电能质量技术及控制复习课程

我们在生活和生产中曾经遇到过诸如下面的一些问题：•电容补偿装置不能正常运行:电容经常坏,老是烧保险,接触器换了一批又一批…•主开关经常跳闸:影响正常生产,损失大把钞票啊…•收到供电局的电费单一看,其中有一项是功率调整电费,又多花了不少钱,心疼…•变压器容量不小,负载也不太大,怎么容量还是不够,增容费用很高,又要掏银子…•电压总是不稳定…•哪里来的干扰,计算机都不能正常工作…•日光灯不停的闪烁，镇流器也烧毁了…•自动控制装置不再听话，经常误动作…•烧电机…•自动化设备的控制系统经常出故障…•供电公司说我们谐波超标,给我们开了一张限期整改通知单…•上了补偿滤波装置（高压侧），变压器温升怎么还这么高呀………以上这些均由电力质量问题引起，电能是现代人类生产和生活中使用的最普遍也最不可或缺的能源形式。

电能的质量问题直接关系到整个社会的进步与发展。

如果您的配电设备经常出现故障,请您关注电能质量(谐波)问题；如果您的电费单中有功率调整电费,请您关注智能无功补偿技术！关于电能质量问题电能可以方便的通过各种不同的用电器方便、高效率、可靠的转换成机械能、热能、光能、化学能等形式以供消费。

一、理想的电能供应形式在理想的电力系统中，电能是以单一恒定的频率（50Hz或60Hz）和正弦波形，按规定的电压水平向用户供电，即理想的电能供应形式应满足：•单一恒定的电网标称频率50Hz：功率平衡，不中断•规定的若干电压等级配电系统一般为110kV，35kV，10kV，380V/220V•理想的正弦波形电压电流同相位，无其他频率成份•三相系统的平衡幅度相同，相位互差120度。

二、实际导致供电模式非理想的因素电能质量（Power Quality-PQ）就是指电能的优劣程度，电能质量问题就是造成设备不能正常工作的各种电力问题，即任何出现的电压、电流以及频率偏移导致的用户设备损坏或运行不正常的电能问题。

通常导致供电波形不理想的因素为：•电力供应方的因素✓设备因素✓技术因素✓管理因素•电力用户方的因素✓非线性负荷：如整流器、逆变器、静止无功补偿装置、变频器、高压直流输电设备等；✓冲击性负荷：如电弧炉、轧机等；✓负荷不平衡：如电力机车•外在因素：✓自然灾害，雷电、风雪、鸟害…✓人为因素，恐怖活动三、电能质量问题分类电能质量问题一般可以分为以下几类:•供电中断；•电压偏差；•频率偏差；•三相不平衡；•电力谐波（这是所有电能质量问题中最常见的一种）；•电压波动与闪变；•电压暂降与暂升；…电能质量指公用电网对电力用户的供电电压质量和电力用户对公用电网的干扰水平。

公用电网对电力用户的供电电压质量一般用电压频率、谐波电压、电压偏差、电压波动和闪变、三相电压不平衡度、电压凹陷、电压凸起、电压中断、电压脉冲和振荡等参数描述。

电力用户对公用电网的干扰水平一般用谐波电流、无功波动、有功冲击、三相不平衡功率等参数描述。

四、波形畸变实际上，系统中存在很多非线性负荷导致了电压电流波形发生畸变。

下图给出了非线性电阻引起电流畸变的原理图.根据傅立叶分析可以知道，非正弦波可以分解为一个基波频率的正弦波和多个整数倍基波频率的正弦波之和，这些整数倍基波频率的正弦波就是我们所说的谐波。

