电能质量问题初探

1、电能质量问题初探,上海追日电气有限公司,何 庆 亚,前言 现代电网和现代生活对电能质量提出新要求，凸显无功补偿与谐波治理的迫切性。 与时俱进的大连供电部门积极相应国家相关政策，以保证电网安全可靠运行。,第一篇、概述 第二篇、国家标准 第三篇、监测与评估 第四篇、优化控制技术,第一篇：电能质量概述,“电能质量”是“任何明显引起电压、电流或频率偏移并由此导致用户装置故障或误动作的电能问题”。 IEC（1000-2-2/4）标准将“电能质量”定义为“供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性”。,IEEE将“电能质量”定义为“合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均是适

2、合该设备正常工作的。 另文：“电能质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形等参量距规定值的偏差”。,一、何谓电能质量,不论如何表达，“电能质量”的概念中应包括电能供应中所要考虑的一切方面。 在供电点电压和频率接近额定值 和稳定的程度。 电压和电流偏离正弦波的程度。 三相系统三相平衡的程度。 连续供电的程度。(6个9),（问题:为什么采用三相正弦波形电压供电? ）,二、谐波概念,电力系统中除基波(50/60Hz)外，任一周期性之讯号，皆称为谐波。,定义：谐波为一周期量的正弦分量,其频率为基波频率的整数倍(习惯上规定电力系统中的工频为基波频率)。其引起波形畸变（电压和电流偏离正弦波）,间谐波：非基

3、波整数倍的谐波（分数谐波） 次谐波：低于工频的间谐波。 短时间谐波：冲击持续时间低于2秒，两次冲 击的时间间隔大于30秒。,总谐波电压畸变率,总谐波电流畸变率,谐波的分类,正序谐波 :(3n+1) 1st ,4th, 7th, 10th 负序谐波 :(3n-1) 2nd, 5th, 8th 零序谐波 :(3n) 3rd, 6th, 9th .,正序谐波：(3n+1) 1st ,4th, 7th, 10th ,造成正序谐波转矩,不均匀,A,B,C,负序谐波：(3n-1) 2nd, 5th, 8th ,造成负序谐波转矩,不均匀 ！,A,B,C,零序谐波 ：(3n) ,3rd, 6th, 9th .

4、,没有相角差 谐波电流将会 累积到 N 相,A B C,谐波电流,1. 电流增加 2. 载流量降低 3. 损耗增加 4. 设备温度升高 5. 绝缘破坏,三、谐波引发问题,谐波电压,1. 电压畸变 2. 非正弦波 3. 控制干扰 4. 设备停产 5. 影响整个电网,谐波对传统功率感念的颠覆,由于谐波的出现，对原有的一些电工原理的概念，如视在功率S 、功率因数cos，须重新确定其含义。 ( S2=P2+Q2+D2 而不再是 S2=P2+Q2 ),谐波将增加： 附加损耗 机械振动 谐波过电压 噪音,谐波对发电机影响,谐波附加损耗的谐波电阻,基波损耗工频电阻,n谐波次数,谐波将增加： 变压器铜损 变压

5、器漏磁损 变压器铁损 噪音 变压器温升,谐波对变压器影响,谐波将使： 导体产生集肤效应 过载过热烧毁绝缘体 减少额定载流量,谐波对电力电缆影响,谐波对转动电机影响,谐波将使： 铜损、铁损增加 机械效率下降 稳定转矩下降,谐波对通讯影响,谐波将增加： 产生感应电磁场、影响电话品质 干扰通讯网络频率、造成误动作,IEEE/Std 519-1992提供建议：,1、适当屏蔽 2、避开地线与三相不平衡 3、加装（有源）滤波器,谐波对电容器影响,谐波电压、电流将增加： 串联谐振 并联谐振 过电流、过电压现象 电容器和系统故障,1、中性线热故障和火灾的危害 本系统中三相不平衡较严重，N线中有较大的电流，一旦

