电能质量影响因素及其危害性

电能质量影响因素及其危害性
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•影响与危害电能质量的因素主要包括哪些方面？
电能质量直接关系到电力系统的供电安全和供电质量，从技术上讲，影响电能质量的因素主要包括三个方面：
（1）自然现象的因素，如雷击、风暴、雨雪等对电能质量的影响，使电网发生事故，造成供电可靠性降低。

（2）电力设备及装置的自动保护及正常运行的因素，如大型电力设备的启动和停运、自动开关的跳闸及重合等对电能质量的影响，使额定电压暂时降低、产生波动与闪变等。

（3）电力用户的非线性负荷、冲击性负荷等大量投运的因素，如炼钢电弧炉、电气化机车运行等对电能质量的影响，使公用电网产生大量的谐波干扰、产生电压扰动、产生电压波动与闪变等。

•电压质量是怎样受到影响的？
电能质量的关键指标中，电源电压质量的标准是一项重要的内容，它主要以频率质量指标和电压质量指标来衡量。

频率质量指标为频率允许偏差的标准；电压质量指标包括电压幅值质量和波形质量。

幅值质量包括电压允许偏差、电压波动和闪变、三相电压不平衡度、瞬时过电压与暂态过电压等。

波形质量包括谐波含量和电压正弦波波形的畸变率。

电压质量主要是受到大容量非线性负荷及冲击性负荷的影响。

凡是具有非线性阻抗特性的电气设备都是电能质量的污染源，包括各种电力电子设备的用电负荷、炼钢电弧炉负荷、电力机车负荷等，使电网中产生电压波动与闪变、产生高次谐波电压、造成系统电压不平衡等，从而引起电压正弦波形畸变。

冲击性负荷的影响，主要使电网中大功率用电设备的启动和切换。

电能质量的污染，影响到电力系统、电力用户、通信系统及其他相关行业。

因此，电源电压质量指标恶化并造成危害不仅影响了电力系统和相关领域的正常运行，而且对正常的安全可靠用电也造成了一定的威胁。

认识电能质量污染的影响并采取相应的防范措施和对策，确保电能的高品质，是幼稚供电服务的一项重要内容。

•引起电压骤降的原因是什么？
电力系统电压骤降是指供电电压幅值（有效值）短暂降低，随后恢复正常的特征。

根据欧洲标准EN50160以及美国国际电气电子工程师协会推荐标准IEEE Std1159－1992，电压骤降的定义为：供电电压有效值突然降至额定电压的90％～10％（0.9p.u.~0.1p.u.），然后又恢复至正常电压，这一过程的持续时间为
10ms~60s。

供电可靠性反映的是供电中断程度，一般只考虑持续时间5min以上的电压中断问题，有些国家对1min以下的中断不予统计。

随着经济的发展，高科技设备得到了广泛的应用。

这些设备对电压变化很敏感，短时的供电中断或电压有效值下降，往往会造成设备不能正常运行、发生停机等事故。

电压骤降就是针对这一问题提出的。

引起电压骤降的主要原因是电网或用电设备发生雷击、外力短路故障，一些用电设备（如电动机）启动或突然加荷也会造成电网电压瞬时下降。

与长时间供电中断事故相比，电压骤降又发生频度高、事故原因不易觉察的特点，处理起来也比较困难。

•电压骤降对一些设备有哪些影响？
（1）对冷却控制器。

当电压低于80％时，控制器动作将制冷电机切除，导致生产损失。

（2）对芯片测试仪。

当电压低于85％时，测试仪停止工作，芯片、主板被毁坏。

（3）对可编程控制器。

当电压低于81％时，可编程控制器（PLC）停止工作；而一些I/O设备，当电压低于90％、持续时间仅几个周波，就有可能被切除。

（4）对机器人控制的精密加工器具。

当电压低于90％、持续时间达到40～60ms，就可能跳闸。

（5）对直流电机。

当电压低于80％时，即可能发生跳闸事故。

（6）对变频调速器。

当电压低于70％、持续时间超过120ms时，可能被退出运行。

而对于一些精密加工机械的电机，当电压低于90％、持续时间超过60ms，也可能发生因跳闸而退出运行。

（7）对交流接触器。

当电压低于50％、持续时间超过20ms，即可能发生脱扣断电。

（8）对计算机。

当电压低于60％、持续时间超过240ms，计算机的数据将可能丢失等。

•三次谐波产生的特点及影响有哪些？
电网中的谐波主要指频率为工频（基波频率）整数倍成分的谐波及工频非整数倍成分的间谐波。

它们都是造成电网电能质量污染的重要原因。

电网中的三次谐波是谐波影响的主要成分之一，除电气化铁路荷电弧炉负荷是主要谐波源以外，根据大量现场测试的分析结果证实，电力变压器也是电力系统中三次谐波的一个重要谐波源。