即：五、电能质量问题带来的危害 1、谐波对各种设备的危害（1）变压器：电流谐波将增加铜损、铁损，使变压器温度上升，影响其非线性电阻引起的电流畸变)(t u )(t i ui非线性电阻+. ..50Hz （h=1）150Hz （h =3） 250Hz （h =5） 350Hz （h =7） 450Hz （h =9） 550Hz （h =11） 650Hz （h =13）畸变波形的Fourier 级数表示：直流分量、基波、谐波+ + + + + +绝缘能力，并造成容量裕度减小。

谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振，及引起铁心磁通饱和或歪斜，而产生噪声。

（2）电动机：输出谐波对电动机的影响主要有，引起电动机发热，导致电动机的额外升温，电动机往往要降额使用，由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，影响电动机的绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动，以及噪声增加。

（3）电力电容器组：一般电容器的标准规范最大电流只允许35％的超载，但实际运转时，由于谐波的影响，常发生严重过载。

因而导致过热、增加介电质的应力，会发生振动短路、过电流及产生噪声。

（4）开关设备：由于谐波电流的存在，开关设备在起动瞬间产生很高di ／dt的电流变化率，致使增加暂态恢复电压的峰值，以致破坏绝缘。

（5）保护电器：电流中含有谐波，必产生额外的转矩，改变电器的动作特性，以致引起误动作。

（6）计量仪表：电能表等计量仪表，因谐波而会造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差，降低精确度。

（7）电力电子设备：在多种场合，电子设备常会产生谐波的电流源，且很容易感受谐波失真而误动作。

（8）其他还有如照明设备、通信设备、电视及音响设备、电脑设备、载频遥控设备等都容易受谐波的干扰而影响其正常的工作或减少其使用寿命。

2.电压偏差的危害（1）对用电设备的危害用电设备设计在额定电压时性能最好、效率最高、发生电压偏差时、其性能和效率都会降低，又得还会减少使用寿命。

电压偏差超过一定范围，设备会由于电压或过电流而损坏。

（2）对电网稳定、经济运行的危害交流输电有个同步运行稳定问题，输电线的输送功率受稳定极限的限制，特别是小扰动下的静态稳定功率极限与电网运行电压有很大的关系，电压越低，功率极限超低，越是容易发生不稳定现象。

