电弧炉负荷及其对电能质量的影响分析
电弧炉对电能质量的影响
电弧炉对电能质量的影响作者：王晓霏童伟来源：《城市建设理论研究》2013年第29期摘要：介绍了电弧炉对电网和电能质量的影响，提出了治理方案，对SVC装置的设计、应用进行了阐述，对治理前后电能质量进行了比较、总结关键词：电弧炉电能质量改进技术 SVC中图分类号： TF748.41 文献标识码： A1 前言在电力系统中，供电的质量指标、电网运行的安全可靠性和经济性是最根本的问题。
近年来，随着冶金工业的飞速发展，大量具有冲击性负荷的电弧炉、轧钢机等不断投入电网，电弧炉在正常生产时会对电网造成高次谐波、电压闪变、电压波动、三相电压及电流不平衡、功率因数低等不利影响，而且电能质量超过国家标准的规定指标。
针对电弧炉对电网电能质量污染问题，莱芜供电公司2011年针对莱芜某钢铁厂电弧炉用电系统进行治理，采用了新型的SVC装置，取得了良好效果。
2 电弧炉对电网的干扰2.1 高次谐波交流电弧炉在炼钢过程中其电流会产生非正弦畸变和各次谐波,对电网造成干扰。
其主要原因有：(1)电弧的电阻值不恒定，并且在交流电弧的半个周期中电弧电阻也在变动，这造成电弧电流的非正弦畸变；(2) 交流电的正负半周换相,石墨电极和钢交替作阴极和阳极,因不同材料的发射电子能力不一样,故使电流的正负两个半周的波形不对称,造成偶次谐波；(3) 三相电弧不均衡，导致三次谐波；(4) 供电系统连接的各种谐波源导致各种谐波的形成，如静补装置中的整流器等。
电弧炉的谐波电流成份主要为2～7 次，其中2、3次最大，其平均值可达基波分量的5%～10% ,谐波电流流入电网，使电压波形发生畸变，引起电气设备发热、振动以及保护误动作等。
国标《电能质量·公用电网谐波》( GBPT14549-93) 对综合电压畸变率、谐波电流注入量均作了具体规定,为抑制电弧炉产生的谐波提供了依据和标准。
2.2 电压波动与闪变超高功率电弧炉在运行中经常产生突然的、强烈的电流冲击,导致电网电压的快速波动,频率为0.1～30Hz，这类干扰称之为“闪烁”或“闪变”(Fluctuation)。
大容量电弧炉负荷对电网的影响及其防范措施
［ ｅ ｒ ｓ ｅ ｃ ｃａｃｆｒａ ｅｌ ｄ ；ｃｎ ｕｓ ｎ ｏ ａｅｆ ｃ ａ ｏ ｎ ｉ ｅ Ｋ ｙｗｏｄ ］ ｌ ｔ ｒ・ ｎ ｃ ｏ ｓ ｏ ｃ ｓｉ ；ｖｈ ｇ ｕ ｔ ｔ ｎａ ｄｆｃ ｒ ｅｒ ｉ ｕ ａ ｏ ｌ ｕｉ ｌｋ 化大 ， 最高 和最 低 电压 可 相差 ２～ ５倍 。 由于 电弧炉
炉 料 电阻产 生 的热 量 ， 同时 也 利 用 了 电极 和炉 料 间 的 电弧产 生 的热量 。 电弧炉 辅助 设备包 括 电炉 专用 变压 器 、 电抗 器 （ 内 附 式 和 外 附 式 两 种 ） 高 压 断 有 、 路器 、 电流互感 器 、 电磁 搅拌 器等 。
维普资讯
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湖 北 电 力
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大 容 量 电弧 炉 负 荷 对 电 网 的 影 响 及 其 防 范 措 施
李 俊， 彭 涨 ， 良德 谢
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电弧炉对电网的影响及补偿措施
电弧炉对电网的影响及补偿措施1.引言大功率电弧炉接于容量较小的电网会对电网和其他负载产生不利影响，主要表现在：—无功冲击及闪变—三相负荷不平衡—产生谐波电流本文结合交流或直流电弧炉的工作特性对上述问题进行讨论，并提出解决方案。
2.电弧炉的负载特性用于冶炼的电弧炉在其给定的物理范围内工作时，负载电流会发生变形。
物理范围可以用圆图来表示（图1）图1中首先将电弧阻抗看作纯阻性，在电弧截断时电阻值无限大，在短路时电阻值为零。
在每个电流过零点，交流电弧须重新燃弧，但当功率因数大于0.9时，会导致电弧截断，并一直维持到输入能量与冷却能量不在平衡。
用于冶炼的电弧炉一般有三个特征工作阶段：—开始融化阶段，固体炉料熔化，能量需求很大。
—初精练及加热阶段。
—精练期，此阶段输入能量只需平衡热损耗。
在废刚冶炼时电弧炉的工作特性为：—在开始熔化时电弧频繁出现截断和重新燃弧。
—在全熔化期出现电弧波动，并导致电流急剧变化。
—发生塌料导致短路。
电弧炉在熔化期出现的电弧截断及短路现象，只有通过统计学方法进行评价。
需注意的是各项不平衡电流、各项断续电流和半波不平衡电流，会导致电网在不同时间和不同相位产生的有功功率和无功功率值发生变化。
调制电流使电网电压出现闪变效应，同时产生谐波电流注入电网，使电网电压发生畸变。
在电网阻抗上产生的电压降或电压改变可以分解为两个分量，即纵向电压降（导致电压幅值的变化）和横向电压降（导致电压相位变化）。
因为在电网阻抗中阻性分量大约占感性分量的1/10或以下，所以电压量值的改变主要由无功功率的变化引起。
有功功率的变化只影响电压的相位（见图2）。
在一个电网中，电压的改变会影响所有接于这个电网的负载，因此电弧炉对电网的影响可以称为电网的环境污染，必须采取技术措施进行抑制。
当电弧炉功率大于电网短路功率的1/80时，通常需要考虑对电网的影响问题。
3.补偿任务简单来讲，补偿的任务就是减少或抑制电弧炉对电网的影响。
当然，这也和其它领域的环境保护一样，具有一定的难度，同时需要付出相应的费用。
钢铁企业电力系统的电能质量问题
191钢铁企业的用电设备大多数为感性负荷、冲击大等特点，大量使用直流电机、变压器、电力电子装置等非线性负荷。
