电网电能质量的分析及监测

电网电能质量的分析及谐波治理

姓名：孙士云学号：08B306015

1 研究的意义良好的电能质量是保证电力设施和用电设备安全、可靠、高效运行的基础。随着生产和技术的发展，用电负荷日益增长，各种基于微处理器的控制系统和基于半导体功率器件的电力电子设备的应用迅速增加，节能和环保要求也不断提高，与此密切相关的电能质量问题日益受到更多的关注。对电能质量实施有效控制，已逐渐成为提高设备运行质量和节能降耗的重要方面。譬如油田配电网具有用电容量大、设备分散、配电线路长等特点，对配电网电能质量实施有效的监测控制更为重要。对配电网电能质量状况进行系统的检测与分析，是进行电能质量问题治理实现电能质量有效控制的基础。

2 电能质量及其分析与评价准则

2．1 电能质量问题的背景

一个理想的电力系统应以恒定的频率(50Hz 或60Hz) 和正弦的波形，按规定的电压水平对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等、相位互差120。的对称状态。因

此，在输配电系统中常用频率、有效值、波形质量和三相电压的对称度来描述其运行状态的优劣。由于系统运行状态的变化、电网规划的不恰当、电力负荷本身存在的各种问题以及其他不可预见的电力系统故障等原因，理想状态在实际运行当中并不存在，因此就提出了电能质量的概念。电能质量问题的提出由来已久，可以说基本上同电力系统自身的发展同步，并随着电力系统的发展而不断增添新的内容。在电力系统发展的早期，电力负荷的组成比较简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成，因此衡量电能质量的指标也比较简单，主要有频率偏移和电压偏移两种。进入上世纪80 年代以来，电能质量问题逐渐引起电力公司和电力用户的广泛关注，其原因是多方面的，归纳起来主要有以下四点：

(1) 现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高，许多新的电器和装置都带有基于微处理器的控制器和功率电子器件，它们对各种电磁干扰都极为敏感。

(2) 对电力系统运行总效率的重视程度不断加强，特别在用电设备方面表现突出。例如，高效率电机变频驱动、为降低损耗和校正功率因数而采用的并联电容补偿器，以及用户大量的电子设备等。但这些设备的使用又会导致电网谐波污染，更广义的称为电气环境污染，致使供电电压干扰水平加重，对电力系统安全运行带来直接的或潜在的危害。

(3) 电力用户已提高了对电能质量的认识，正在了解诸如供电间断、电压凹陷、电路通断引起的暂态现象等实际问题。为满足高科技生产流程的需要，维护用电设备的正常运行，越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要求，甚至通过签定供电合同和质量协议的方式以获得保证。

(4) 电力网的各个部分都是相互联系的，因此综合协调处理至关重要。任何一个局部的故障或事件都有可能造成大面积的影响，甚至是重大损失。这迫使供电部门在保证向用户提供优质电力的同时，还需极力避免遭受用电设备产生的电力干扰，维护电网安全运行。因此电能质量已经成为一项系统工程问题。

2．2 电能质量的定义对于电能质量的定义，电力公司、电力设备生产厂家和电力用户各有各的观点。电力公司常将电能质量定义为供电可靠性并用统计数据来表示。显然，这个定义仅仅考虑了电力公司对用户保持持续供电的能力，而忽略了系统运行条件对用户设备性能的影响。电力设备生产厂家则将电能质国量定义为能使设备正常运行的供电特征，因此不同的设备制造商往往存在不同的电能质量标准。电力用户则可能把电能质量简单定义为是否向负荷正常供电，将电能质量问题定义为导致用户设备性能降低、失效或误动作的电压、电流或频率偏移等任何电能问题。由此可以看出，电能质量实际是对可能引起电气设备电能质量问题的各种类型电力系统干扰问题的总称。就其本质来讲，电能质量其实是电压质量，主要描述输配电电压偏离其理想状态的程度，内容涉及频率偏移、长期电压偏移、短期电压偏移、电磁暂态、三相不平衡、波形失真、电压波动和闪变等共七类电磁现象。

