供配电安全技术-第5讲电能质量与无功补偿

供配电安全技术第五讲：电能质量与无功补偿中国矿业大学信息与电气工程学院电气安全与智能电器研究所刘建华目录一、电能质量简介二、无功补偿简介三、谐波四、电能质量及无功补偿治理2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院3一、电能质量简介：内容及标准1.GB/T12325-2008电能质量供电电压允许偏差2.GB/T12326-2008电能质量电压波动和闪变3.GB/T15543-2008电能质量三相电压允许不平衡度4.GB/T15945-2008电能质量电力系统频率允许偏差5.GB/T18481-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压6.GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波7.GB/T24337-2009电能质量公用电网间谐波2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院4一、电能质量简介：供电电压允许偏差电压偏差计算：供电电压的允许偏差：1）35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称系统电压的10％；注：如供电电压上下偏差同号（均为正或负）时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。2）10kV及以下三相供电电压允许偏差为标称系统电压的±7％。3）220V单相供电电压允许偏差为标称系统电压的+7％、－10％。4）对供电电压允许偏差有特殊要求的用户，由供用电双方协议确定。100实测电压－标称系统电压电压偏差(%)＝%标称系统电压2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院5一、电能质量简介：电压波动和闪变电压变动特性d(t)：电压方均根值变动的时间函数，以系统标称电压的百分数表示。电压变动d：电压变动特性d(t)上，相邻两个极值电压之差。电压变动频度r：单位时间内电压变动的次数(电压由大到小或由小到大各算一次变动)。同一方向的若干次变动，如间隔时间小于30ms，则算一次变动。电压波动：电压方均根值一系列的变动或连续的改变。电压变动频度r次/小时电压变动d的限值低压、中压高压r≤1431＜r≤1032.510＜r≤10021.5100＜r≤10001.251电力系统公共连接点或波动负荷用户引起的公共连接点电压变动限值2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院6一、电能质量简介：电压波动和闪变(续)闪变时间t:一个有时间量纲的值，表示电压变动的闪变影响，和波形、幅值以及频度均有关。闪变：灯光照度不稳定造成的视感。短时间闪变值Pst:衡量短时间(若干分钟)内闪变强弱的一个统计量值。长时间闪变值Plt:由短时间闪变值推算出，反映长时间(若干小时)闪变强弱的量值。电压等级低压中压高压短时间闪变值1.00.9(1.0)0.8长时间闪变值0.80.7(0.8)0.6注：短、长时间闪变值每次测量周期10min、2小时；中压括号中的值仅适用于公共连接点连接的所有用户为同电压级的用户场合。电力系统公共连接点各级电压下的闪变限值2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院7一、电能质量简介－三相电压允许不平衡度电压不平衡度允许值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。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、但必须满足上条的规定。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。2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院8一、电能质量简介－电力系统频率允许偏差电力系统频率允许偏差：正常允许±0.2Hz，当系统容量较小时允许±0.5Hz。用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过±0.2Hz，根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值，但应保证近区电力网、发电机组和用户的交全、稳定运行以及正常供电。2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院9一、电能质量简介－公用电网谐波总谐波畸变率(THD)：周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比(用百分数表示)。分为电压总谐波畸变率与电流总谐波畸变率。公用电网谐波电压(相电压)限值电网标称电压kV电压总谐波畸变率％各次谐波电压含有率％奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.82020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院10一、电能质量简介－公用电网谐波（续）公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量(方均根值)不应超过表2中规定的允许值。当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，表2中的谐波电流允许值应进行换算即：各次谐波电流分量＝各次谐波电流允许值*(公共连接点的最小短路容量/基准短路容量)。一、电能质量简介－暂时过电压和瞬态过电压交流电力系统中的电气设备，在运行中除了作用有持续工频电压(其值不超过系统最高电压Um,持续时间等于设计的运行寿命)外，还受到过电压的作用。按照作用过电压的幅值、波形及持续时间，可分为;—暂时过电压，包括工频过电压、谐振过电压;—瞬态过电压，包括操作(缓波前)过电压、雷电(快波前)过电压一、电能质量简介－暂时过电压和瞬态过电压各类过电压的典型波形如下表所示：二、无功补偿简介：标准1.国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则2004；2.SD325-89电力系统电压和无功电力技术导则;3.DL/T1010高压静止无功补偿装置;4.GB/T15576低压成套无功功率补偿装置;5.GB50227并联电容器装置设计规范二、无功补偿简介：无功补偿的原理将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，电容释放能量;而电感放出能量时，电容器吸收能量。