会出现电网电压波动和闪变、三相不平衡，引起无功频繁波动、功率因数低、谐波含量超标等问题，使电网供电质量下降，严重影响到电网的运行。
由于电力电子装置的广泛应用，使得谐波和无功问题引起越来越多的关注。
同时，也由于电力电子技术的迅猛发展，在谐波治理和无功补偿方面也取得了一些突破性进展。
１ 谐波及其危害各种电力电子器件在人们的生产及生活中的广泛应用，及整流、变频、逆变等非线性负荷设备的应用，诸如谐波干扰、放大等谐波问题也随之产生。
谐波影响供配电系统设备和用电设备的正常工作，影响电力测量和电能计量的准确性，同时对自动控制系统等产生干扰与危害，严重时会造成设备的损坏和电力系统事故。
２ 钢铁企业负荷及其引起的电能质量问题根据生产及工艺要求，钢铁企业的用电设备如大量的电弧炉、中频炉、轧机等非线性负荷，在工作过程中产生大量的谐波，导致电流波形发生畸变，严重影响系统电能质量。
同时产生的电压闪变和波动、电压暂降等问题也对电能质量造成很大的影响。
以下仅着重分析电弧炉（ＥＡＦ）、精炼炉（ＬＦ）、中频炉、轧机冲击负荷的特点及其引起的电能质量问题。
2.1 电弧炉引起的电能质量问题电弧炉包括交直流电弧炉，冶炼过程主要分两个阶段，即熔化期和精炼期。
在熔化期，电弧阻抗不稳定，电流波形不规律，故谐波含量大，具有较多的３次及３的倍数次谐波，还存在一定的偶次谐波。
对交流电弧炉来说，其中２－７次谐波幅值较大。
电弧炉产生的电能质量主要有三方面：谐波问题、电压闪变及波动问题、三相不平衡问题。
2.2 精炼炉引起的电能质量问题钢包精炼炉属含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。
是用来对初炼炉所熔钢水进行精炼，要求具有较大的变压器容量、较大的电流波动范围、三相电流很不平衡，对供电质量及用电设备也存在很大的影响。
2.3 中频炉引起的电能质量问题中频炉是一种将工频５０Ｈｚ交流电转变为中频的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。
浅谈电能质量的影响因素及控制方法
浅谈电能质量的影响因素及控制方法摘要:电能质量是当今社会科学重点关注的一个的热点话题。
如何有效的改善电能质量问题是各国专家努力钻研的课题之一。
本文扼要介绍了衡量电能质量的主要指标,提出了影响区域电能质量因素,最后讨论了对电能质量进行有效改善的策略和方法。
关键词:电能质量电力系统电力技术1 衡量电能质量的主要指标1.1 电压偏差根据《电能质量-供电电压允许偏差》(GB12325—2003),电压偏差的限值规定为:220 kV、110 kV、35 kV供电电压正负偏差的绝对值之和不超过10%;10 kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%;单相供电电压允许偏差为+7%～10%。
崇明三岛最高电压等级为220 kV,现有220 kV变电站4座,110 kV及以下共有30座。
1.2 频率偏差根据《电能质量-电力系统频率允许偏差》(GB/T15945—95)对频率偏差的限值规定:电力系统正常频率偏差允许值为±0.2 Hz。
当系统容量较小时,偏差值可放宽到±0.5 Hz。
用户冲击负荷引起的系统频率变动不得超过±0.1 Hz[1]。
崇明三岛电网为江苏电源与上海电源分送东西部负荷,崇明三岛频率随主网频率的变化而变化。
1.3 其他技术指标谐波含量是指具有供电系统基波频率整数倍频率的正弦电压或电流;电压波动及闪变是指具有供电系统基波频率整数倍频率的正弦电压或电流以及人眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感受。
电力谐波产生的主要原因:一是发电源质量不高产生谐波;二是输配电系统产生谐波;三是用电设备产生的谐波。
2 电能质量问题的产生原因2.1 电力系统元件存在的非线性问题电力系统元件的非线性问题主要包括:发电机产生的谐波;变压器产生的谐波;直流输电产生的谐波等。
近年来,随着生态岛的建设,崇明风风力发电逐渐发展,至今风机装机容量为13 MV A。
风力发电将成为崇明电网不容忽视的电源点,风机的非线性问题将更为凸显。
电能质量问题分析与解决方案研究
电能质量问题分析与解决方案研究近年来，随着现代工业和生活中对电力依赖性的不断增加，电能质量问题也日益引起人们的关注。
电能质量问题指的是电力供应中的各种电压波动、电压闪变、电流谐波等现象对设备和系统稳定运行造成的干扰。
本文将分析电能质量问题的原因，并探讨一些解决方案。
1. 电能质量问题的原因分析1.1 电力负荷增加导致的电能质量问题随着经济的发展和人们生活水平的提高，电力负荷不断增加，这直接导致了电能质量问题的出现。
电力系统中的电力设备由于负荷过大而超负荷运行，引起电压波动、闪变等问题，影响电力供应的稳定性。
此外，高负荷运行还会增加电力线路阻抗和电力设备的损耗，进一步影响电能质量。
1.2 新能源接入导致的电能质量问题近年来，新能源发电逐渐得到推广和应用，如太阳能发电、风力发电等。
然而，新能源发电的不稳定性和间歇性导致了电网负荷的不稳定，造成电能质量问题的出现。
此外，新能源发电中的逆变器等设备也会引入电压谐波等问题。
1.3 电力设备老化引起的电能质量问题随着电力设备的使用时间的增加，设备老化现象不可避免。
设备老化会导致电气接触不良、绝缘性能下降等问题，进而引发电能质量问题。
例如，老化的电缆会出现电感增加、电阻增加等影响电能质量的问题。
2. 电能质量问题的解决方案2.1 电力系统的线路改造和设备更换针对电力负荷增加导致的电能质量问题，可以通过对电力系统的线路进行改造和设备更换来解决。
例如，增设补偿装置来减小线路阻抗和提高电力传输能力，同时采用先进的电力设备和技术来减小设备损耗和电压波动。