电力变压器的激磁电流、铁心饱荷及三相电路荷磁路的不对称，致使在变压器三角Z绕组的线电压和线电流中也仍然存在三次谐波分量，尤其在负荷低谷时，随着电网电压的升高，变压器铁心饱和程度加剧，产生的三次谐波含量也随之增大。

随着电网大量电容装置的投运，通过对现场谐波实测发现，三次谐波并不是只有零序分量可被变压器三角绕组所环路，而是波及全网，并给电容装置及电网的正常运行带来影响和威胁。

例如，电容装置盲目采用串联电抗率为5％～6％的电抗接入电网后，引起三次谐波的放大和导致发生谐振的情况，已为大量的现场事故案例所证实。

三次谐波的产生，还包括大功率晶闸管整流装置及大量开发应用的电力电子器件，炼钢电弧炉及轧机容量的增大，电气化铁路交通的发展应用，包括UPS电源、电子调速装备、节能型灯具及家用电器中的计算机、微波炉等电力电子设备和电器设备应用的大量增加，使各类非线性负荷注入电网的谐波日益增多，造成电网电能质量的污染的影响也越来越大。

在这些设备集中使用的地区，如工厂车间、公寓大厦、居民小区、写字楼、酒店商厦等，谐波污染已相当严重。

谐波污染的影响使电能质量明显下降，因此，对电能质量谐波污染的抑制和治理已刻不容缓。

•谐波源主要包括哪些设备？
1.电力电子设备
电力电子设备主要包括整流器、变频器、开关电源、静态换流器、晶闸管系统及其他SCR控制系统登。

由于工业与民用电力设备常用到这类电力电子设备和电路，如整流和变频电路，其负载性质一般分为感性和容性两种，感性负载的单相整流电路为含奇次谐波的电流型谐波源。

而容性负载的单相整流电路，由于电容电压会通过整流管向电源反馈，属于电压型谐波源，其谐波含量与电容值的大小有关，电容值越大，谐波含量越大。

变频电路谐波源由于采用的是相位控制，其谐波成分不仅含有整数倍数的谐波，还含有非整数倍数的间谐波。

2.可饱和设备
可饱和设备主要包括变压器、电动机、发电机等。

可饱和设备是非线性设备，其铁心材料具有非线性磁化曲线和磁滞回线，在正弦波电压的作用下，励磁电流为对称函数，并满足。

应用傅立叶级数分解时仅含有奇次项，对于三相对称的变压器，3次谐波的奇数倍（3次，6次，9次……）谐波均为零序，可认为变压器是只产生奇次谐波的电流源型谐波源。

变压器的谐波次数还受到一、二次侧接线方式的影响，谐波的大
小与磁路的结构形式、铁心的饱和程序越高，谐波电流就越大。

与电力电子设备和电弧设备相比，可饱和设备上的谐波在未饱和的情况下，其谐波的幅值往往可以忽略。

3.电弧炉设备及气体电光源设备
（1）电弧炉在熔炼金属过程中的非线性影响将产生大量的谐波。

（2）气体电光源包括荧光灯、卤化灯、霓虹灯灯。

根据这类气体放电光源的伏安特性，其非线性特性十分严重，同时含有负的伏安特性。

而气体灯具工作时要与电感性镇流器相串联，并使其综合伏安特性不再为负才能正常工作。

由于镇流器的非线性相当严重，其中三次谐波含量再20％以上，其特性为对称函数，只含有奇次谐波，所以气体电光源设备属于电流源型谐波源。

•产生不同谐波量分布的行业有哪些？
图2－3所提供的不同行业产生不同谐波量的分布情况，是日本电气学会公布的统计结果。

•谐波污染对电网有哪些具体影响？
谐波污染对电网的影响主要表现在：
（1）造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热灯，特别是三次谐波会产生非常打的中性线电流，使得配电变压器的零线电流甚至超过相线电流值，造成设备的不安全运行。

谐波对电网的安全性、稳定性、可靠性的影响还表现在可能引起电网发生谐振、使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂灯。

（2）引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电压互感器灯设备损坏；造成变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗，引起电力变压器、电力电缆、电动机等设备发热，电容器损坏，并加速绝缘材料的老化；造成断路器电弧熄灭时间的延长，影响断路器的开断容器；造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作；影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量；增大附加磁场的干扰等。