因此能量就只在它们之间交换，即感性负荷所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。因此把由电容组成的装置称为无功补偿装置。无功补偿的作用如下图所示:设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为QC，使电源输出的无功功率减少为Q1=Q一Qc，功率因数由cosΦ小提高到cosΦ’小、，视在功率S减少到S’.二、无功补偿简介：无功补偿的主要方法根据补偿装置安装位置的不同，可以将无功补偿分为个别补偿（随机补偿或就地补偿）、集中补偿、分组补偿（分散补偿）。三种补偿方式如下图所示：二、无功补偿简介：无功补偿的主要方法就地补偿:将低压电容器组分散地与用电设备的供电回路相并联，随用电设备同时投入或退出运行，使用电设备消耗的无功功率得到就地补偿，能获得明显的降损效益。集中补偿:无功功率补偿装置通过开关接在母线侧。用以补偿配电变压器、输电线路、配电线路的无功功率损耗。2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院17三、谐波：谐波的产生非线性负载产生谐波：工业用易产生谐波设备：直流调速器、变频调速器、不间断电源系统（UPS）、现代照明系统、焊接装置、感应加热炉、整流器、饱和变压器等。民用易产生谐波设备：电视机、空调、计算机、日光灯、电冰箱等。谐波流向：谐波电流主要流过电容器。谐波电流也流过电网。谐波电流的流动导致谐波电压。谐波也注入其他接入同一电网总线的线性负载。注入电网的谐波也会流向联网的其他用户。2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院18三、谐波：三相整流产生的谐波三相整流设备产生的谐波电流，其谐波次数可按如下公式求得：N=fn/f1=K*P±1公式中：N=谐波次数；fn=谐波电流频率；f1=基波电流频率；K=1，2，3，…；P=整流设备的波头数（6、12、24）。例如：6波头的整流器将产生5，7，11，13…次谐波。三相整流设备产生的谐波电流值可按如下公式求得：In=I1/N公式中：In=N次谐波的电流值;I1=基波电流值;N=谐波次数。2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院19三、谐波：谐波的种类特性谐波：与相关回路结构相关.有规律的谐波次数.谐波频率可由公式k*p+1;k=1,2,3…得到.谐波频率呈规律性.非特性谐波：由频率转换设备产生.系统不平衡(电压和感抗)3次谐波（零序谐波）：3*(2n+1),n=0,1,2…例如3,9,15,21..等.主要影响零序.增加零相电流.2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院20三、谐波：谐波的相序（1）每一谐波的相序都有关于基波的联系.按约定基波被设定为正相序.所有高次谐波都有相对于基波的正、负或是零相序.2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院21三、谐波：谐波的相序（2）RYB的相序(+Seq.)基次分量RYB基次+120o0o-120o二次+240o0o-240o谐波-120o0o+120o因而二次谐波作为负序分量运转.YRBYRB负序2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院22三、谐波：谐波的相序（3）RYB的相序(+Seq.)基次分量RYB基次+120o0o-120o三次+360o0o-360o谐波+0o0o-0o因而三次谐波作为零序分量运转.YRBRYB2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院23三、谐波：谐波的相序（4）谐波次序123456789相序+-0+-0+-0正序负序零序基次2次3次4次5次6次7次8次9次10次11次12次3n+1次3n+2次3n+3次被3除余1被3除余2可被3整除每一谐波的相序算法及排列：2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院24三、谐波：谐波的相序（4）各序谐波的特性及危害：正序负序零序‘趋肤效应’引起过热‘趋肤效应’引起过热‘趋肤效应’引起过热支持基波与基波对抗在中性点积聚中温过热产生零线发热相对危害较少危害很多造成中性线接地和开路情况的原因2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院25三、谐波：对设备的的危害设备种类谐波影响变压器由于趋肤效应增加铜损；谐波高频增加铁损；降低效率。电动机增加铜损，铁损；脉动转矩。电力电缆增加铜损，导致过热。开关装置，继电保护误动或据动。自动控制装置操作不正常。电力电容器由于串联或并联谐振导致电容器过载。通信设备产生严重干扰。2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院26四、电能质量的治理设备：内容及目标使注入公用电网的谐波电流及公共连接点的谐波电压在国标限值以内；提高用户用电的功率因数；使电压波动和闪变在国标限值以内；使电压凹陷、凸起、短时中断的幅值和持续时间在设备容许范围内。使用户设备在电磁兼容允许范围内安全经济运行，把对电网的干扰限制在国标限值以内。2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院27四、电能质量的治理设备：如下设备无源滤波器FC（手动/自动投切，调谐/非调谐）静止型动态无功补偿装置SVC：TSC、TSC+TCR、FC+TCR、FC+MCR。静止无功发生器SVG（又称静止同步补偿器STATCOM）。有源滤波器APF2020年4月22日星期三中国矿业大学信电学院28四、电能质量的治理设备：无源滤波器FC主要器件：电容器+电抗器+电阻器（可选）投切方式：手动、自动功能：纯补偿（非调谐）、补偿＋滤波（调谐）滤波原理：采用电力电容器串联适当比例的电抗器，形成针对某一特定频率的低阻抗滤波回路，吸收特定频率的谐波电流，补偿基波无功功率。适用场合：无功功率大、功率因数低、无功变化不频繁，具有典型特征谐波（5，7，11，13次）的工业负荷。优点：结构简单，造价低廉，适合大规模应用。缺点：响应时间长，两次投切间隔通常要几秒放电时间，不能补偿动态无功；补偿容量受到电网电压的限制，电网电压越低，输出无功越小，而此时恰恰需要向电网输出无功，以期抬高电网电压水平；只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用；滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以