2.2 新能源发电系统的优化设计对于新能源发电导致的电能质量问题，可以通过优化设计来解决。
例如，增加新能源发电系统中的储能设备，提高系统的稳定性，减小电力波动。
同时，对逆变器等设备进行优化，降低谐波污染。
2.3 定期检测和维护电力设备为了解决电力设备老化导致的电能质量问题，定期检测和维护电力设备是必不可少的。
通过定期的设备检查和维护，可以及时发现设备老化问题，并采取合适的措施进行修复或更换，保证电力设备的正常运行，减小电能质量问题发生的可能性。
电能质量分析(1)
电能质量综合分析评估摘要随着经济的快速发展，电网中非线性负荷用户的比例不断提高，由此而产生的电能质量问题，表现得越来越突出。
本文在介绍电能质量综合评估的定义、必要性及目的的基础上提出了几种常用的电能质量评估方法。
本文利用概率和矢量代数相结合的方法，通过实例分析后得出：首先,这种方法能够较好地反映运城市电能质量的实际情况。
其次，该方法评估过程简单易懂，能够较好地和所学理论进行有机结合。
本文在介绍电能质量的基本知识的基础上，针对影响电能质量因素进行了MATLAB仿真处理。
目前,我国实施竞价上网，按质定价、优质优价的原则。
这将是电能质量综合评估问题研究与开发的方向。
电能质量评估对认识电力系统电能质量有重要意义，从而对改善电能质量有指导意义。
关键词：电能质量概率和矢量代数综合评估目录前言 (4)第1章概述 (5)1.1本文研究的目的和意义 (5)1.2国内外的研究现状 (5)2.1电能质量的定义 (5)2.2电能质量重要指标及国家标准 (6)2.2.1电压偏差 (6)2.2.2电压波动 (6)2.2.3电压闪变 (8)2.2.4频率偏差 (8)2.2.5电网谐波 (9)2.2.6三相电压不平衡度 (10)2.2.7暂态指标 (10)2.3电能质量问题的产生 (11)2.4如何改善电能质量 (11)第3章电能质量综合评估 (12)3.1电能质量评估的定义、必要性及目的 (12)3.1.1评估方式的定义 (12)3.1.2电能质量评估的必要性及目的 (12)3.2电能质量综合评估的方法 (13)3.2.1概率论与模糊数学相结合的方法 (13)3.2.3基于模糊数学的方法 (13)3.2.4智能化综合评估简介 (14)3.2.5本文所用方法 (14)参考文献 (16)前言现代社会中，电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度成为一个国家发展水平的主要标志之一。
随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。
电能质量分析及改善措施研究
电能质量分析及改善措施研究摘要：电能是一切行业中的基本能源，用电企业从供电企业所获得的电能的质量直接决定着企业的生存发展，只有深入了解电能质量的影响因素，并提供解决措施，才能保证电力行业的健康发展。
关键词：电能质量；改善；措施1电能质量的概念第一，电流质量：该指标反映了与电压质量有密切关系的电流的变化，实际运行中对电流波形与供电电压相位有非常严格的限制条件，以确保高功率因素运行，提高电能质量，降低线损；第二，电压质量：实际电压和理想电压的偏差。
通过电压质量可以衡量电力企业向电能客户输送的电能合格与否；第三，供电质量。
该指标反映电压质量和供电可靠性，供电企业从客户投诉的反映速度来侧面衡量供电质量。
2电能质量的影响因素及危害2.1谐波谐波问题是当前影响电能质量的主要因素之一，不仅会降低电力设备的利用效率，同样还会由于用电设备、输电设备过热而增强其损耗水平。
同时对于继电保护装置、计算机系统等都会造成明显的干扰，导致其无法正常工作。
2.2电力系统频率偏差电力系统频率偏差将会导致电动机转速出现明显波动，同样也会对传动机械的出力情况产生一定的干扰，部分情况下对感应式电表的误差加大也有一定的解释意义。
上述问题然对社会生产产生严重的干扰，尤其是针对一些精密加工企业来说，电力系统频率偏差所带来的经济损失无疑是非常巨大的。
除此之外，电力系统频率偏差对于发电机组以及输电系统的安全在客观上有一定的负面影响，值得关注。
2.3供电电压偏差电压偏差对于生产和人们的日常生活所具有的影响如下：照明设备使用寿命受到影响；影响电动机工效，增加产品质量波动；变压器损耗增加，使用寿命降低；电子设备控制不正常等等。
2.4三相电压不平衡三相电压不平衡客观上将会导致电机附近发热，同时引起二倍频的附加振动力矩使电机负载能力降低引起以负序分量为启动元件的多种保护误动作；换流设备产生附加的谐波电流；严重降低抵押配电线路中的变压器负载能力，从而导致照明设备使用寿命的快速降低以及线损水平的快速提升。
电力系统中电能质量的影响因素分析
电力系统中的三相不平衡同样会对电能质量产生不良影响。三相不平衡通常是由于三相负载分配不均匀、单相大容量负载的接入等原因造成的。三相不平衡会导致中性点电压偏移，增加线路损耗，影响电动机的运行性能。在严重的情况下，还可能导致保护装置误动作，影响电力系统的安全稳定运行。
供电中断是电能质量中最严重的问题之一。其原因可能是线路故障、设备故障、自然灾害等。供电中断会给用户带来巨大的损失，特别是对于一些连续生产的企业，如化工厂、钢铁厂等，短暂的停电都可能导致生产流程中断，造成产品质量下降、原材料浪费等问题。
除了上述因素外，电力系统中的无功功率不足或过剩也会影响电能质量。无功功率不足会导致电压的绝缘。
为了提高电能质量，减少上述因素的影响，需要采取一系列的措施。在电力系统的规划和设计阶段，要合理配置电源和负荷，尽量减少非线性负载和不平衡负载的接入。对于已经存在的非线性负载，可以采用谐波滤波器来减少谐波的注入。对于电压波动和闪变，可以采用动态无功补偿装置来稳定电压。加强电力系统的监测和管理，及时发现和处理故障，也是提高电能质量的重要手段。