•谐波对电力电容器有哪些影响？
当配电系统非线性用电负荷比重较大，并联电容器组投入时，一方面由于电容器组的谐波阻抗小，注入电容器组的谐波电流打，使电容器过负荷而严重影响其使用寿命，另一方面当电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感相等而发生谐振时，引起电容器谐波电流严重放大使电容器过热而导致损坏。

因此，电压谐波和电流谐波超标，都会使电容器的工作电流增大和出现异常，例如，对于常用自愈式并联电容器，其允许过电流倍数是1.3倍额定电流，当电容器的电流超过这一限制时，将会造成电容器的损坏增加、发热异常、绝缘加速老化而导致使用寿命降低，甚至造成损坏事故。

同时，谐波使工频正弦波形发生畸变，产生锯齿状尖顶波，易在绝缘介质中引发局部放电，长时间的局部放电也会加速绝缘介质的老化、自愈性能下降，而容易导致电容器损坏。

按照电力系统谐波管理规定，电网中任何一点电压正弦波的畸变率（歌词谐波电压有效值的均方根与基波电压有效值的百分比），均不得超过表2－5规定。

表2－5 电网电压正弦波形畸变极限值
•谐波对电力变压器有哪些影响？
（1）谐波电流使变压器的铜耗增加，引起局部过热，振动，噪声增大，绕组附加发热等。

（2）谐波电压引起的附加损耗使变压器的磁滞及涡流损耗增加，当系统运行电压偏高或三相不对称时，励磁电流中的谐波分量增加，绝缘材料承受的电气应力增大，影响绝缘的局部放电和介质增大。

对三角形连接的绕组，零序性谐波在绕组内形成换流，使绕组温度升高。

（3）变压器励磁电流中含谐波电流，引起合闸涌流中谐波电流过大，这种谐波电流在发生谐振时的条件下对变压器的安全运行将造成威胁。

•谐波对电力避雷器有哪些影响？
变电站大容量、高电压的变压器由于合闸涌流的过程时间比较长，能够延续数秒或更长的时间，有时还会引起谐振过电压，并使相关避雷器的放电时间过长而受到损坏。

这一问题对选择保护高压滤波器中电感或电容元件用的避雷器参数带来较大的困难。

•谐波对输电线路有哪些影响？
（1）谐波污染增加了输电线路的损耗。

输电线路中的谐波电流加上集肤效应的影响，将产生附加损耗，使得输电线路损耗增加。

特别是在电力系统三相不对称运行时，对中性点直接接地的供电系统线损的增加尤为显著。

（2）谐波污染增大了中性线电流，引起中性点漂移。

在低压配电网络中，零序电流和零序性的谐波电流（3次，6次、9次……）不仅会引起中性线电流大大增加，造成过负荷发热，使损耗增加，而且产生压降，引起零电位漂移，降低了供电的电能质量。

•谐波对电力电缆有哪些影响？
谐波污染将会使电缆的介质损耗、输电损耗增大，泄漏电流上升，温升增大及干式电缆的局部放电增加，引发单相接地故障的可能性增加。

由于电力电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，在系统负荷低谷时，系统电压上升，谐波电压也相应升高。

电缆的额定电压等级越高，谐波引起电缆介质不稳定的危险性越大，更容易发生故障。

•谐波对电力系统其他运行设备有哪些影响？
（1）对同步发电机的影响。

用户的负序电流和谐波电流注入系统内的同步发动机，将产生附加损耗，引起发电机局部发热，降低绝缘强度。

同时，由于输出的电压波形中产生附加谐波分量，使负载的同步发电机转子发生扭振，降低其工作寿命。

（2）对断路器的影响。

谐波会使某些断路器的磁吹线圈不能正常工作，断路器的遮断能力降低，不能遮断
波形畸变率超过一定限值的故障电流，对中压断路器截断电感电流时可能发生谐频涌波电压和重燃现象，导致断路器触头烧损。

