電能質量

綜合補償技術KunmingUniversityofScienceandTechnology

前言電力作為商品擺脫傳統的計劃經濟模式進入市場，以市場運作規則制約供用電雙方，是我國電力市場建設與發展的必然。我國電力市場建設是一項長期復雜的系統工程，涉及電力系統規劃、電力生產、電網運行和負荷管理等諸多方面。電能質量是評估電力系統運行水平的重要技術標準。優良的電能質量應由供電方、電器制造廠商和電力用戶三方共同保證。

自20世紀90年代起，國際相關組織開始將電能質量以及電磁兼容構筑成一個技術體系加以研究。電能質量已經成為電力系統研究領域一個新的學科分枝。電能質量監測與管理已經成為電力市場管理中的一項系統工程。電能質量相關知識已成本專業學生的課堂學習內容。

電力負荷分類(1)普通負荷(CommonLoad)，對電能質量要求不太高,如照明設備、加熱器、通風機、空調機、一般家用電器等。(2)敏感負荷(SensitiveLoad)，電能質量不好可能對此類負荷造成一定的損害,如電動機控制器、UPS、變頻調速裝置等。(3)嚴格負荷(CriticalLoad)，對此類負荷,必須確保供電嚴格符合要求,如信息技術的芯片生產、微電子元件的智能化流水線、醫院、銀行和證券交易中心的計算機等。電能質量的基本要求

優質的供、用電應具有以下特征：(1)供電電壓具有穩定的標稱頻率、幅值和波形；(2)保持三相電壓和電流的平衡，保證電網最大傳輸效率；(3)持續穩定和充足的電能供應；(4)低廉的電價；(5)對環境的不良影響較小。

電能質量的特征

(1)電力系統的電能質量始終處在動態變化之中；(2)電力系統是一個整體，各個局部的電能質量可能相互影響；(3)電能質量擾動會在系統中廣泛傳播，并對其他系統或設備產生實在或潛在危害；(4)在一般情況下，用戶是保證電能質量的主體；(5)對電力系統電能質量綜合評估非常困難；(6)電能質量管理和控制是一項系統工程。電能質量問題研究要點：(1)污染源特性研究對負序、無功、諧波、閃變等污染源的種類、形式、特性研究；(2)電力系統對污染源的響應特性研究在電能質量研究中，這是最為困難的環節；(3)對污染源的實時治理。

保證優質電能的目的

(1)現代用電設備對電能質量的要求更高，許多帶有微處理器和功率電子器件的裝置對電磁干擾極為敏感。(2)非線性設備的諧波污染，致使供電電壓干擾水平加重,對系統安全運行帶來直接的或潛在的危害。(3)電力用戶提高了對諸如供電間斷、電壓凹陷、電路通斷引起的暫態現象的認識，提出更高供電質量要求。(4)電網各部分是相互聯系的，供電部門在保證向用戶優質供電的同時，還需極力避免遭受用戶產生的電力干擾，維護電網安全運行。

建立電能質量管理體系的目的近年來，在經濟發達地區高端產業快速增長的同時，非線性負荷大幅增加。有關資料顯示，發達國家50％以上的負荷通過電力電子裝置供電，致使電網中的電能質量問題日益突出。據美國電力科學院JaneClemmensen的粗略估計，認為每年因電能質量相關問題，造成美國經濟損失達260億美元。發達國家電能質量問題主要是供電電壓暫降，占供電質量投訴量的80%。據英國1995年就電能質量問題對容量超過1MW的100家電力用戶所作調查顯示，在過去的1年中，66％的用戶因電能質量問題導致生產受損。據IBM公司的市場調查，48.5％的計算機數據丟失由電源電壓質量不良引起。信息產業和以計算機、微處理器為核心部件的工業生產，對電網電能質量提出了更高的要求，所以產生了“信息電力”的概念，其要點為電力供應必須著眼于滿足信息社會的要求，而不是僅限于滿足傳統工業社會的要求。因此，有必要建立電能質量監管體系，使其成為保證電網安全運行、保護電氣環境、保障電力用戶正常使用電能的基本技術規范，同時也是實施電能質量管理、維護供用電雙方合法權益的法律依據。自20世紀60年代起，世界大多數國家制定了有關供電頻率和電壓允許變動的技術指標，部分國家還制定了限制諧波電壓、電流畸變以及電壓波動等推薦導則。近十幾年來，許多工業發達國家已制定了更加完備的電能質量系列標準，而且各國的電能質量標準正在與國際相關專業委員會推薦標準接軌，逐步實現標準的統一與完整。