另外，电力系统中的频率偏差也会影响电能质量。正常情况下，电力系统的频率应该保持在一个稳定的数值（通常为50Hz或60Hz）。然而，当系统中的有功功率不平衡时，频率就会发生偏差。频率偏差会影响电动机的转速、变压器的磁通等，从而影响设备的正常运行。
电力系统中的暂态现象，如雷电冲击、短路故障等，也会对电能质量造成严重影响。暂态过程中会产生很高的电压和电流峰值，可能会损坏电力设备的绝缘，导致设备故障。
钢铁厂电弧炉、轧机对电网产生一系列不良影响与解决方案
钢铁厂电弧炉、轧机对电网产生一系列不良影响与解决方案不良影响电弧炉电弧炉做为非线性及无规律负荷接入电网，将会对电网产生一系列不良影响。
其中主要是：∙导致电网严重三相不平衡，产生负序电流。
∙产生高次谐波，其中普遍存在如24次偶次谐波与3、5、7次等奇次谐波共存的状况，使电压畸变更趋复杂化。
∙存在严重的电压闪变。
∙功率因数低。
轧机轧机及其他工业对称负载在工作中所产生的无功冲击会对电网造成如下影响：∙引起电网电压降及电压波动，严重时使电气设备不能正常工作，降低了生产效率。
∙使功率因数降低。
∙负载的传动装置中会产生有害高次谐波，主要是以5、7、11、13次为代表的奇次谐波及旁频，会使电网电压产生严重畸变。
解决方案：彻底解决上述问题的唯一方法是安装具有快速响应速度的动态无功补偿器(SVC)。
SVC系统响应小于lOms，完全可以满足严格的技术要求，向电弧炉快速提供无功电流并且稳定母线电网电压，增加冶金有功功率的输出，提高生产效率，并且最大限度地降低闪变的影响。
SVC具有的分相补偿功能可以消除电弧炉造成的三相不平衡，滤波装置可以消除有害的高次谐波并通过向系统提供容性无功来提高功率因数。
SVC 系统可以完美地解决上述问题，保持母线电压平稳，无谐波干扰，功率因数接近1。
世界各国目前普遍采用TCR型静止型动态无功补偿装置(SVC)，用以消除无功冲击，滤除高次谐波，平衡三相电网。
TCR型SVC工作原理SCV如图接入系统中，电容器提供固定的容性无功Qc，补偿电抗器通过的电流决定了补偿电抗器输出感性无功QTCR的大小，感性无功和容性无功相抵消，只要能做到系统无功Qn=Qv(系统所需)-Qc+Q TCR=常数(或0)，则能实现电网功率因数=常数，电压几乎不波动，关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流，晶闸管变流装置和控制系统能够实现这个功能，采集母线的无功电流值和电压值，合成无功值，和所设定的恒无功值(可能是0)进行比较，计算得触发角大小，通过晶闸管触发装置使晶闸管流过所需电流。
大容量电弧炉负荷对电网的影响及其防范措施
湖 北
电 力
第 31 卷第 1 期 2007 年 2月
大容量电弧炉负荷对电网的影响及其防范措施
李 俊, 彭 涨, 谢良德
436000) ( 湖北省鄂州供电公司, 湖北 鄂州
[ 摘 要 ] 着重分析了大容量电弧炉冲击负荷的特点 , 为了保障电力系统自身的安全可靠运行 , 应根据电弧炉负荷的特点在进行相关的电气设备选型和运行管理中采取适宜的防范措施 , 尽量减小大 容量电弧炉冲击负荷对电网的影响 。 [ 关键词 ] 电弧炉负荷; 冲击性 ; 电压波动与闪变
式电能表将负载 ( 谐波源 ) 消耗的基波有功电能和 谐波源 (负载 ) 向电网返送的谐波有功电能进行了 代数相加 , 使得记录的能量比负载消耗的基波有功 电能量还要小。为了避免这种情况发生 , 只记录负 荷消耗的基波有功电能, 用电磁感应式电能表比用 同准确级别的全电子式电能表更合理。对于谐波超 标的电网和电力用户 , 为了合理计量用户消耗的有 功电能, 宜采用谐波电能表, 同时要求用户进行谐波 治理 , 符合国标要 求后, 再采 用全电子式电 能表计 量。 3 . 2 . 2 保护装置的选择 由于电弧炉冲击负荷引起的波形畸变有可能会 造成继电器或保护装置的频繁启动 , 降低其使用寿 命, 严重的甚至可能造成保护误动或拒动, 埋下安全 隐患。总的来说, 保护继电器对波形畸变之响应很 大程度取决于所采用的检测方法 , 对受电弧炉负荷 影响较大的保护装置, 一方面应加强负荷谐波治理, 另一方面应选择适宜的启动方式和保护定值, 尽量 减少谐波畸变的影响。 3 . 2 . 3 电容器的选择 电容器与其他设备有很大区别, 因其容性特点 在系统共振情况下可显著的改变系统阻抗, 电容器 组之容抗随频率升高而降低, 起到吸收高次谐波电 流的作用。但在电力系统中使用电容器组时, 必需 考虑系统产生谐振的可能性。此外 , 专供冶炼厂负 荷的变电站应根据实测的功率因数情况决定在变电 站侧是否需要增加补偿装置。 3 . 2 . 4 断路器的选择 电弧炉负荷的短路电流大 , 对断路器的灭弧能 力要求较高, 容易引起断路器、 避雷器等设备爆炸事 故, 故而在选用断路器时应尽量避免选用油断路器, 宜选择经实践检验合格的真空断路器 , 并适当选择 设备参数。对于专供冶炼厂负荷的变电站专用出线 间隔的高压柜在实际运行后应跟踪检测设备的绝缘 改变和断路器的真空度 , 加强检修维护 , 确保断路器 的灭弧能力达到设计要求。
电炉炼钢电弧炉对电网电能质量影响估算及改善措施
功 率 和 效率 二
1
、 、
,
低
CO S?
、
运 行在 我 国公用 电规 程 是 不 允 许的
。
电 炉有 功
无 功功 率 的冲击 造 成电 网电 压 的波 动和 闪变
,
电 炉 冶炼 过 程 由 于 炉 内塌 料 和 钢水 液 面 的 波 动
, ,
引起 电 炉 有 功
、
无 功 急剧 变 化
.