6、中性线断线或因连接部分接触不良，甚至发展到断线的程度。这就在负载测中性点上产生电压位移，致使各相电压严重的失去平衡，其中某一相电压高于额定电压甚多，与此相连的各种电气设备在高于额定电压的作用下被烧毁甚至引起电气火灾。,注,谐波对基于计算机系统的控制设备和电子装置的影响及危害,一般规定给计算机供电的三相四线制或二相三线制的配电线路，其线截面不应小于相线截面的2倍，否侧大量的3次谐波流过中性线时，就会发生中性线过载、过热现象，严重时甚至发生烧毁线路等事故。,注,指市电电压有效值界于额定值的80-85%之间的低压状态，并且持续时间达一个到数个周期，甚至更长。其产生原因包括：大型电力变压器接入、主电力

7、线切换、线路过载等。 电压下陷是最常见的电力问题，它占了电力问题的87%。电源可能因某种原因而造成短时间的电压下降。它对计算机的影响轻则使keyboard等接口设备暂停作业，重则使数据流失、档案毁坏。电压的下陷同时也会使计算机内的组件毁坏，以致于寿命减短。,2、电压下陷/下降的危害,对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更

8、多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。,3、开关和继电保护,对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。,电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常须靠电压波形的过零点或其它电压波形取得同步运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个相间电压高于另一个相间电压的位置点。这两点对于不同类型的电力电子电路控制是至关重要的。控制系统对这两点(电压过零点与电

9、压位置点)的判断错误可导致控制系统失控。,4、 对电力电子设备干扰,而电力与通讯线路之间的感性或容性耦合亦可能造成对通讯设备的干扰。计算机和一些其它电子设备，如可编过程控制器(PLC)，通常要求总谐波电压畸变率(THD)小于5%，且个别谐波电压畸变率低于3%，较高的畸变量可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断，导致较大的经济损失。,指射频干扰(RFI)和电磁干扰(EFI)及其它和种高频干扰。源于电磁波或高频波感应，它是高频率的变化，在正常电力50Hz频率上介于15-100%电位扰动。马达运行、断电器动作、马达控制器工作、广播发射、微波辐射及电气风暴都会造成噪声。 杂讯过大，可能让电脑CP

10、U产生误判，严重者可能烧坏CPU和其他电脑配件，可造成无线电传输中断。,5、杂讯干扰,线性负荷：,非线性负荷：,V,I,V,I,电阻性元件 频率比例性元件,不产生谐波,谐波产生源,四、谐波的产生,铁磁性设备 发电机、电动机、变压器等 电弧性设备 电弧炉、点焊机等 电子式电力转换器等 整流器、变频器、 UPS等,谐波产生源,谐波产生源（铁磁性设备）,变压器,Xp,Xs,Xm,谐波产生源（电弧性设备）,谐波产生源（电弧性设备）,交流电弧炉,移动杆,人造石墨电极棒,水冷式电缆,炉变压器,电极操作机构,熔铁液,谐波产生源（电弧性设备）,直流电弧炉,移动杆,人造石墨电极棒,水冷式电缆,整流器,电极操作机

11、构,熔铁液,谐波产生源（电弧性设备）,实功率消耗,电极棒消耗,耐火砖消耗,电压闪变,温升效率,谐波产生源（电弧性设备）,主要谐波电流,I2 I3 I4 I5 I7,精练期,熔解期,平均：7.7% 5.8% 2.5% 4.2% 3.1% 高达：22.3% 32.7% 15.4% 18.5% 8.9%,平均： 2.0% 2.1% 高达：7.3% 21.7% 3.1% 8.5% 2.6%,(IEEE Std 519-1992),谐波产生源（电弧性设备）,电弧性设备负载特性,无功补偿 （快速变化）,电压闪变,谐波,三相不平衡,快速变化负载,谐波产生源（电焊设备）,点焊机,点焊机,谐波产生源（电焊设备）