（3）对消弧线圈的影响。

当电网谐波成分较大时，发生单相接地故障，消弧线圈对谐波电流将可能不起作用，在接地点得不到的补偿，从而引发系统的故障扩大。

（4）对载波通信的影响。

高谐波含量对电力载波通信的干扰主要表现在语音通信过程中产生噪声，数据传输失真，降低EMS、DAS实时数据的真实可靠性，造成集中抄表系统中数据出错等故障。

•谐波对继电保护及自动装置有哪些影响？
1.对继电保护及自动装置运行环境的影响
（1）在谐波严重超标的电弧炉负荷、电气化铁路等谐波含量大的局部电网中会受到影响。

（2）频繁出现变压器严重涌流且涌流衰减缓慢的变电站受到涌流产生谐波的干扰。

（3）在系统因短路容量太小而可能出现较大谐波电压影响的场所会受到影响。

（4）在易发生谐波谐振的配电系统、输电系统、变电站网架近会受到影响。

（5）在谐波受到电容器组或其他原因而被放大严重的网络附近会受到影响。

2.继电保护及自动装置利用的启动量小
利用负序电流或电压、零序电流或电压、差动电流或电压启动会受到谐波的影响。

其中利用负序量启动的对谐波的敏感性最大。

3.继电器或启动元件本身对谐波敏感
（1）晶体管或集成电路保护装置的动作量非常小和动作时间非常少，因此它的启动判据容易受到谐波影响而出现较大的误差。

（2）利用信号过零取样的控制系统及利用数据过零点的数字式继电器或微机保护，都会受到谐波的影响和干扰。

•谐波对继电保护整定有哪些影响？
继电保护正常运行中，当电源谐波分量较高时，可能会引起过电压保护、过电流保护的误动作。

当三相严重不对称时，在正序性谐波或负序性谐波含量较高的情况下，可能对以负序滤过器为启动元件的保护装置产生干扰，而引起误动。

如某地电气化铁路通车后，曾发生过由于牵引变电所注入系统大量的谐波和负序电流，引起供电系统电能质量指标严重恶化，多次造成发电机的负序电流保护误动，主变压器的过电流保护装置误动，线路的距离保护振荡闭锁装置误动，高频保护收发讯机误动，母线差动保护误动和故障录波器误动的事故。

近年来，微机保护装置的大规模使用，使信号中的谐波干扰既可能引起测量误差，又可能对装置关键处理模块的正常工作产生干扰，从而引起保护装置的误动或拒动。

如上海宝钢就发生过因电弧炉产生谐波的影响，造成谐波电流对数字型差动保护产生干扰，使差动保护动作跳闸的事故。

•谐波电流对数字型差动保护有哪些影响？
数字型差动保护装置整定简单、动作时间快、功能强，因此目前得到了普遍的推广、应用，但在电能质量较差的条件下，会发生由于电流波形畸变而出现误动作的可能。

如某地在同步电动机降压启动时连续发生过3次变压器差动保护误动作跳闸的事故。

经检查，继电器和二次回路均未出现任何异常。

采用电能质量分析仪对电源电流进行录波检测，所得数据见表2－6。

表2－6 电源电流谐波分量含有率
根据上述数据分析可得以下几个方面得结论：
（1）同步电动机降压启动时，电源波形发生了很大的畸变。

（2）由于变压器一次绕组时三角形接线，因此对二次绕组负荷电流中的3、6、9次谐波有滤波作用。

（3）变压器对直流电流和高次谐波本身起到滤波作用。

（4）变压器一、二次绕组波形畸变率明显不同，二次侧的谐波含量小于抑制值的15％，因此由于谐波电流过大的原因导致了差动保护误动作。

采取的对策和措施包括以下几个方面：
（1）数字型差动保护继电器出口动作时间快，一般为20～40ms，同步电动机降压启动过程中前100ms波形畸变较为严重，因此可通过将整定值调整到150ms的范围。

（2）目前，数字型差动保护继电器对Dy接线组别变压器的电流互感器接线组别没有明确的规定，整定时只要将电流互感器接线组别输入保护装置的参数就可以了。

这是因为大多变压器容量相对负荷容量的裕度较大，且大多负荷电流波形较好，畸变不大，因此影响较小。

若变压器负荷较大，且负荷电流中含有高次谐波分量，对数字型差动保护的影响就比较大了。

这时应对变压器Y侧的电流互感器接线组别采用Yd接线进行补偿，可抑制高次谐波的影响。

•谐波对电能计量有哪些的影响？
通过对感应型电能表和电子型电能表计量准确度的频率响应进行测试和分析，谐波对电能计量的准确度存
在着一定的影响。

1.对感应型电能表计量准确度的影响
感应型电能表对2次以上的谐波有逐渐增大的衰减特性，达到9次时已衰减掉80％以上。

因此，谐波的影响具有下降频率特性，即对于同样大小的功率，电能表反应谐波功率的转速随谐波次数的增大而减小。

主要原因时感应式电能表的圆盘涡流路径的等效圆盘阻抗角随频率的增高而增大，如当基波功率P1和谐波功率P n通过感应型电能表时，电能表的转速为：
w n=K1P1+K n P n
式中 w n——电能表转速；
P1——基波功率；
P n——谐波功率；
K1——基波系数；
K n——谐波系数。