,
严重 倍甚
无 功功 率随 机或 大 幅度 的 波动
运行 过 程 平均 功率 因数低
,
三 相 负荷
这类性 质 的负荷 是 目前 电 网 存 在 的 污 染源
本 文就 以 电 网 中常 见 的 电 炉 影 响 及 这 一 影 响 程 度 估算方 法进 行介 绍
一
、
供 参考
。
电 炉炼 钢功 率 因 数 低
。
炼 钢过 程在 熔化 期
江
苏
电
机
工
程
第
卷第0
期
年9 9 2 月
1
4
编者 按
东南 大学 陈怡
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万 秋兰
、
江 苏 省 电 力局 彭 耀 淡 同 志 撰 写 的
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张 家港 永 新 钢 厂 期刊 出后
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率 电弧 炉 对 电 力 系 统 影 响 的 分 析 和 计 葬 论
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一 文 在本 刊
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年 9 第 9
江 苏省 电 1力 1设 计
、
,
本文简要介
绍 钢 厂 电沪 对 电网 的 形 响 及 如 何减 轻 这 一 影响 提 出一 些 看 法
开题报告_电弧炉的无功补偿和闪变抑制
一、前言与课题研究的意义随着我国国民经济的快速发展，电力负荷急剧增大，特别是一些冲击性、非线性、不平衡负荷数量和容量的不断增长，使得电力系统中电能质量问题日趋严重，造成电气设备不能正常工作，严重时将引起保护装置动作，极大地影响了人们的生产生活秩序。
因此，提高和保证电力系统良好的电能质量具有重要的现实意义。
按照作用时间的不同，电能质量问题可以分为稳态问题和暂态问题。
稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷和噪声等；暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分为脉冲暂态和振荡暂态两大类。
此外，按照电气量的不同，电能质量问题还可以分为电压质量问题和电流质量问题两个方面。
电压质量问题指会影响用户设备正常运行的不理想的系统电压，包括电压闪变（Flicker）、瞬时过电压（Swell）、波形畸变（Harmonics）、三相电压不平衡（Unbalance）等情况；电流质量问题指电力电子设备等非线性负荷给电网带来的电流畸变，以及无功和不平衡电流、低频负荷变化造成的闪变等。
在实际中，电压电能质量问题和电流电能质量问题是密不可分、相互影响的。
在配电网中，电弧炉（Electric Arc Furnace，包括直流电弧炉和交流电弧炉）是一种较大的干扰性负荷。
由于电弧炉炼钢在技术经济上的优越性，国内外绝大多数的炼钢企业将电弧炉作为首选；但是，作为一种严重的冲击性、非线性负荷，电弧炉对于电能质量的影响是十分严重的。
以电压闪变为例，对于电弧炉冶炼过程中无功波动而导致的低频电压波动，当波动频率在8.8Hz时，即使波动范围只有0.25%，其所引起的白炽灯照明闪变，也足以使人感到不舒服，甚至难于忍受。
尤其是当电弧炉接入短路容量相对较小的配电网时，其所引起的电能质量问题，会危害到连接在公共供电点上的其他用户的正常用电。
因此，为了解决电弧炉的电能质量问题，必须就地进行包括快速无功补偿在内的一系列补偿措施。
电弧炉对电网及自身的影响和抑制方案
电弧炉对电网及自身的影响和抑制方案1 引言现代大型功率炼钢电弧炉，由于其容量大，是用电大户，对电网的影响具有举足轻重的作用。
它具有功率因数低，无功波动负荷大且急剧变动，产生有害的高次谐波电流，三相负荷严重不平衡产生负序电流等对电网不利的因素，使得电网电能质量恶化，危及发配电和大量用户，也影响电炉自身的产量、质量，使电耗、电极消耗增大，从而成为电网的主要公害之一。
现在有关大型电弧炉对电网公害抑制的研究也正在深入开展，有必要对其不利影响和抑制对策作一概述性的分析。
2大型电弧炉对电网的影响2.1引起电网电压急剧波动大型电弧炉在熔化期电弧长度急剧变化，引起无功负荷急剧波动，其工作短路功率为电炉变压器额定功率的两倍左右，其最大波动无功为电炉变压器额定功率的1.5倍左右（具体倍数取决于短网阻抗、电炉变压器阻抗、供电系统阻抗之和的大小，总阻抗大则工作短路倍数小，反之则大）。
无功的急剧波动，引起电网电压的急剧波动，其波动频率一般为1~15Hz，使灯光和电视机屏幕产生闪烁，使人视觉疲劳而感到烦躁，此外还影响到晶闸管设备和精密仪表等的稳定运行，甚至产生质量事故。
国标GB12326-2000《电能质量电压允许波动和闪变》规定了电力系统公共供电点各级电压等级的电压波动和闪变允许值。
2.2使电网电压波形产生畸变电弧炉在熔化期，电弧电流是不规则的，且急剧变化，其电流波形不是正弦波，可分解为2次和2次以上的各次谐波电流，主要为2~7次，其中2次和3次最大，其平均值可达基波分量的5%~10%，最大可达15%~30%；4~7次平均值为2%~6%，最大值可达6%~15%。
而电网中的铁磁元件也产生高次谐波，以3次和5次谐波电流较大，其中3次分量最大，而电炉刚好也是3次谐波电流很大，这对电网是极为不利的。