12、,谐波产生源（电力电子元件）,DC,+,-,AC,直流电机、UPS、电镀、电解、充电机,整流器(Converter),交-直 整流装置,中频炉工作原理：,中频炉是一种将工频50Hz交流电转变为中频（300Hz以上至10000Hz）的电源装置，配上感应圈及补偿电容器，应用电磁感应原理的加热设备。,广泛应用于有色金属和黑色金属的熔炼、加热,工业用炉,中频感应炉,工业用炉,中频感应炉,几种常见的中频炉：,中频真空炉：,中频炉产生谐波的危害：,工作中产生大量的谐波,电气设备,电力系统,继电保护,自动装置,电 网,通信、电子,电能传输和利用效率降低,过热，产生振动、噪音，故障、烧毁,串并联谐振，造成电容

13、补偿设备损毁,误动作，导致电能计量混乱,误动作，导致电能计量混乱,严重干扰,n:谐波次数 k:常数 1,2,3, p:pulse数,谐波的阶次,3,3 5,5 7,.,黑化炉,谐波电流含有率 （半控）,偶次谐波,黑化炉,谐波电流含有率 （半控）,谐波产生源（电力电子元件）,变频器(Inverter),交-直-交 变频装置,电动机变频调速 （可节电20%50%） 中频炉、高频炉 （较工频炉体积减小1/22/3）,变频器 (Inverter),+,-,P W M,M O T O R,AC,DC,AC,造纸机械、纺织机械、印刷设备、中（高）频炉,n:谐波次数 k:常数 1,2,3, p:pulse数

14、,谐波的阶次,整流设备- 非相控型和全控型,谐波电流含有率,五次谐波,谐波电流含有率,整流设备- 非相控型和全控型,A,B,C,N,计算机,显示屏,UPS,照明装置,点焊机,In:谐波电流值 I1:基本波电流 n :谐波次数,谐波的量（一般情况针对整流设备）,谐波电流,LOAD,谐波电压,阻抗,谐波的方向,用户 - A,谐波的污染,供电网,谐波的污染,用户 - A,一变频器负载： 6-Pulse 700KW P.F=0.9 400V 请问： I1= I2= I3= I4= I5= I6= I7= I8=,问题一：,A,B,C,N,单相设备,单相设备,单相设备,I1=100A I3=36A,I1

15、=110A I3=40A,I1=98A I3=34A,I3=?,问题二：,LOAD,供电网,发电机组,G,负载相同 谐波电流 I5=100A,问题三：,LOAD,供电网,负载相同 谐波电流 I5=100A,何种供电模式下 电网供电发电机供电 谐波电压较严重？,变频器内部装置的滤波器,抑制电磁波的“滤波器” （此类设备需符合EMC）,辐射电磁波可使用金属外壳阻断,与电力谐波无关,变频器内部已装置滤波设备？,问题四：,电力谐波与电磁波的不同？,辐射,传导电流：,LOAD,谐波,电磁波,都是高频率 的信号,50Hz 1st,2500Hz 50th,15000Hz 300th,30MHz,电力谐波,传

16、导 电磁波,辐射 电磁波,电力谐波与电磁波的不同？,Hz,电线电缆制造业-绝缘挤出机（直流电机）,薄膜、造纸业-直流电机、交流变频,通信广电的机房、电视台-整流设备、变频器,化纤纺织业-变频器、整流式电加热,铝加工业-多级传动的直流电机,汽车行业-焊接车间、单相快速变化负荷,5、产生谐波的行业与设备,轮胎、三角带行业-密练机（大功率直流负载）,水泥行业-变频器,印刷行业-变频器,电池行业-交直流充电机,钢铁行业-电弧炉、中频炉、轧机,民建、市政等等行业电梯、变光灯,第二篇：电能质量国家标准,二、与电能质量有关的国家标准,1、电能质量 公用电网谐波(GB/T14549-93),GB/T 1454