第1節電能質量定義從普遍意義講，電能質量和優質供用電相關。但迄今為止，人們對電能質量的技術含義尚未給出統一的定義，這是人們關注的問題不同以及看問題的角度不同所致，例如：電力部門可能把電能質量定義為電壓與頻率的合格率,并且用統計數字來說明，供電可靠率（RSI）達到99.99%，表明電力系統是安全可靠運行的;發達國家平均供電可靠率（RSI）達到99.999％；中國電力企業聯合會于2003年7月12日宣布：我國平均供電可靠率（RSI）首次超過3個“9”，達到99.907%，這意味著我國城鎮10kV用戶年平均停電降至8小時10分鐘，而10年前，這一數字為95小時45分鐘。但高端制造業，如IC制造廠商，希望供電可靠率達到9個“9”，99.9999999％，即全年只允許2個工頻周波（40ms）的故障時間。電力用戶則把電能質量定義為是否向負荷正常供電；設備制造廠家則可能將電能質量定義為電源質量，要求電源特性完全滿足電氣設備的正常工作需要；另外一些事件，例如供電中斷，究竟應當歸屬于輸配電工程問題還是用戶用電質量問題，供用電雙方意見往往無法一致。

正因如此，人們談到電能質量時,使用的技術名詞也不規范，例如：電力系統質量（electricpowersystemsquality）供電質量（qualityofpowersupply）電壓質量（voltagequality）在1968年發表的一篇關于美國海軍電子設備電源規范研究的論文中,最先使用了“powerquality”（電能質量）這一術語。

IEEE標準化協調委員會已正式采用“powerquality”(電能質量)這一術語，并且給出了相應的技術定義。IEC沒有采用“powerquality”(電能質量)，而是提出使用“EMC”(電磁兼容)術語，其強調設備之間、電源與設備之間的相互作用和影響。在IEC的電磁兼容概念中，采用以下兩個術語：

排放(emission)－表示設備產生的電磁污染，反映的是負荷電流質量問題;

抗擾(immunity)－表示設備抵抗電磁污染的能力，它與供電電壓質量相關。

IEC以此為基礎,制定出了一系列相關的電磁兼容標準。電磁兼容術語與電能質量術語有很大重疊性，它們之間有許多同義詞。國內外關于“電能質量”的幾個定義定義1：IEEE標準化協調委員會給出的電能質量定義:合格電能質量概念指的是，給敏感設備提供的電力和設置的接地系統均能適合于該設備正常工作。定義2：所謂電能質量是指電壓質量、頻率質量及供電可靠性的總稱。定義3：電能質量定義為導致用戶設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差。

第2節電能質量問題分類1穩態電能質量問題

供電電壓偏差；

公用電網諧波；

三相電壓不平衡度；

電力系統頻率偏差；

電壓波動與閃變。2暫態電能質量問題

暫態過電壓和瞬態過電壓。電能質量的實際測量方法和輸出結果

第3節我國已建立的電能質量標準GB12325-1990《供電電壓允許偏差》；GB/T14549-1993《公用電網諧波》；GB/T15543-1995《三相電壓允許不平衡度》；GB/T15945-1995《電力系統頻率允許偏差》；GB12326-2000《電壓波動與閃變》；GB/T18481-2001《暫態過電壓和瞬態過電壓》。