谐波电流流入电网，使其电压波形发生畸变，引起电气设备发热、振动，增加损耗，干扰通信，使电力电缆局部放电绝缘损坏，电容器过载损坏等，国家标准GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》规定了电压波形畸变率限值。
浅析电弧炉对电气设备的影响
＝ ＰｌＰ ＋ … 州 ＋ ２…
ｎ ｎ
Ｓ
ｓ．
Ｓ
…７ 二－
， ＾
｜ ’
有 谐波 功率 Ｐ ＋ …… 产生 ， 用 电设 备 吸收， 被 但用 电设 备中 电机 占 ８％ 右， 工作状 态是按 基波 设计 的 。如 ： 台电机 ｎ＝ ５０ ／ ， １７ ０左 其 一 ｏ１０ 转 分 Ｉ＝ ４ ０ １ 转 ／分， （５ ０ １７ ） １０ ＝ ．２（ ） ｓ＝ １０ —４ ０ ／ ５０ ０ ０ 基波 。当有三 次谐波 功率 时， ＝ ０ ｎ ６ｆ ／＝ ５ ０ ／ ， ｐ４ ０ 转 分 电机 以额定 转速运 行 时， ＝ （Ｏ 一ｎ ） Ｏ ＝． ７ ， Ｓ ｎ ｅ ／ｎ ０６ ３ 如 图， 的值 与Ｓ相 差很 多， 处相 当于 电机对 谐波 功率 始终 处于 启动或 Ｓ 在Ｓ 由于转速 差而 产生 震动， 因此 ， 即使有 谐波 功率产 生， 谐波 功率 不但 无用， 还会 影 响 电机 的 稳 定 运 行 。 ３蕾渡 的 危謇 谐波不 仅会增 加有 功损耗 ， 响 电机运行 ， 会对 其它 设备和 装置 产生 危 影 还 害。主要 有 ： 坏 电容 、 电缆绝 缘 ， 损 电子计 算 机 失控 、 电子设 备 误触 发 、 电 子元 件测试无 法进行 ， 电保护 误动或拒 动， 继 感应 电度 表计 量不准 确， 扰通讯 干 等 。
即谐波 电流 在 基波 电压 下的 有功 功率 为 ０ 。从上 述 分析 得 出， 波 电流 谐 不 能在 电网和 设备 中产 生有 功功 率， 全部 以热 能 的形 式在 线路 和设 备 中消耗 掉 。 同 时谐 波 电流 流 经 导 线 时 ，产 生 “ 肤 效 应 ” 引起 附加 损 耗 。 集 对 于区 域性 小 电网或 电 网容 量较 小 时， 波 电压 和谐波 电流可 能 同时存 谐
高耗能企业中电弧炉对电网的影响
率 因数 恶化 。 高功率 电弧炉运 行在熔 化期 时 ， 超 功率
因数甚 至低到 ０ １这 样引起母 线 电压严重 降低 。电 ．， 压 降低 又相应 降 低 电弧 炉 的有 功功 率 ， 使熔 化 期 延 长， 生产率下 降 。
１ ２ 电压 闪 烁 和 波 动 ．
现代 电弧 炉的基本 功能是 将尽可 能多 的电功率 输入到熔 池 内 ， 以获得 高 的生 产率和低 的物 料 、 能量 消耗 以及好 的环保指 标 。但 由于其 生产时 对电网 影 响与 干扰 是多方 面 的 ， 实践 中也发 现 了涉及 到 电能
质量 的所有方 面 。由于超高 功率 电弧 炉 的变 压器功
２０ 年第２ 期 ０８ １
内蒙古 石 油化 工
５ ７
高 耗 能企 业 中 电弧炉 对 电网的影 响
陈 子 明 ， 海 燕 刘
（ 家湾 供 电 局 ， 薛 内蒙 古 薛 家湾 ０００） １３ ０
摘 要 ： 绍 了高耗 能企 业的生 产特点 和使用大 功率 电弧 炉对 电网的 影响 ， 出 了利 用无 功 补偿装 介 提 置 对 电力 、 冶金 、 采矿 和电 气化 铁道 等冲 击性 负荷的 补偿 ， 而保持 在 电弧 炉等冲 击性 负荷 连接 点 的 系 从
率水平 高 ， 压器 容量高达 数十 兆伏 安 ， 变 在其生产 冶 炼过 程 中对 电网 造成 严重 的 冲击 和干 扰 ， 些 公 害 这 必须加 以控制 和治理 。 １ 对 电网 的干扰
１ １ 功 率 因数 低 ．
电弧 炉 从 电网获 得 电能 ， 中一 部分 转 化为 有 其 用 的热 能 ， 另一 部分则 为无功 能量 。 了使 电弧 能 而 为 稳定燃 烧 ， 电弧炉 的功率 因数不 能取得太 高 。 电弧 因 炉 负载 是高 感性 的 ， 电弧 炉 的接 入使 供 电 电网的 功
电弧炉的工作特性及对电网的影响
在 冶 炼 废 钢 时 电 弧 炉 的 工作 特 性 为 ： （ ） 开 始 溶 化 时 电弧 频 繁 出 现 阶 段 和 １在
重新 燃弧 。
【 关键词 ｌ 电弧炉 影响 电 网 １ 前 言
八一 钢 铁 股 份 有 限 责 任 公 司 电 炉 分 厂 ７ ０吨 直 流 电 弧 炉 的 配 套 工 程 ２０千 伏 电 炉 ２ 变 电站 ． 接 人新 疆 电 同 主 网 ， 用 线 路 变 压 系 采
（ ） 全 熔 化 期 出现 电 弧 波 动 ， 导 致 电 ２在 并 流急剧 变化 。 （） 生 塌 料 导 致 短 路 。 ３发 电弧 炉 在 熔 化期 出现 的 电弧 截断 及 短 路 现 象 ， 有 通 过 统 计 学 方 法 进 行 评 价 。需 注 只
器组单元型式 ２Ｏ千伏进 线 开 关采 用全 封 ２ 闭 Ｓ６ 台 电器 。 ３ Ｆ组 ３千 伏 系 统 采 用接 地 变 经
彤响 ， 表现 形 式 为无 功 冲 击厦 问 变 ； 相 负荷 三
不 平 衡 ； 生 谐 波 电 流 。 电 弧 炉 对 电 网 的 影 产
（） ２ 初精炼及 加热阶段。 （ ） 炼 期 ， 阶段 输 人 能 量 只 需 平 衡热 ３精 此
损耗 。
响可 认 为 是 电 网 曲 环境 污染 。
下面就直流 电弧炉 的工作 特性对 上述 问
题 进行讨论 。
２ 负 载 特性
用于冶炼 的 电弧炉 工作 时 ， 负载 电 流会 发 生变形。在 电弧 截 断时 电阻值 无 限 大 ， 在