当谐波电压和电流达到基波量的20％时，K1基本不变，K n的实测结果见表2－7。

表2－7 谐波系数Kn在不同谐波次数下的实测值
表2－7中，K n为电能表反映谐波功率的转速与反映基波功率的转速之比。

谐波次数越高，K n越小，而且K n 总小于1，这是因为谐波功率产生的转矩比等量基波功率产生的转矩要小。

2.对电子型电能表呈宽带响应的特性，电子表带宽主要受其互感器频带和乘法器时钟频率的限制。

电子式电能表的误差主要源自其输入模块。

在结构设计上，由于电能表输入模块的信号变送仅考虑基波，当电压、电流波形发生畸变时，磁通不能相应地发生线性变化而产生误差，影响了电能表地整体计量精度。

如下式所示地系统供电电压，其3次谐波电压含有率为3％（基波有效值已作归一化处理）。

某用户接在此供电系统上，其负载电流如下式所示：
负载谐波功率随着谐波电压、电流相位差θ变化的关系及对负载电能计量的影响见表2－8（基波有功为0.866；基波无功为0.5）。

表2－8 负载谐波功率随谐波电压电流相位差θ变化的关系及对负载电能计量的影响
从电能计量的角度来看，正弦波电源供非线性负荷，负荷污染电网、向系统注入谐波功率，少交电费，电力系统不公平；谐波电源供线性负荷，用户设备性能变坏，吸收谐波功率，多交电费、对电力用户不公平。

而对于谐波电源供非线性负荷，则应根据谐波电压电流的相位差具体分析，以判断用户是吸收谐波功率还是污染电网而向系统注入谐波功率。

•负荷侧的谐波污染对电网有哪些影响？
近年来，用户端大量非线性负荷的应用正成为电能质量污染甚至恶化的重要因素。

从低压小容量家用电器的集群应用，到高压大容量的工业交直流变换装置中存在的各种静止变流器等，都是电质量的污染源。

各种静止变流器是以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形的畸变。

大型电弧设备，如电弧熔炉，弧
焊设备等，也成为重要的冲击源和谐波源。

一个值得注意的问题是，为了减少重要设备对电能质量问题的敏感度，设备制造商努力进行设备的升级和改进，用户则采用各种保护性装置，而这些改进措施和保护装置常常顾此失彼，对公用供电的电能质量造成更大的危害。

一些信息设备和公用设备的谐波含量见表2－9。

表2－9 一些信息设备和公用设备的电流谐波含量（％）
•谐波对电力用户有哪些影响？
用电设备对系统电源的污染会影响用电设备自身的可靠性。

使用电能质量污染的电源，用电设备又可能成为新的污染源，而危害电力系统和其他用户设备。

可能产生的影响包括：对用户电动机产生影响；对用户补偿电容器产生影响；对用户自动控制装置产生影响；对居民生活用电产生影响；对用电安全造成威胁。

另外，还包括对电信通信造成影响，对广播、电视及精密制造工业造成干扰和影响，这类干扰和影响有些表现在差模干扰和共模干扰，差模干扰是工频及长线传输分布电容的相互干扰，共模干扰是引起回路对地电位发生变化的干扰，是造成微机控制单元工作不正常的主要原因。

•谐波对用户电动机运行有哪些影响？
谐波电流通过交流电动机，使谐波附加损耗明显增加，引起电动机过热，机械振动和噪声增大。

当三相电压不对称时，定子绕组上产生负序电流，并励磁产生负序旋转磁场，该制动磁场降低了电机的最大转矩和过载能力，增加铜损，并且负序过电流可以将电机定子绕组烧毁。

负序性的谐波分量（5此、11此等）对电机的影响与负序电压的效果一样。

当产生电压波动的主要低频分量与电机机械振动的固有频率一致时，诱发谐振，会使电动机造成损坏。

•谐波对用户补偿电容器有哪些影响？
电网无功配置容量中电容器所占比例最大，其中用户电容器约占全部电容器的2/3。

这部分电容器的设计大多只考虑无功补偿量，不考虑装设点电能质量的实际污染情况，因此，运行点电能质量指标低时，常造成一些事故，如补偿装置投不上、电容器使用寿命降低、电容器保护熔丝熔断，甚至发生串并联谐振，引发电容器的谐波过电压与过电流，导致电容器爆炸等。

另外，用户电容器的管理目前仍按平均功率因数进行考核，电容器很少按电网实际运行情况投切，甚至只投不切，无形中使电网电压失去了应有的调节裕度，使电压偏差等电能质量指标难以控制。

•谐波对用户自动控制装置有哪些影响？。