17、9-93,注：以上各次谐波电流允许值已经按表中所列实际短路容量折算,折算公式为： 式中：Ih 公共连接点的各次谐波电流允许限值 单位：A IGB基准短路容量下公共连接点各次谐波电流允许限值 单位：A Sr 实际短路容量 单位：MVA Sj 基准短路容量，取250 单位：MVA,同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流值按此用户在该点的协议容量或最大负荷容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，即： 式中：Si 用户的用电协议容量或最大负荷容量 MVA St 公共连接点供电设备容量 单位：MVA Ih 公共连结点的各次谐波电流允许限值 单位：A Ihi 经过折算后的出线各次谐波电流允许值

18、 单位：A 相位叠加系数，其值按照表5-2-1取值,表 相位叠加系数,2、电能质量 电力系统频率允许偏差(GB/T15945-1995),3、电能质量 供电电压允许偏差(GB/T12325-1995), 正常允许0.2HZ,根据系统容量可以放宽到0.5HZ 用户冲击引起的频率变动一般不得超过0.2HZ, 35KV及以上为正负偏差绝对值之和不超过10% 10KV及以下三相供电为7% 220伏单相供电为7%，10%,4、电能质量 三相电压允许不平衡度(GB/T15543-95),正常允许2%，短时不超过4%，每个用户一般不得超过1.3% 适合各电压等级，累计超标不超过72min且30min内超标不

19、超过5min 。,5、电能质量 电压波动和闪变 (GB/T12326-2000),电压变动值d（相邻两个极值电压之差），电压变动频率(单位时间内电压变动的次数)，闪变值是对电压波动造成闪烁的主观视感指标，分短时间闪变值Pst，长时间闪变值Plt。,=1000时， 低压、中压：d=1.25%4% ；高压：d=1.0%2%,对于随机不规则变动，d=2%( LV，MV) 和 d=1.5%( HV),闪变限值：,6、电能质量 暂时过电压和瞬时过电压(GB/T18481-2000),252kv： 1.3 pu 110220kv： 1.4 pu 35kv66kv： 3 pu 35kv10kv： 1.1 p

20、u,过电压：,谐振过电压 ：,3KV66KV用断路器开断并联电容器时电容器高压端对地电压不超过4.0 pu，电容的极间过电压不超过U n.c,1KV66KV系统单相间隙性电弧接地过电压 ：,不接地： 3.5 pu； 消弧线圈接地：3.2 pu 电阻接地： 2.5 pu,7、电压凹陷（或跌落）：暂无,下图为美国计算机制造商协会公布的供电电源的质量规范。,IEEE 519-1992 Table 10.3,TDD vs THD,* As the load decreases, TDD decreases while THD(I) increases.,国家标准的几点说明,谐波电压限值 谐波电流限值

21、95%概率大值 何谓超标 采样次数及频率 每次采样的数据处理 采样工具及精度,第三篇：电能质量的监测与评估,三、电能质量的监测与评估,1、监测与评估的五个内容, 公用电网公共供电点(PCC)的电能质量监测 干扰负荷测试与评估 电能质量纠纷测试 电力设备电磁兼容测试 电能质量控制装置对电能质量改善效果的测试和评估,2、电能质量监测与分析仪器的主要技术指标,、频率特性好 ； 02500HZ内幅值误差应小于满量程的 4% ；50HZ幅值误差小于满量程的0.2% 、FFT窗口 以4个周期8个周期为宜 。,、谐波测量的允许误差,Uh1%Un；允许误差：5%Uh（A类） 5% Uh （B类） Uh1%Un；允许误差：0.05%Uh（A类） 0.15% Uh （B类）,Ih3%Un；允许误差：5%Ih（A类） 5% Ih （B类） Ih3%Un；允许误差：0.15%Ih（A类） 0. 5% Ih （B类）,电压:,电流:,A类：用于较精密测量，B类：用于一般测量。 功能可根据实际需要选择便携式，在线式的高、低档产品,3、 测试评估案例,某企业电容补偿柜导致总配跳闸，全厂停电,测量数据如下,当 m = 5时 n = 7.9 ；当 m = 7时 n = 4.03,n = 8时 X c1= = 1.