电网缺乏无功功率，运行电压低，有可能产生电压不稳定现象，造成电网电压崩溃。

同步运行稳定的破坏或电压不稳定都是严重的电力系统事故，会造成大量负荷停电及系统瓦解等十分严重的后果。

电网电压过低或无功功率远距离流动，都会增大电网的线损（有功功率损耗），提高了用电成本。

3.频率偏差对系统和用电设备的影响（1）对用电负荷的影响✓产品质量没有保障。

✓降低劳动生产率。

✓使电子设备不能正常工作，甚至停止运行。

（2）对系统的影响✓降低发电机组效率，严重时可能引发系统频率崩溃或电压崩溃。

✓汽轮机在低频下运行时容易产生叶片共振，造成叶片疲劳损伤和断裂。

✓处于低频率系统中的异步电动机和变压器其主磁通会增加，励磁电流也就随之加大，系统所需无功功率大为增加，导致系统电压水平降低，给系统电压调整带来困难。

✓无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比。

✓频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。

研究表明：频率改变1％，感应式电能表的计量误差约增大0.1％。

频率加大，感应式电能表将少计电量。

（3）频率的变化还可能引起系统中滤波器的失谐和电容器组发出的无功功率变化。

4. 三相不平衡的危害和影响三相不平衡是指三相电源各相的电压不对称。

是各相电源所加的负荷不均衡所致，属于基波负荷配置问题。

发生三相不平衡即与用户负荷特性有关，同时与电力系统的规划、负荷分配也有关。

《电能质量三相电压允许不平衡度》(GB/T15543-1995)适用于交流额定频率为50赫兹。

在电力系统正常运行方式下，由于负序分量而引起的PCC点连接点的电压不平衡。

该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%。

（1）对变压器的危害。

在生产、生活用电中，三相负载不平衡时，使变压器处于不对称运行状态。

造成变压器的损耗增大(包括空载损耗和负载损耗)。

根据变压器运行规程规定，在运行中的变压器中性线电流不得超过变压器低压侧额定电流的25%。

此外，三相负载不平衡运行会造成变压器零序电流过大，局部金属件升温增高，甚至会导致变压器烧毁。

（2）对用电设备的影响。

三相电压不平衡的发生将导致达到数倍电流不平衡的发生。

诱导电动机中逆扭矩增加，从而使电动机的温度上升，效率下降，能耗增加，发生震动，输出亏耗等影响。

各相之间的不平衡会导致用电设备使用寿命缩短，加速设备部件更换频率，增加设备维护的成本。

断路器允许电流的余量减少，当负载变更或交替时容易发生超载、短路现象。

中性线中流入过大的不平衡电流，导致中性线增粗。

（3）对线损的影响。

三相四线制结线方式，当三相负荷平衡时线损最小；当一相负荷重，两相负荷轻的情况下线损增量较小；当一相负荷重，一相负荷轻，而第三相的负荷为平均负荷的情况下线损增量较大；当一相负荷轻，两相负荷重的情况下线损增量最大。

当三相负荷不平衡时，无论何种负荷分配情况，电流不平衡度越大，线损增量也越大。

一般情况下，在小电流电路中，前面的塑料外壳断路器（装置式空气断路器）不会跳开。

但在三相不平衡电流的任意相数值超过空气断路器的整定值时，断路器会跳开。

5.电压波动与闪变由于电力系统中存在着许多冲击性负荷，在运行过程中频繁地从系统取用快速变动电能，出现冲击性功率变化，造成公共连接点（PCC）电压在短时间内急剧变动，并且明显偏离标称电压值，即产生了电压波动。

虽然电压波动会引起部分电气设备不能正常工作，但是由于实际运行中出现的电压波动值往往小于电气设备对电压敏感度门槛值，可以说由于电压波动使得电气设备运行出现问题甚至损坏的情况并不多见。

但是在办公、商用和民用建筑的照明电光源中，白炽灯占有相当大的比例，白炽灯的光功率与电源电压的平方成正比，所以受电压波动影响最大。

当白炽灯电源的电压波动在10％左右，并且当重复变动频率在5～15Hz时，就可能造成令人烦恼的灯光闪烁。

这种由于电光源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视觉感反应即是闪变。

电压波动与闪变会引起多种危害，概括起来主要有以下几方面：（1）引起车间、工作室和生活居室等场所的照明灯光闪烁，使人的视觉易于疲劳甚至难以忍受而产生烦躁情绪，从而降低了工作效率和生活质量。

（2）使得电视机画面亮度频繁变化以及垂直和水平幅度摇动。

（3）造成对直接与交流电源相连的电动机的转速不稳定，时而加速时而制动，由此可能影响产品质量，严重时危及设备本身安全运行。

（4）对电压波动较敏感的工艺过程或试验结果产生不良影响。

（5）导致电子仪器和设备、计算机系统、自动控制生产线以及办公自动化设备等工作不正常，或受到损坏。

（6）导致以电压相位角为控制指令的系统控制功能紊乱，致使电力电子换流器换相失败等。

6．瞬态过电压和暂态过电压指峰值电压高达20000V，但持续时间界于百万分之一秒至万分之一秒的脉冲电压。

其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲，主要由雷电所致。

危害：以大规模集成电路为核心组件的测量、监控、保护、通信、计算机网络等先进电子设备广泛运用于电力、航空、国防、通信、广电、金融、交通、石化、医疗以及其它现代生活的各个领域，以大型CMOS集成元件组成的这些电子设备普遍存在着对暂态过电压、过电流耐受能力较弱的缺点，暂态过电压不仅会造成电子设备产生误操作，或者造成电子设备受到干扰，数据丢失，或暂时瘫痪；严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。