短路时电阻值 为零 。 用 于 冶 炼 的 电 弧 炉 一 般 有 三 个特 征 工 作
阶段 ：
电阻接 地 系 统 ， 配 有 ３ ４ ５ ７次 消 谐 保 护 并 、 、、＇ 装置， 整个 系 统 采 用 微 机 保 护 装 置 和 计 算 机 双模容错控 制 系统 ， 整个 变 电 站 内 具 备 四 遥
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电弧炉负荷及其对电能质量的影响分析为了了解电弧炉对电能质量和电能效率影响的产生原因，需要对电弧炉设备的特殊性做一下简单介绍。
1.1 电弧炉分类和工作原理电弧炉是利用电弧能来冶炼金属的一种电炉。
工业上应用的电弧炉可分为三类：第一类是直接加热式，电弧发生在专用电极棒和被熔炼的炉料之间，炉料直接受到电弧热。
主要用于炼钢，其次也用于熔炼铁、铜、耐火材料、精炼钢液等。
第二类是间接加热式，电弧发生在两根专用电极棒之间，炉料受到电弧的辐射热，用于熔炼铜、铜合金等。
这种炉子噪声大，熔炼质量差，已逐渐被其它炉类所取代。
第三类称为矿热炉，是以高电阻率的矿石为原料，在工作过程中电极的下部一般是埋在炉料里面的。
其加热原理是：既利用电流通过炉料时，炉料电阻产生的热量，同时也利用了电极和炉料间的电弧产生的热量。
所以又称为电弧电阻炉。
1.2 电弧炉的组成设备∙炉用变压器电弧炼钢用变压器应能按冶炼要求单独进行电压电流的调节，并能承受工作短路电流的冲击。
电炉变压器额定电压的选择要考虑许多因素。
若一次侧电压取高些，则系统电抗小，短路容量大，可减少闪变，但须增加配电装置费用。
若二次电压高些，则功率因素较高，电效率较高，但电弧长，炉墙损耗快，综合效率变低。
一般电炉变压器二次侧均为低电压（几十至几百伏），大电流（几千至几万安）。
为保证各个熔炼阶段对电功率的不同需要，变压器二次电压要能在50% ~70%的范围内调整，因此都设计成多级可调形式。
调整方法有变换、有载调压分接开关等。
变压器容量小于10MVA者，可进行无载切换；容量在10MVA 以上者，一般应是有载调压方式。
也有三相分别设置分接头装置，各相分别进行调整，可以保障炉内三相热能平衡。
与普通电力变压器相比，电炉专用变压器有以下特点：a.有较大的过负荷能力；b.有较高的机械强度；c.有较大的短路阻抗；d.有几个二次电压等级；e.有较大的变压比；f.二次电压低而电流大。
电炉变压器和电弧炉的容量比一般为0.4~1.2MVA/t。
电弧炉的电流控制，是由电弧炉变压器高压侧绕组分接头的切换和电极的升降来达到的。
∙电抗器为了稳定电弧和限制短路电流，需要约等于变压器容量35%的电抗容量，串入变压器主回路中。
大型电弧炉变压器，本身具有满足需要的电抗值，不需外加 电抗器；而小于10MVA的变压器，电抗不满足要求，需在一次侧外加电抗器。
电抗器的结构特点是：既使通过短路电流，铁芯也不发生磁饱和。
电抗器可装在电炉变压器的内部，称为内附式；也可做成装在变压器外部的独立电抗器，称为外附式。
电炉变压器一般要串联电抗器，使得变压器短路阻抗和电抗器电抗之和达到0.33~0.5标准值（以电炉变压器额定容量为基准）。
容量小于10MVA的电炉变压器，有时在其高压侧装有串联电抗器，以降低短路电流和稳定电弧。
对于较大容量的电炉变压器，它本身的漏电抗已足够大，不需再串联电抗器。
∙高压断路器炼钢电弧炉对高压断路器的要求是：断流容量大；允许频繁动作；便于维修和使用寿命长。
电弧电阻炉负载平稳，连续运行，常用多油或少油式高压断路器，炼钢电弧炉断路器经常跳闸，多选用六氟化硫断路器、电磁式空气断路器、真空断路器等。
∙电流互感器大型炼钢电弧炉的二次电流很大，无法配用电流互感器。
因此，低压侧仪表，电极升降自动调节电流信号，都接到高压侧电流互感器上，或接在电炉变压器的第三绕组上（可变变比）。
∙电磁搅拌器为了强化钢液与熔渣反应，使钢液温度和成分均匀，在炼钢电弧炉炉底部，加装电磁搅拌器。
搅拌器由绕有两组线圈的铁芯构成。
它本身相当于电机的定子，溶池中的钢液相当转子。
搅拌器线圈中通以可产生移相磁场的两相低频电流，磁场使钢液中产生感应电流，移动磁场与感应电流相互作用，使钢液在电动力的推动下，顺着移动磁场移动的方向流动，从而使钢液得到了搅拌。
采用电磁搅拌的电弧炉，其炉底要用非磁性钢板制成。
为了改变电磁搅拌器的搅拌力，要求采用可调频率的低频电源，其频率在0.3~0.5HZ内调节。
一般采用晶阐管变频电源。
需加装电容器以提高功率因素，并加装电抗器防止产生谐振。
通过对电弧炉设备的电气特性的分析，可以得出以下结论：a) 为使电弧炉工作中不发生断弧现象，当电流瞬时为零时，电弧电压Uh必须大于引燃电压。
b) 为限制短路电流，变压器二次回路必须有一定的电抗值，功率因素不能过于接近1。
对于普通电弧炉回路工作点的功率因素范围在0.8~0.85之间；对于高功率的电弧炉，在0.7~0.8之间。
c) 电压闪变问题：用电负荷剧烈波动，造成供电系统瞬时电压骤升骤降。
1.3 电弧炉对电能质量的影响电弧炉的冶炼过程分两个阶段，即熔化期和精炼期。
在熔化期，相当多的炉内填料尚未熔化而呈块状固体，电弧阻抗不稳定。
有时因电极都插入熔化金属中而 在电极间形成金属性短路，并且依靠电炉变压器和所串电抗器的的总电抗来限制短路电流，使之不超过电炉变压器额定电流的2~3倍。
不稳定的短路状态使得熔化 期电流的波形变化极快，实际上每半个工频周期的波形都不相同。
