【文章內(nèi)容簡介】 照 IEC 標(biāo)準(zhǔn)和 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)系我國電力系統(tǒng)實(shí)際情況， 我 國 最新制定的電能質(zhì)量指標(biāo)主要包括五項(xiàng)： 供電電壓偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差、公用電網(wǎng)諧波、三相電壓不平衡、電壓波動和 閃變。除此之外，還有暫態(tài)電能質(zhì)量問題、短持續(xù)時(shí)間電能質(zhì)量問題和長持續(xù)時(shí)間電能質(zhì)量問 題等。 供電電壓允許偏差 電壓偏差的產(chǎn)生原因及危害 電壓偏差是指系統(tǒng)各處的電壓偏離其額定值的百分比，它是由于電網(wǎng)中用戶負(fù)荷的變化或電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變，使加到用電設(shè)備 上 的電壓偏離 電網(wǎng) 的額定電壓。石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 一般來說造成電網(wǎng)電壓偏差的最主要原因 是無功功率的傳輸。另外，電力電容器的投切對母線電壓偏差的影響也 非常大 [3]。 對于配電網(wǎng)最廣泛應(yīng)用的電動機(jī)，當(dāng)電壓低于額定電壓時(shí) ,轉(zhuǎn)矩減小、 轉(zhuǎn)速下降，一方面 導(dǎo)致工廠 生產(chǎn)出 次品、廢品； 另一方面造成 電流 變大 ，電機(jī)溫 升增加，線圈發(fā)熱，加劇絕緣老化，甚至燒壞 的 后果 。當(dāng)電壓高于額定電壓時(shí)， 一方面 引起 轉(zhuǎn)距 變大 ，使聯(lián)結(jié)軸和從動設(shè)備上的加速力增加，引起設(shè)備的振動、損壞； 另一 方面引起 啟動電流增加，在供電線路上產(chǎn)生較大的電壓降，影響其他電氣設(shè)備的運(yùn)行。 對于發(fā)電機(jī)而言，電壓偏差會引起無功電流的增大，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的去磁效應(yīng)增加，電壓降低，過度增大激磁電流使轉(zhuǎn)子繞組的溫升超過允許范圍，加速絕緣老化，降低電機(jī)壽命，甚至燒壞。 對于日常的照明燈具，電壓對燈的光通量輸出和壽命的影響很大，當(dāng)加于燈泡的電壓低于額定電壓時(shí)，發(fā)光效率會降低，人的工作環(huán)境惡化，視力減弱；當(dāng)高于額定電壓時(shí)，燈泡壽命會減少、燒壞。 國標(biāo)中的規(guī)定 及 計(jì)算方法 在國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》中規(guī)定 了 供電電壓偏差的相關(guān)計(jì)算方法及限制 [6]。 (1)供電 電壓偏差的測量 供電 電壓偏差的測量方法 為 獲得電壓有效值的基本測量時(shí)間窗口為 10 周波 ，并且每個(gè)測量時(shí)間窗口應(yīng)該與緊鄰的測量時(shí)間窗口 接近 而不重疊，連續(xù)測量并計(jì)算電壓有效值的平均值，最終計(jì)算獲得供電電壓偏差值，計(jì)算公式 如式 (21)所示 。 (21) 計(jì)算出的 供電 電壓偏差 的 限 值應(yīng)滿足如下規(guī)定： ① 35kV 及以上供電電壓正、負(fù)偏差的絕對值之和不超過額定電壓的 10%， 如電壓上下偏差同號 (均為正或負(fù) )時(shí)， 按較大的偏差絕對值作為衡量依據(jù)； ② 20kV 及以下三相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱電壓的 177。7%； ③ 220V單相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的 +7%、 10%； ④ 對供電 短路 容量較小，供電距離較長以及對供電 電壓偏差有特殊要求的用戶，由供 、 用電雙方協(xié)議確定。 (2)電壓 合格率統(tǒng)計(jì) 通過供電 電壓 偏差的統(tǒng)計(jì)計(jì)算獲得電壓合格率 。 供電 電壓 偏差監(jiān)測統(tǒng)計(jì)的時(shí)間為min， 通常每次以月 (或 周、季、年 )的 時(shí)間為電壓監(jiān)測的總時(shí)間，供電電壓偏差超限石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 的時(shí)間 累計(jì) 之和為電壓超限時(shí)間，監(jiān)測點(diǎn)電壓合格率計(jì)算公式如式 (22)所示 。 (22) 電力系統(tǒng)頻率偏差 頻率偏差的危害 從整個(gè)電力系統(tǒng)來講，低于系統(tǒng)頻率或高于頻率運(yùn)行時(shí)，對發(fā)電廠和用戶都有不利的影響 [7]， 具體表現(xiàn)為 ： (1)用戶使用的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與 系統(tǒng)頻率有關(guān)。頻率變化將引起電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量； (2)在頻率降低時(shí)，火力發(fā)電 廠的風(fēng)機(jī)和水泵所提供的風(fēng)量和水量將迅速減少，影響鍋爐的正常運(yùn)行； (3)低頻率運(yùn)行 ， 汽輪機(jī)葉片所受的應(yīng)力 增加，引起葉片的共振，縮短葉片的壽命，甚至使葉片斷裂；發(fā)電機(jī)的通風(fēng)量將減少，而為了維 持正常電壓，又要求增加勵磁電流，使得發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的溫升增加； (4)低頻率 運(yùn)行時(shí)，由于磁通密度的增大，變壓器的鐵心損耗和勵磁電流都將增大； (5)頻率降低時(shí)，系統(tǒng)中負(fù)荷的無功功率將增大，而負(fù)荷的無功功率增大又將促使系統(tǒng)電壓水平的下降。 總之，由于所有設(shè)備都是按系統(tǒng)額定頻率設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)頻率質(zhì)量的下降將影響各行各業(yè)。而頻率過低時(shí)，甚至?xí)拐?個(gè)系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。 國標(biāo)中的規(guī)定 及 計(jì)算方法 在國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng) 頻率 偏差》中規(guī)定了 供電電壓偏差的相關(guān)計(jì)算方法及限制 [8]。 (1)頻率 偏差 的 計(jì)算 電力系統(tǒng)頻率偏差定義為系統(tǒng)頻率的實(shí)際值和標(biāo)稱值之差 ，可用 式 (23)計(jì)算。 (23) 式中 ?f 是頻率偏差， f 為實(shí)際頻率， fN則為 標(biāo)稱 頻率， 本標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定 為 50Hz。 計(jì)算出 的頻率偏差應(yīng)滿足如下規(guī)定 ： ① 電力系統(tǒng)正常 運(yùn)行 條件下 頻率偏差限 值 為 177。0 .2Hz。當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，偏差可石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 以放寬到 177。0 .5Hz； ② 沖擊負(fù)荷引起的頻率 偏差限值 一般不得超過 177。，根據(jù)沖擊負(fù)荷性質(zhì)和大小以及系統(tǒng)的條件也可適當(dāng)變動限值，但應(yīng)保證近 區(qū) 電力網(wǎng)、發(fā)電機(jī)組和用戶的安全、穩(wěn)定運(yùn)行以及正常供電。 (2)頻率 合格率統(tǒng)計(jì) 通過 檢測及直接或間接地統(tǒng)計(jì)頻率超限時(shí)間以活動表征電網(wǎng)頻率在限值內(nèi)的一種方法。統(tǒng)計(jì) 時(shí)間 以 秒 為 單位，計(jì)算公式如 式 (24)所示 。 (24) 公用電網(wǎng)諧波 電網(wǎng)諧波的危害 國際上公認(rèn)的諧波含義為：“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，我們也常稱它為高次諧波 [9]。 諧波對電力設(shè)備的影響和危害 [10]，就其后果來說，可分為兩類：第一類是對電力設(shè)備的影響，它可以造成設(shè)備損壞、減少設(shè)備壽命、降低出力等；第二類是對計(jì)算機(jī)、繼電保護(hù)、控制器或系統(tǒng)、儀表以及視聽設(shè)備的影響，它可以造成設(shè)備的工作失誤或性能惡化。具體表現(xiàn)為： (1)對旋轉(zhuǎn)電機(jī) (發(fā)電機(jī)和電動機(jī) )產(chǎn)生附加功率損耗和發(fā)熱、產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩和噪聲； (2)對無功補(bǔ)償電容器組引起諧振或諧波電流的放大，從而導(dǎo)致電容器因過 負(fù)荷或過電壓而損壞；對電力電纜也會造成電纜的過負(fù)荷或過電壓擊穿； (3)對供電網(wǎng)和導(dǎo)線，增加供電網(wǎng)的損耗。 