第4節GB/T159451995《中華人民共和國國家標準電能質量電力系統頻率允許偏差》簡介

電力系統頻率偏差：系統頻率的實際值與額定值之差。頻率偏差允許值：電力系統正常頻率偏差允許值為0.2Hz；當系統容量小于3000MW時，偏差值可以放寬到0.5Hz。沖擊負荷引起的系統頻率變動一般不得超過0.2Hz，根據沖擊負荷性質、大小以及系統的條件也可適當調整限值，但應保證電網發電機組和用戶的安全穩定運行。電網頻率實測案例：圖為實測結果，其偏差遠小于0.2Hz，表明我國主網有功功率比較充足。

第5節GB12325—90《中華人民共和國國家標準電能質量供電電壓允許偏差》簡介

交流50Hz電力系統供電電壓偏差定義為實測電壓與額定電壓之差，以額定電壓的百分數表示。供電電壓允許偏差：（1）35kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%；（2）10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%；（3）220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%、-10%。

說明：1電壓偏差按以下公式計算2標準中“供電電壓”指的是：供電部門與用戶的產權分界處的電壓；或由供用電協議所規定的電能計量點的電壓。可以通過以下兩條途徑，來保證供電電壓偏差滿足國家標準要求：（1）電網中傳輸的無功功率盡可能小；（2）負荷端口的系統三相短路容量盡可能地大。

隨著科技進步和新型電力設備尤其是電力電子設備制造技術的發展，使可調并聯無功補償裝置的工程應用成為可能。如：晶閘管投切電容器組(TSC)、晶閘管控制電抗器(TCR)和真空接觸器投切電容器組在各地變電所應用，取得了良好的無功補償效果。需要強調的是，固定并聯電容補償方式有著結構簡單、工程造價低、可靠性高、現場運行經驗成熟及運行維護方便等諸多優點。在一定的運輸條件下是能夠較好地發揮其補償效益的，對固定補償方式采取簡單否定的態度是不可取的。第6節負序電流和三相電壓不平衡

引起發電機轉子附加損耗、發熱，負序磁場產生制動力矩、機械振動；增加電動機定子和轉子的銅損，負序磁場產生制動力矩，正負序磁場產生的脈動轉矩引起電動機振動；降低變壓器負載能力，造成局部過熱，縮短變壓器壽命；造成繼電保護和自動裝置誤動；造成輸電線路損耗的增加。

三相電壓不平衡度用電壓負序分量與正序分量的均方根百分比表示。

電力系統公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%。接于公共接點的每個用戶引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為1.3%，根據連接點的負荷狀況、鄰近發電機繼電保護和自動裝置安全運行要求，可作適當變動。第7節GB/T14549-93《中華人民共和國國家標準電能質量公用電網諧波》簡介

電壓、電流波形畸變并不是一個新課題，在20世紀20年代，德國就已提出靜態整流器引起的波形畸變問題。從20世紀50年代起，由于高壓直流輸電技術的發展，技術人員在晶閘管換流器諧波問題的研究方面作了大量工作。20世紀70年代后，各種功率換流器的普遍應用，引起了人們對電網諧波問題的關注，促進了諧波問題研究的發展。自那時起，各國以及相關專業委員會，如國際電工委員會（IEC），先后制定了包括配電系統、電力設備、用電設備包括家用電器在內的各類諧波標準。

諧波污染對電網及用戶的主要影響造成電網功率損耗增加，線路和設備過熱；引起變電站局部的并聯或串聯諧振，造成電力設備損壞；造成電力變壓器、電力電纜、電動機設備發熱，電容器損壞、絕緣材料老化、延長斷路器滅弧時間；造成繼電保護和自動裝置誤動作；增大磁場干擾，影響電子儀表和通信系統的正常工作，降低通信質量。降低電能計量的準確度。諧波污染引起的電力事故屢見不鮮，例如:1989年3月，加拿大魁北克系統因地磁感應電流過大導致系統主變飽和并產生大量諧波，造成SVC保護動作、系統電壓失穩，最終使魁北克系統崩潰；

