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电能质量与提高技术西安科技大学电控学院傅周兴教授主要内容绪论电能质量的概念及分类稳态电能质量暂态电能质量电能质量的污染治理电能质量检测器1.绪论1.1电能及特点：电能：是一种特殊的商品,既具有以商品形式向用户出售的性质,又具有为千百万用户服务的公用事业性质。特点：不能储存,是发、供、用电同时完成并由用电的多少来决定发电与供电的多少。因此,对用户连续不断供电是电能质量的一个重要标志。1.2电能的发展电能供应垄断性用户与电力企业间矛盾不断发生完善电能标准采取措施提高用户、供电企业电能质量1.3电能质量问题产生的原因电力负荷构成的变化大量谐波注入电网1.4电能质量问题的解决1)具体问题具体分析2)搞好电能质量涉及电力企业各个部门(例如调配、试验、规划设计、用电管理、生技等等)需要用户内部相关部门的配合。3)总体上需要建立一套监督管理体系,并有配套的标准和相关的产业作支持。2.电能质量的概念及分类2.1电能质量的定义１）电能质量＝供电质量＝电压质量＋供电可靠性２）IEEE(国际电工委员会)定义：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适合该设备正常工作3）技术方面来定义：导致用电设备故障的或者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、电压波动及闪变、三相不平衡、暂时或暂态过电压、波形畸变、电压暂将与短时间中断以及供电连续性2.2电能质量的分类类型稳态电能质量暂态电能质量定义电力系统稳态运行方式下所具有的电能质量参数电网遭受外来干扰侵袭及内部故障、操作所带来的系统冲击问题衡量指标电压/频率偏差三相不平衡度、谐波电压波动与闪变电压脉冲、电压跌落、电压瞬时中断影响范围较广，程度深范围较小，后果严重研究现状起步早标准体系完善实用的监测装置起步晚标准体系不健全研究处于仿真阶段3.稳态电能质量3.1性能指标电压偏差频率偏差三相不平衡度谐波电压波动与闪变3.1.1电压偏差1、概念：电压偏差即为实际供电电压与额定供电电压之间的差值。2、范畴：该问题属于基波无功的范畴3、影响因素：无功功率不足、无功补偿过量、传输距离过长、电力负荷过重和过轻等,其中无功功率不足是造成电压偏差的主要原因。4、相关标准电能质量电力系统电压允许偏差QualityofelectricenergysupplyPermissibledeviationofvoltageforpowersystem1)、主题内容与适用范围本标准规定了供电电压允许偏差。指定本标准的目的，是使供电电压质量得到基本保证，以获得良好的社会经济效益。本标准适用于交流50Hz电力系统在正常运行条件下，供电电压对额定电压的偏差。本标准不适用于瞬态和非正常运行情况。注：1本标准中额定电压为系统额定电压。2正常运行条件是指电力系统中所有元件都按预定工况运行2)、引用标准GB156额定电压3)、供电电压允许偏差a.35kV以及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的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。b.10kV及以下三相供电电压允许偏差为±7%。c.220V单相供电电压允许偏差为额定电压+7%、-10%。注：1用电设备额定工况的电压允许偏差仍由各自标准规定，例如旋转电机按GB755《旋转电机基本技术要求》规定。2对电压有特殊要求的用户，供电电压允许偏差由供用电协议确定。5、电力系统电压调整1）中枢点调压2）发电机调压3）变压器调压4）改变电网无功功率分布调压3.1.2频率偏差1、概念：电力系统内的实际频率与标称频率（50Hz）之间的偏差2、范畴：该问题属于基波有功问题3、影响因素：负荷的波动,主要包括变化周期在10s～3min的负荷脉动和变化十分缓慢的持续变动分量且带有周期规律的负荷。电能质量电力系统频率允许偏差QualityofelectricenergysupplyPermissibledeviationoffrequencyforpowersystem4、相关标准1)、主题内容与适用范围本标准规定了电力系统频率允许偏差值及其测量仪表的基本要求。本标准适用于正常运行下标称频率为50Hz的电力系统。本标准不适用于电气设备的频率允许偏差。2)、术语a频率偏差frequencydeviation系统频率的实际值与标称值之差。b频率变动frequencyvariation频率变化过程中相邻极值频率之差。c冲击负荷impactload生产(或运行)过程中周期性或非周期性地从电网中取用快速变动功率的负荷.3)、频率偏差允许值a.电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz。当系统容量较小时偏差值可以放宽到±0.5Hz。b.用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超±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、发电机组和用户的安全、稳定运行以及正常供电。4)、测量仪表用于频率偏差指标评定的测量，须用具有统计功能的数字式自动记录仪表，其绝对误差不大于0.01Hz5、频率偏差对电力系统的影响1）系统低频运行对水电厂的影响；2）系统低频运行对火电厂的影响；3）系统低频运行对负荷的影响；4）电力系统高频运行时的危害。a.电力系统的运行频率高于额定值，但不超出运行允许上限的工况；b.电力系统频率超出正常运行上限的工况。6、电力系统的频率调整1）频率的一次调整；2）频率的二次调整；3）调频厂的选择。3.1.3三相不平衡度1、概念理想的三相交流电力系统中,三相电压应有相同的幅值,且相位角互差2π/3。这样的系统叫做三相平衡(或对称)系统。但是在实际中,由于各种因素,电力系统并不是完全平衡的。2、影响因素：事故性不平衡：是由于三相系统中某一相(或两相)出现故障所致,例如一相或两相断线或者单相接地故障等。正常性不平衡：是由于系统三相元件或负荷不对称引起的。