩色液晶屏，分辨率640400（ 8000600） 以上。存储容量320G以上（如采用固态硬盘64 G以上），一般可存储三年以上的数据。 主要功能有：实时报表、测试报表、统计报表、趋势图、频谱图、波形图等等。 16 电能质量监测仪订货注意事项用户在选用电能质量监测仪时，必须在订货时提供以下信息：1）需要监测的电压母线数