电压质量监测

节电因素分析第一章三相不平衡一、什么是三相不平衡三相不平衡是指三相电源各相的电压不对称。是各相电源所加的负荷不均衡所致，属于基波负荷配置问题。发生三相不平衡即与用户负荷特性有关，同时与电力系统的规划、负荷分配也有关。《电能质量三相电压允许不平衡度》(GB/T15543-1995)适用于交流额定频率为50赫兹。在电力系统正常运行方式下，由于负序分量而引起的PCC点连接点的电压不平衡。该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%。附：《电能质量三相电压允许不平衡度》(GB/T15543-1995)主题内容与适用范围本标准规定了三相电压不平衡度的允许值及其计算、测量和取值方法。本标准适用于交流额定频率为50Hz电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的公共连接点的电压不平衡。术语、符号2.1不平衡度£unbalancefacor£指三相电力系统中三相不平衡的程度，用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值百分比表示。电压或电流不平衡度分别用£u或£I表示。2．2正序分量Positive—sequencecomponent将不平衡的三相系统的电量按对称分量法分解后，其正序对称系统中的分量。2．3负序分量negative—sequencecomponent将不平衡的三相系统的电量按对称分量法分解后，其负序对称系统中的分量。2．4公共连接点Pointofcommoncoupling电力系统中一个以上用户的连接处。电压不平衡度允许值3.1电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％（取值见附录A）。电气设备额定工况的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定，例如旋转电机按GB755《旋转电机基本技术要求》规定。3．2接于公共接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1．3％，根据连接点的负荷状况，邻近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求，可作适当变动、但必须满足3．1条的规定。用户引起的电压不平衡度允许值换算电压不平衡度允许值一般可根据连接点的正常最小短路容量换算为相应的负序电流值，为分析或测算依据；邻近大型旋转电机的用户，其负序电流值换算时应考虑旋转电机的负阻抗。有关不平衡度的计算见附录B。不平衡度的测量（见附录A）附录A不平衡度的测量和取值（补充件）Al本标准中£值指的是在电力系统正常运行的最小方式下负荷所引起的电压不平衡度为最大的生产（运行）周期中的实测值。例如炼钢电弧炉应在熔化期测量；对于日波动负荷，可取典型日24h测量。A2本标准规定的正常£允许值，对于波动性较小的场合，应和实测的五次接近数值的算术平均值对比；对于波动性较大的场合，应和实测值的95％概率值对比，以判断是否合格。其短时允许值是指任何时刻均不能超过的限值。为了实用方便，实测值的95％概率值可将实测值（不少于30个）按由大到小次序排列舍弃前面5％的大值，取剩余实测值中的最大值；对于日波动负荷，也可以按日累计超标时间不超过72min,且每30min中超标时间不超过5min来判断。A3不平衡度测量仪器应满足本标准的测量要求。每次测量，一般按3s方均根取值，对于离散采样的测量仪器，推荐按下式计算：（Al）式中：£k——在3s内第k次测得的不平衡度；m 在3s内均匀间隔取值次数（m三6）。对于特殊情况，由供用电双方另行商定。仪器的电压不平衡度测量的绝对误差不超过0．2％；电流不平衡度测量的绝对误差不月过l％。低压电网三相平衡的重要性1．三相负荷平衡是安全供电的基础。三相负荷不平衡，轻则降低线路和配电变压器的供电效率，重则会因重负荷相超载过多，可能造成某相导线烧断、开关烧坏甚至配电变压器单相烧毁等严重后果。2．三相负荷平衡才能保证用户的电能质量。三相负荷严重不对称，中性点电位就会发生偏移，线路压降和功率损失就会大大增加。接在重负荷相的单相用户易出现电压偏低，电灯不亮、电器效能降低、小水泵易烧毁等问题。而接在轻负荷相的单相用户易出现电压偏高，可能造成电器绝缘击穿、缩短电器使用寿命或损坏电器。对动力用户来说，三相电压不平衡，会引起电机过热现象。3．三相负荷保持平衡是节约能耗、降损降价的基础。三相负荷不平衡将产生不平衡电压，加大电压偏移，增大中性线电流，从而增大线路损耗。实践证明，一般情况下三相负荷不平衡可引起线损率升高2％-10％，三相负荷不平衡度若超过10％，则线损显著增加。有关规程规定：配电变压器出口处的负荷电流不平衡度应小于10％，中性线电流不应超过低压侧额定电流的25％，低压主干线及主要分支线的首端电流不平衡度应小于20％。通过电网技术改造，要真正使低压电网线损达到12％以下，上述指标只能紧缩，不能放大。4．只有三相阻抗平衡，才能保证低压漏电总保护良好运行，防止人身触电伤亡事故。三相负载不平衡的影响1．增加线路的电能损耗。在三相四线制供电网络中，电流通过线路导线时，因存在阻抗必将产生电能损耗，其损耗与通过电流的平方成正比。当低压电网以三相四线制供电时，由于有单相负载存在，造成三相负载不平衡在所难免。当三相负载不平衡运行时，中性线即有电流通过。