3、相关标准电能质量三相电压允许不平衡度QualityofelectricenergysupplyAdmissiblethree-phasevoltageunbalancefactor1）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。2）术语a.不平衡度unbalancefactor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。b.正序分量positive-sequencecomponent将不平衡的三相系统的电量按对称分量分解后，其正序对称系统中的分量。c.负序分量negative-sequencecomponent将不平衡的三相系统的电量按对称分量分解后，其负序对称系统中的分量。d.公共连接点pointofcommoncoupling电力系统中一个以上用户的连接处。4、三相不平衡的危害1）引起旋转电机的附加发热和振动，危及其安全运行和正常出力；2）引起以负序分量为启动原件的多种保护发生误动作（特别是电网存在谐波时），会严重威胁着电网安全运行。3）电压不平衡使发电机容量利用率下降；4）变压器的三相负荷不平衡，不仅会引起负荷较大的一相过热，并且也会造成附加损耗。5）对于通信系统，电力三相不平衡，会影响正常的通信质量。5、三相不平衡的改善措施1）将不对称负荷分散接到不同的供电点，以减小集中连接造成的不平衡度超标问题；2）使不对称负荷合理的分配到各项，尽量使其平衡化。3）将不对称负荷接到更高电压级以上供电，以使连接点的短路容量足够大3.1.4谐波1、概念国际上公认的谐波定义为:谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍,也常称它为高次谐波。国际电工标准(IEC555-2,1982)、CIGRE的文献(工作组报告36-05)中对谐波也都有明确的定义:谐波分量为周期量的傅里叶级数中1的n次分量。对谐波次数n的定义则为:以谐波频率和基波频率之比表达的整数。IEEE标准519—1981中的定义为:谐波为一周期波或量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍。2、性质：(1)谐波次数n必须是正整数电力系统的额定频率为50Hz,则其基波为50Hz,2次谐波为100Hz,3次谐波为150Hz。n不能为非整数,因此也不能有非整数次谐波。(2)谐波和暂态现象的区别通常认为谐波现象的波形保持不变,而暂态现象则在每周的波形都发生变化或有衰减现象等。根据傅里叶级数3、范畴：该问题属于非线性负荷用电特性问题。4、影响因素：电网中非线性负荷的介入、电网的结构参数、运行方式，特别是储能设备的配置等因数也是影响谐波问题严重的重要原因。5、谐波的产生：a.变压器和电抗器造成的谐波在电弧燃烧过程中,电弧的电压与通过的电流有关。电流增大,电阻以更快的速度降低,这使得电弧的伏安特性呈现明显的非线性。即使在电弧中通过正弦波形的电流时,电弧电压的波形也不是正弦波形的。这样就产生了高次谐波。(1)气体放电灯(2)电弧焊设备(3)电弧炉b.电弧的非线性伏安特性造成的高次谐波c.整流、换流装置整流、换流装置在变换电力的工作过程中,使得从电力系统输入的电压、电流之间失去了比例关系,导致了负荷电流波形的非正弦。d.家用电器家用电器所产生的谐波电流可以从低压系统馈入电网。一般家用电器所产生的高次谐波电流含量如表2所示。6、谐波的危害谐波对电力系统或并联的负载产生种种危害,危害的程度取决于谐波量的大小、现场条件等因素。1）谐波对电网的危害a.电网内的谐振现象b.增加网络损耗2）谐波对低压电器的危害谐波电流的流入会导致整个设备过热。它能升高设备的温度,降低绝缘寿命,而在加热过程中又影响整个设备。以下描述一些低压用电设备受谐波的影响。电阻电感负荷显著缩短灯泡寿命弧光灯显著缩短寿命电动机谐波对电动机的主要影响是引起附加损耗,其次是产生机械振动、噪声和谐波过电压。整流装置及其负荷谐波使电压偏差复杂化，导致运行误差。对信息机的影响对信息机数据的传输、处理带来严重的影响,特别是运算速度快的计算机会产生误动作,使正常的工作程序遭到破坏,直到损伤信息机的半导体器件。７、电力系统谐波的抑制1）减少谐波源的谐波含量；2）在电容器回路串接电抗器；3）安装交流滤波器；4）采用有源滤波器；5）加大供电系统容量和合理选择供电电压；6）采用相数倍增法。８、相关标准电能质量公用电网谐波QualityofelectricenergysupplyHarmonicsinpublicsupplynetwork1）主要内容与适用范围本标准规定了公用电网谐波的允许值及其测试方法。本标准适用于交流额定频率为50Hz，标称电压110kV及以下的公用电网。标称电压为220kV的公用电网可参照110kV执行。本标准不适用于暂态现象和短时间谐波。2）引用标准GB156额定电压3）术语a.基波（分量）fundamental(component)对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到的频率与工频相同的分量。b.谐波（分量）harmonics(component)对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。c.谐波次数（h）harmonicsorder谐波频率与基波频率的整数比。d.谐波含量（电压或电流）harmonicscontent(forvoltageorcurrent)从周期性交流量中减去基波分量后所得的量。e.谐波含有率harmonicsratio(HR)周期性交流量中含有的第h次谐波分量的方均根值与基波分量的方均根值之比（用百分数表示）。f.总谐波畸变率totalharmonicdistortion(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）g.谐波源harmonicsource向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备。h.短时间谐波shortdurationharmonics冲击持续的时间不超过2s，而且两次冲击之间的间隔时间不小于3