當(dāng)發(fā)生諧振或放大時(shí)，損耗更加嚴(yán)重； (4)對斷路器和熔斷器，電流波 形的畸變明顯的影響斷路器斷路容量，當(dāng)存在負(fù)荷電流畸變時(shí)，在過零點(diǎn)時(shí)可能造成高的 ???? ????? 比，電流為下弦波時(shí)開斷將更為困難，而且由于開 斷時(shí)間延長而延長了故障電流切除時(shí)間，因而造成快速重合閘后的再燃； (5)對變壓器，負(fù)荷 電流中的諧波在變壓器中造成的損耗產(chǎn)生附加發(fā)熱，降低了其負(fù)荷能力； (6)對調(diào)速 驅(qū)動器的影響。諧波可能導(dǎo)致晶閘管誤動作以及觸發(fā)回路誤觸發(fā)等故障； (7)對照明的影響，如運(yùn)行電壓的均方根值由于諧波畸變而高于額定值時(shí)，燈絲溫度升高而降低了燈泡的壽 命； 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 (8)對繼電保護(hù)和自動控制裝置產(chǎn)生干擾和造成誤動或拒動。尤其是一些衰減時(shí)間較長的暫態(tài)過程，如變壓器合閘涌流中的諧波分量，由于其幅 值強(qiáng)、諧波含量也很大，更容易引起繼電保護(hù)的誤動作，造成供電中斷； (9)對儀表和電能計(jì)量的影響?，F(xiàn)代指示均方根值的電壓表和電流表相對地不受波形畸變的影響，受諧波影響較大的是計(jì)量電能的感應(yīng)型電能表，其誤差與頻率特性和非線性度造成的誤差有關(guān)。除電表本身誤差外，諧波負(fù)荷從系統(tǒng)中吸收基波功率而向系統(tǒng)送出諧波功率，這樣受諧波影響的用戶既從系統(tǒng)吸收基波功率又從諧波源吸收無用的諧波功率，其后果是諧波源負(fù)荷用 戶少付電費(fèi)而受害的用戶反而多付電費(fèi)。 總之，諧波對各種電力設(shè)備、通信設(shè)備以及線路都會產(chǎn)生有害的影響，嚴(yán)重時(shí)會造成設(shè)備損壞和電力系統(tǒng)事故。 國標(biāo)中的規(guī)定 及 計(jì)算方法 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》 ，對公用電網(wǎng)諧波電壓限值如 表 21 所示 [10]。 表 21 公用電網(wǎng)諧波的限值 電網(wǎng) 標(biāo)稱電壓 kV 電壓 總諧波畸變率 % 各次 諧波電壓 含有率 % 奇次 偶次 6 10 35 66 110 (1) 諧波 術(shù)語的 數(shù)學(xué) 表達(dá)式 第 h 次諧波電壓含有率 HRUh，如公式 (25)所示： (25) 式中 ， Uh—— 第 h 次諧波電壓 (方均根值 )； Ul—— 基波電壓 (方均根值 )。 諧波電壓含量 UH，如公式 (26)所示： (26) 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 電壓總諧波畸變率 THDu，如公式 (27)所示： (27) (2) 諧波 的測量 在對 電壓 進(jìn)行 測量時(shí)，為了區(qū)別暫態(tài)現(xiàn)象和諧波，對負(fù)荷 變化快 的諧波，每次測量結(jié)果可 為 3s 內(nèi) 所測值的平均值 ， 推薦 采用 式 (28)計(jì)算 。 (28) 電壓波動和閃變 電壓波動和閃變的產(chǎn)生及危害 (1)電壓 波動和閃變的產(chǎn)生 電壓波動 是由于部分負(fù)荷在正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)沖擊性功率變化，造成實(shí)際電壓在短時(shí)間里較大幅度波動，并且連續(xù)偏離額定電壓，所以也稱為快速電壓變動 [11]。 單位時(shí)間內(nèi)電壓變動的次數(shù)稱為電壓變動的頻度 r(s1)，一般以分或秒 為頻度的單位。電壓變動頻度為調(diào)幅波頻率的 2 倍，或表示為 f(Hz)=r(s1)/2。在電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，閃變以燈光閃爍對人眼視感的影響來反映供電電壓的波動程度。閃變是指由于燈光照度不穩(wěn)定造成的視感。閃變不僅與電壓波動的幅值有關(guān)，而且與電壓波動的頻率和波形、照明燈具的性能及人的視感因素有關(guān)。 出現(xiàn)供電電壓波動，使實(shí)際運(yùn)行電壓偏離理想正弦波形和恒定電壓幅值的主要原因是由于各種類型的大功率波動性負(fù)荷投運(yùn)引起的。