这样不但相线有损耗，而且中性线也产生损耗，从而增加了电网线路的损耗。2．增加配电变压器的电能损耗。配电变压器是低压电网的供电主设备，当其在三相负载不平衡工况下运行时，将会造成配变损耗的增加。因为配变的功率损耗是随负载的不平衡度而变化的。3．配变出力减少。配变设计时，其绕组结构是按负载平衡运行工况设计的，其绕组性能基本一致，各相额定容量相等。配变的最大允许出力要受到每相额定容量的限制。假如当配变处于三相负载不平衡工况下运行，负载轻的一相就有富余容量，从而使配变的出力减少。其出力减少程度与三相负载的不平衡度有关。三相负载不平衡越大，配变出力减少越多。为此，配变在三相负载不平衡时运行，其输出的容量就无法达到额定值，其备用容量亦相应减少，过载能力也降低。假如配变在过载工况下运行，即极易引发配变发热，严重时甚至会造成配变烧损。4．配变产生零序电流。配变在三相负载不平衡工况下运行，将产生零序电流，该电流将随三相负载不平衡的程度而变化，不平衡度越大，则零序电流也越大。运行中的配变若存在零序电流，则其铁芯中将产生零序磁通。（高压侧没有零序电流）这迫使零序磁通只能以油箱壁及钢构件作为通道通过，而钢构件的导磁率较低，零序电流通过钢构件时，即要产生磁滞和涡流损耗，从而使配变的钢构件局部温度升高发热。配变的绕组绝缘因过热而加快老化，导致设备寿命降低。同时，零序电流的存也会增加配变的损耗。5．影响用电设备的安全运行。配变是根据三相负载平衡运行工况设计的，其每相绕组的电阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。当配变在三相负载平衡时运行，其三相电流基本相等，配变内部每相压降也基本相同，则配变输出的三相电压也是平衡的。假如配变在三相负载不平衡时运行，其各相输出电流就不相等，其配变内部三相压降就不相等，这必将导致配变输出电压三相不平衡。同时，配变在三相负载不平衡时运行，三相输出电流不一样，而中性线就会有电流通过。因而使中性线产生阻抗压降，从而导致中性点漂移，致使各相相电压发生变化。负载重的一相电压降低，而负载轻的一相电压升高。在电压不平衡状况下供电，即容易造成电压高的一相接带的用户用电设备烧坏，而电压低的一相接带的用户用电设备则可能无法使用。所以三相负载不平衡运行时，将严重危及用电设备的安全运行。6．电动机效率降低。配变在三相负载不平衡工况下运行，将引起输出电压三相不平衡。由于不平衡电压存在着正序、负序、零序三个电压分量，当这种不平衡的电压输入电动机后，负序电压产生旋转磁场与正序电压产生的旋转磁场相反，起到制动作用。但由于正序磁场比负序磁场要强得多，电动机仍按正序磁场方向转动。而由于负序磁场的制动作用，必将引起电动机输出功率减少，从而导致电动机效率降低。同时，电动机的温升和无功损耗，也将随三相电压的不平衡度而增大。所以电动机在三相电压不平衡状况下运行，是非常不经济和不安全的。第二章谐波一、谐波定义供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=f/f）称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，n1称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为2WnW40。二、谐波源向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。我国工业企业也越来越多的使用产生谐波的电气设备，例如晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源。各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关，称为该电路的特征谐波。对称三相变流电路的网侧特征谐波次数为：„（正整数）式中p为一个电网周期内脉冲触发次数（或称脉动次数）。除特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，上述电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波，如果5,7,11,13次等。对于p脉动的变流电路，假定直流侧电流为理想平滑，其网侧n次谐波电流与基波电流之比为：式中为换流重叠角。，估算时可取。如直流侧电流波纹较大，则5次谐波幅值将增大，其余各次谐波幅值将减少。当电网接有多个谐波源时，由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同，其和将小于各分量的算术和。变压器激磁电流中含有3，5，7等各次谐波分量。由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法，为3次谐波提供了通路，故3次谐波电流不流入电网。但当各相激磁电流不平衡时，可使3次谐波的残余分量（最多可达20%）进入电网。三、谐波传输对于多电压等级的电网，其谐波阻抗的特点是Zn（高压侧）Zn（低压侧）。谐波电流由低压侧流向高压侧，其大小基本上与高压侧参数无关，可视为恒流源。谐波电压由高压侧传输到低压侧，可视为恒压源。在进行谐波分析时，就是根据这个原则构造电网的谐波等效电路。电网元件的频率特性在谐波频率范围内，由于涡流和漏磁场的作用，电网元件的谐波参数要考虑长线效应，即变压器和导线的等效电阻R随频率的上升而增加，等效电感L随频率的上升而降低。电缆、导线和电容器的电容C基本不随频率变化而保持恒定。