1991年意大利阿爾俾斯山區20kV電網，因諧波電流引起18％電壓畸變而最終癱瘓；上世紀80年代初，由于石－太電氣化鐵路開通和葛洲壩－上海500kV直流輸電工程的建設，我國展開大規模諧波問題的研究，至今已取得眾多基礎性成果。諧波國家標準GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》自1994年3月起開始實施。基于IEC61000-3-6技術文件的國家標準化指導性技術文件GB/Z17625.4-2000《電磁兼容限值中、高壓電力系統中畸變負荷發射限值的評估》也于2000年12月頒布。諧波國家標準GB/T14549-93規定的公用電網諧波電壓（相電壓）標準如下表所示。某變電站A相電壓總諧波畸變率A相電壓總諧波畸變率

第8節GB12326-2000《中華人民共和國國家標準電能質量電壓波動與閃變》簡介

電壓波動和閃變作為評價電能質量的一個重要指標，直接反映出電網電壓質量。1986年，國際電工委員會(IEC)根據1982年國際電熱協會(UIE)的推薦，制定了閃變儀的測試功能和設計規范。我國在2000年以前主要參照日本的△V10閃變標準進行測試和評價，以IEC標準為準，新的國標GB12326-2000《電能質量電壓波動與閃變》已于2000年頒布。電壓波動和閃變產生的主要原因沖擊性負荷用電，如電弧爐、軋鋼機、電焊機等；系統發生短路故障；設備投切，如備用電源自動投切、自動重合閘等；系統遭受雷擊。電壓波動和閃變的主要影響電壓波動和閃變大多產生于配電系統，通過配電變壓器傳輸到低壓用戶。電壓波動和閃變主要干擾計算機和控制系統和各種電子儀器設備的正常工作。

電壓波動是指電壓調幅波中相鄰兩個極值（電壓均方根）之差，以額定電壓的百分數表示；電力系統公共連接點由沖擊性負荷產生的電壓波動允許值見表所示。

閃變是指人眼對燈閃的主觀感覺，IEC標準規定低、中壓電網短時（10min）閃變兼容值Pst=1，中、高壓電網的閃變規劃值分別為0.9和0.8。在GB12326-2000《中華人民共和國國家標準電能質量電壓波動與閃變》中，值得注意的有2點：（1）該標準雖然論及電壓波動（電壓變動）和電壓閃變，但其著眼點在于閃變，最終可具操作（指測量程序實現、測量值的統計和評估）的指標也是閃變。所以在工程實踐中，都是以電壓閃變測量來評估電壓的波動。（2）電壓閃變的測量方法（即數據采樣方法）與其他穩態電能質量（如無功、負序、諧波等）的測量方法不同。第9節GB/T18481-2001《中華人民共和國國家標準電能質量暫態過電壓和瞬態過電壓》簡介根據不同負荷對電壓質量的敏感度,負荷分為三類:(1)普通負荷

(CommonLoad)：普通負荷對電能質量要求不太高。(2)敏感負荷

(SensitiveLoad)：如電機控制器、UPS、變頻調速裝置等。(3)嚴格負荷(CriticalLoad)如信息技術的芯片生產、微電子元件的智能化流水線、醫院、銀行和證券交易中心的計算機等。嚴格負荷通常對供電網電能質量提出很高要求，例如：浦東新區上海索廣映像有限公司的等離子電視機顯像管生產線，要求低于85％UN的電壓不得持續10ms；英特爾中國有限公司的芯片封裝廠對電源提出零停電要求，要求低于87％UN的電壓不得持續12ms；華虹NEC芯片生產廠同樣對電源提出零停電要求，并要求低于90％UN的電壓不得持續10ms，該公司在建廠初期向有關電力公司索要完整電網背景電能質量測試資料。