在熔化初期以及熔化的不稳定阶段，电流波形不规律，故谐波含量大，主要是第2、 3、4、5、6、7次谐波电流。
据西北电研院实测，第2、3、5次谐波电流含有率常达5%~6%及以上，严重时可达20%以上。
但当某一次谐波电流达到很 大值时，其他次谐波电流一般会是较小值。
电弧炉电极间电压的典型值在100~600V范围，其中电极压降约为40伏，电弧压降约为 12V/cm、电弧越长压降越大。
在熔化期电弧炉的电压变化大，最高和最低电压可相差2~5倍。
由于电弧炉负荷的随机性变化和非线性特征，尤其在熔化期产 生随机变化的谐波电流，除了离散频谱外、还含有连续频谱分量。
含偶次谐波，表明电弧电流的正、负半周期不对称；含连续频谱和间谐波，表明电弧电流的变化带 有非周期的随机性。
在熔化期三相不平衡电流含有较大的负序分量。
当一相熄弧另两相短路时，电流的基波负序分量与谐波的等值负序电流可达正序的50%~70%。
这将引起公共供电点的电压不平衡，对电机的安全运行影响较大，尤其对大电机的影响更为严重。
实际上电弧炉最重要的影响还不是谐波问题，而是电压波动和闪变。
大 型电弧炉会引起对电网的剧烈扰动，有的大型炉的有功负荷波动，能够激起邻近的大型汽轮发电机的扭转振荡和电力系统间联络线上的低频振荡。
此类冲击性负荷会 引起电网电压波动。
频率在6~12HZ范围内的电压波动，即使只有1%，其引起的白炽灯照明的闪光，已足以使人感到不舒服，甚至有的人会感到难以忍受。
尤 其是电弧炉在接入短路容量相对较小的电网时，它所引起的电压波动（有时还包括频率波动）和三相电压不平衡，会危害连接在其公共供电点的其他用户的正常用 电。
电弧炉的基波负序电流也较大，熔化期平均负序电流为基波正序电流的20%左右。
最大负序电流都发生在两极短路 时，但这时谐波电流含量不大。
必须指出，电弧炉的电压波形变化是随机性的，所以当数台电弧炉同时运转时，它们引起的各种扰动不会和电弧炉的台数成正比，而 是要小一定数值，一台30t的电弧炉的电能扰动影响比6台5t电弧炉的影响要大得多。
从闪变影响来讲，6台5t的电弧炉尚不及一台10t炉的影响大。
电弧 炉的谐波影响也是主要取决于最大一台炉的容量，而较少信赖多台炉的总容量。
国内外经验表明，"超高功率"电弧炉有时成为当地最重要谐波源和多种扰动源。
但 对于短路容量很小的电网，小电弧炉也能成为重要的谐波源。
以下是我们测定的某电弧炉在熔化期的闪变和谐波的数据。
被测设备：三相交流电弧炉，额定工作电压：260V，额定电流：12000A，功率：5500Kw1 电弧炼钢过程闪变测试上图表示电弧开始熔化炼钢时的电压中含有大量的瞬态电压浪涌，最大尖峰值达到448V，平均每小时的发生频率达到633600次。
上图显示即使在熔清状态，电压中仍然含有大量的闪变，达到168400次，尖峰值达到352V。
2 电弧炼钢过程谐波总畸变率测试通过对熔化期电压谐波总畸变率进行连续测试，得到如下数据：加料后熔化期初始的电压谐波总畸变率27.4%加料后熔化期末期的电压谐波总畸变率7.0%连续测试的电压谐波总畸变率数据及变化如下图表：炉号：1-4069Date：2003-12-14Time THDr 9:54:40 27.40% 9:54:44 23.00% 9:54:48 22.60% 9:54:53 19.00% 9:54:56 18.30% 10:09:35 7.30% 10:09:40 7.80% 10:09:44 8.70% 10:09:48 11.30% 10:09:53 8.40% 10:09:57 7.00%以上数据显示，由于严重的闪变的影响，电弧炉工作系统中的谐波总畸变率超过了国家标准规定的5%，严重时可以达到27%，对于电网系统会产生大量的谐波污染。
可以看出，电弧炉做为非线性及无规律负荷接入电网，将会对电网和其他负载产生一系列的不良影响，其中主要是：∙导致电网严重三相不平衡，产生负序电流∙产生高次谐波、其中普遍存在如2、4次偶次谐波与3、5、7次等奇次谐波共存的状况，使电压畸变更趋复杂化∙功率因素降低在一个电网中，电压的改变会影响所以接于这个电网的负载，因此电弧炉对电网的影响可以称为电网的环境污染。
必须采取技术措施进行抑制。
当电弧炉功率大于电网短路功率的1/80时，通常需要考虑对电网的影响问题。
1.4 电弧炉对电能效率的影响1.41 电弧炉的用电环境和状况用于冶炼的电弧炉一般有三个特征工作阶段：∙开始熔化阶段，固体炉料熔化，能量需求最大∙初精炼及加热阶段∙精炼期，此阶段输入能量只需平衡热损坏普通交流电弧炉的冶炼周期约为3~8h，取决于供电电路参数、电炉容量和冶炼的工艺等。
熔化期约0.5~2h，为三相不对称的冲击负荷，电流极不稳定，消耗电能大、约占总耗电量的60%~70%。
氧化和还原的精炼期电压波动和耗电量都显著降低。
在废钢冶炼时电弧炉的工作特性为：∙在开始熔化时电弧频繁出现截断和重新燃弧∙全熔化期出现电弧波动，并导致电流急剧变化∙发生塌料导致短路普通电弧炉回路工作点的功率因素范围在0.8~0.85之间；对于高功率的电弧炉，在0.7~0.8之间。
较低的功率因素必然造成电能效率的低下。
1.42 电能效率的影响电弧炉对于电能的浪费主要表现在二个方面，一是功率因素较低，二是在熔化期间产生大量的闪变和谐波。
闪变是引起诸如谐波失真、 电压电流失相等等多种副作用的最主要原因。
"闪变"(Transients)是交流正弦波电路上电流与电压的一种瞬态畸变。
其主要的表现形式为浪涌、尖 峰、谐波等。
美国著名能源理论家赫斯菲尔德博士认为，这种畸变的主要特点是超高压、超高速、超高频次。