负载阻抗与频率的关系依负载的不同而异（见图1：负载有功电导频率关系图）。电机类负荷在简化分析时可只考虑其漏感。电机漏感Lsn的频率特性与变压器相似。电网等效电路电网可以由电网各元件的谐波参数Rn，Ln和Cn组成等效网络。三相对称电网的等效电路图通常采用单相表示（见图2：电网及其等效电路和阻抗矢量轨迹图）。根据等效电路计算各频率下的节点导纳矩阵Yn,求出阻抗Zn=，计算谐波电压Un=ZnIn0电网在某些谐波频率下会发生并联谐振，导致谐波电流大幅度增加。图1负载有功电导的频率关系图阻性负载阻性感性混合负载同步电动机荧光灯容性负载整流器（电视机）电网的并联谐振频率按下式计算：式中Sk为节点B的短路功率（MVA）；Sc为电网充电功率（包括并联电容器的功率，MVA）。谐振回路品质因数Q的大小取决于谐振频率和电网的负荷率，负荷率下降，品质因数升高。低压电网的品质因数为2~3，高压公用电网为2~5，高压工业电网约为10。低压电网无并联电容器时，其谐振频率一般不在谐波范围内。a b c图2电网及其等效电路和阻抗失量轨迹图a）电网结构b）等效电路c）节点A和B的阻抗矢量轨迹四、谐波限值为使电网谐波电压保持在允许值以下，必须限制谐波源注入电网的谐波电流量。大多数工业发达国家相继制定了电网谐波管理的标准或规定。谐波管理标准的制定是基于电磁相容性的原则，即在一个共同的电磁环境中，电气设备既能正常工作，又不得过量地干扰这个环境（见图3：电磁相容性）。:祈对能秋3整除的奇农谱嗽；碣纹谱做我国已于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准《电能质量：公用电网谐波》，规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值（见表1及表2）。电压或电流的正弦波形受谐波影响而畸变的程度用谐波电压或电流含有率表示HRVn=（Un/U1）100%HRIn=（In/I1）100%式中Un、In为第n次谐波电压、电流有效值；U1、I1为基波电压、电流有效值。表1公用电网谐波电压（相电压）极限值电网标称电压电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率kV%奇次偶次0.385.04.02.06(10)4.03.21.635(66)3.02.41.21102.01.60.8

表2注入公共连接点的谐波电流允许值标准电压kV基准短路容量MVA谐波次数及谐波电流允许值（A）23456789101112131415161718192021222324250.381078623962264419211628132411129.7188.6167.8&97.1146.51261004334213414241111&5167.1136.16.85.31.4.79.04.34.93.97.43.66.81010026201320&5156.46.85.19.34.37.93.74.1326.02.85.42.62.92.34.52.147125.1&83.84.13.15.62.64.72.22.51.93.61.73.21.51.91.42.71.32.5665001613&1135.49.34.14.33.35.92.75.02.32.62.03.81.83.41.61.91.52.81.42.6110750129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.71.71.51.52.81.32.51.21.41.12.11.01.9五、谐波危害1、 会导致变压器，电动机和备用发电机的运行温度（K参数）严重升高；2、 中性线上的过电流（由谐波和不平衡引起）不仅会使导线温度升高，造成绝缘损坏，而且会在三相变压器线圈中产生环流，导致变压器过热；3、 无功补偿电容器会因电网电压谐波畸变而产生过热，谐波将导致严重过流；4、 电容器还会与电力系统中的电感性元件形成谐振电路，这将导致电容器两端的电压明显升高，引致严重故障；5、 装置的启辉电容器对于由高频电流引起的过热也是十分敏感的，启辉电容器的频繁损坏显示了电网中存在谐波的影响；6、 引起配电线路的传输效率下降，损耗增大，并干扰电力载波通讯系统的工作，如电能管理系统（EMS）和时钟系统；7、 使电力测量表计，有功需量表和电度表的计量误差增大；8、 还会引起断路器的误操作等。对设备的危害1）电动机谐波电压在电动机短路阻抗上产生的谐波电流和电动机负序基波电流I一起使设备产生附加热损耗，并且在电动机起动时容易发展成干扰力矩。谐波电流和负序基波电流有效值之和一般不得大于电动机额定电流Ie的5~10%，即如果电动机不是按额定功率连续运行，可以允许短时超出上述限值。2） 电容器谐波可使电容器过流发热。在畸变电压下电容器的电流有效值为：有关规程规定电容器长期工作电流不得超过1.3倍额定电流（Ic=CUn）。位于谐波源附近的电容器或者滤波电容器通常按较高的电流有效值特殊制造。3） 电子装置谐波电压可使晶闸管触发装置发生触发错误，甚至导致设备故障。谐波也会对电网音频控制系统和计算机产生不良影响。4） 通讯系统在2.5kHz以下导线间电感电容藕合作用随频率呈近似线性上升，特别是较高次谐波会对通讯及信息处理设备产生干扰。六、谐波测量测量谐波电流使用低感分流器（约L/R）和电子式电钳，测量谐波电压使用电阻分压器或电容式分压器。谐波测量设备基于快速傅立叶分析原理，由模拟滤波器和模拟（数字）相关