2．3 电能质量问题的具体内容及其危害

(1) 频率偏移频率偏移是电能质量的一个重要指标，它定义为电力系统基波频率偏离额定频率的程度。大容量负荷或发电机的投切以及控制设备不完善都有可能导致频率偏移。在电网中如果发生较大频率偏移可能导致电网瓦解和安全方面的严重后果，因此电网中均具备对运行频率的严格监测与控制措施；同时，电压频率决定于发电机的结构和转速，在电力的输送和分配过程中不会发生变化，易于集中控制；因此，在大电网中有害频率偏移发生的概率极低。但在小水电、中小型柴油发电机等供电时较易发生频率偏移。对电力用户而言，频率偏移会直接影响电机转速和效率，进而影响系统正常运行或产品质量；频率降低引起异步电机和变压器激磁电流增加，所消耗的无功功率增加，恶化了电力系统的电压水平；对于以供电频率作为时间基准的设备会产生较大的影响；严重频率偏移可导致设备工作异常甚至损坏；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。

(2) 长期电压偏移当超过规定限值的电压偏移持续时间超过1min 时可以定义为长期电压偏移。可分为持续中断、欠电压(电压降低到标称值的80%〜90%)和过电压(电压有效值上升到标称值的II 0%〜1 20%)三种情况。长期电压偏移的产生通常与输、配电系统中的故障、电压调节不当或功率因数补偿不当等因素有关，也与负荷及功率因数变化导致的线路压降变化等因素有关。长时电压偏移过大会对电力系统的正常运行产生不利影响，主要表现在以下几个方面：

各种电力及用电设备均是按照其标称工作电压设计的，长期电压偏移必将会导致设备性能下降、失常甚至损坏。例如：电压降低引起异步电动机的转矩减小、转速降低，电压减小10%；电动机轴

端负荷恒定时，滑差增大约0．6%；若转速不变，则转速转矩下降约20 % ；负荷率为85%的电动

机，电压降低10%〜15%时则可能失去稳定性。电压降低引起照明设备的效率降低，使对电网电压敏感的电子设备不能正常工作；对于有恒定功率需求的设备，欠电压往往会导致电流增加而使铜损增加，损耗与温升增加，效率降低。电压过低还会引起补偿电容器组输出无功减少，严重时可能引起连锁反应而导致全网性的电压崩溃。电压升高损害电气设备的绝缘，使变压器、电动机等以电磁感应为基础的电工设备激磁电流增加甚至工作在饱和状态，致使设备过热甚至烧毁并产生有害的谐波电流；电压过高还会增加电力电子设备、功率电子器件、电容器等的电压应力，严重时导致器件击穿损坏。

(5) 短期电压偏移

这是另一类电压质量问题，只是与长期电压偏移相比，其持续时间相对较短，最长不超过Imin 。它包括三种情况：供电间断、电压凹陷和电压突起。

①供电间断

供电间断是指供电电压或电流降到标称值的 1 0 %以下，持续时间不超过Imin 的电能质量问题。产生供电间断的原因既有可能是由于雷击输电线或配电线、树木倾倒、刮风等原因而造成的电力系统瞬时I 生故障，也有可能是因为设备失效或控制装置的误动作而引起的不正常工作状态，但以前者居多。供电间断的恢复时间因安装的保护装置的性质而异，但一般在30s 以内。由于控制装置误

动作或断线引起的供电间断，持续时间无规律可循，也有可能发展为长期供电中断。

②电压凹陷

电压凹陷是指工频电压降低到标称值的10%〜90%之间，持续时间在0.5个工频周期到Irain

之间的电压质量问题。瞬时性电压故障往往也以电压凹陷开始。大电力负荷的投入、大容量电容器的切除、大电机或多个电机的同时启动都有可能引起邻近负荷的电压凹陷。变电站内某条配电线路的单相接地故障也有可能引起邻近馈电线路的电压凹陷。单相接地故障引起的电压凹陷，持续时间一般在3~U30 个工频周期之间，这主要依赖于断路器的切除时间。大容量电动机启动时，启动电流数倍于电动机的额定电流，产生的后果类似于电力系统故障，电压凹陷的持续时间与电动机启动时间有关，约在数秒以内。

③电压突起

电压突起是指工频电压有效值上升到标称值的II0 %〜1 80%之间，持续时间在0. 5工频周期到Irain 之间的电压质量问题。单相接地故障会引起非故障相的电压突起，另外，大电力负荷的切除或电容器柜的充电也会