波動性負(fù)荷的用電特征分為周期性和非周期性的，而周期性和近似周期性的功率波動負(fù)荷對閃變影響更為嚴(yán)重。目前供電系統(tǒng)中功率波動造成干擾的負(fù)荷主要有：電弧爐、軋鋼機(jī)、電氣化機(jī)車等。 (2)電壓 波動 和 閃變的危害 電壓波動會引起多種危害，如電壓快速變動會使電動機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻，不僅危及電動機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，而且還會直接影響一些產(chǎn)品的質(zhì)量。閃變是電壓波動的直接反映，當(dāng)電壓波動嚴(yán)重到引起照明燈具閃爍時(shí)，會使人眼感到疲勞甚至難以忍受而降低工作效率。但閃變還與人的視感因素有關(guān)，所以不能以電壓波動代替閃變。 國標(biāo)中的規(guī)定 及 計(jì)算方法 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《 電能 質(zhì)量 電壓波動和閃變》 ， 任何 一個(gè)波動負(fù)荷用戶在電力系統(tǒng)石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 公共連續(xù)點(diǎn)產(chǎn)生的電壓變動，其限值和電壓變動頻度、電壓等級有關(guān)。對于 電壓 變動頻度較低 (例如 r ≤ 1 000次 /h)或 規(guī)則的周期性電壓波動，可通過測量電壓方 均 根值曲線 U(t)確定 電壓變動頻度和電壓變動值， 電壓波動的限值如 表 22 所示 [12]。 表 22 電壓 波動限值 r/(次 /h) d/% LV、 MV HV r ≤ 1 4 3 1 r ≤ 10 3* * 10 r ≤ 100 2 100 r ≤ 1000 1 注 1：很少 的變動 頻度 (每日 少于 1 次 )， 電壓變動限值 d 還可以放寬。 注 2： 對于隨機(jī)性不規(guī)則的電壓波動，如電弧爐負(fù)荷引起的電壓波動，表中標(biāo)有 “*” 的 值為其限值。 注 3： 參 照 GB/T 1562021， 本標(biāo)準(zhǔn)中系統(tǒng)標(biāo)稱電壓 UN等級 按以下劃分： 低壓 (LV) UN ≤ 1kV 中壓 (MV) 1kV UN ≤ 35kV 高壓 (HV) 35kV UN ≤220kV 對于 220kV 以上 超高壓 (EHV)系統(tǒng) 的電壓波動限值可 參照 高壓 (HV)系統(tǒng) 執(zhí)行。 電力 系統(tǒng)公共連接點(diǎn)，在系統(tǒng)正常運(yùn)行的最小方式下，以一周 (168h)為 測量周期，所有長時(shí)間閃變值 Plt都 應(yīng)滿足一定的 條件 ，如 表 23 所示 ： 表 23 閃變限值 Plt ≤ 110kV 110kV 1 (1) 電壓 波動的測量和估算 電壓 波動可通過電壓方均根值曲線 U(t)來 描述，電壓變動 d 和 電壓 變動 頻度 r 則是衡量電壓波動大 小 和快慢的指標(biāo)。 電壓 變動 d 的 定義表達(dá)式 如 式所示 (29) 式中 ， ?U—— 電壓方均根值曲線上相鄰兩個(gè)極值電壓之差； UN—— 系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。 (2) 閃變 的測量和計(jì)算 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 閃變 是電壓波動在一段時(shí)期內(nèi)的積累效果，它通過燈光照度不穩(wěn)定造成的視感來反應(yīng)，主要由短時(shí)閃變 Pst和長時(shí)間閃變 Plt來 衡量。短時(shí) 閃變值 Pst的 計(jì)算方法 是 通過模擬人眼的感覺通過分析計(jì)算得出結(jié)果 ， 具體 過程將在 后續(xù) 章節(jié)詳細(xì)介紹。 長時(shí)間 閃變值 Plt由 測量時(shí)間段內(nèi)包含的短時(shí)間 閃變值 Pst計(jì)算 獲得 ，如式 (210)所示 ： (210) 三相電壓允許不平衡度 三相不平衡產(chǎn)生的原因及危害 電力系統(tǒng)的三相不平衡是由于三相符合不平衡以及系統(tǒng)元件參數(shù)的不對稱所 致 。三相電源電壓畸變不對稱時(shí)，對于三相四線制電路，可以分解為正序、負(fù)序和零序分量 ； 對于三相三線制電路，可分解為正序和負(fù)序分量，而沒有零序分量。三相電 壓的不平衡度通常以負(fù)序分量與正序分量的均方根的百分比來表示 [13]，如 式 (211)所示。