电能质量概述讲解Word文件下载.docx
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间谐波往往由较大的电压波动或冲击非线性负荷所引起，所有非线性的波动负荷如电弧炉、
电焊机，各种变频调速装置，同步串级调速装置及感应电动机等均为间谐波源。
间谐波的特点是放大电压闪变和对音频干扰，造成感应电动机振动及异常。
间谐波的危害等同与整数次谐波电压的危害，我国目前没有制定相应的国家标准对间谐波限值进行规定。
7）暂时过电压和瞬时过电压
（1）暂时过电压是指持续时间较长的不衰减和弱衰减的（以工频一定的倍数、分数）振荡的过电压。
（2）瞬态过电压是指持续时间数毫秒或更短，通常带有强阻尼的振荡或非振荡的-•种过电压。
暂时过电压和瞬态过电压是由于电力系统运行操作，或遭受雷击，或发生故障等因素引起的。
8）电压暂降和电压上升
（1）电压暂降是指由于系统故障或干扰造成用户持续时间0.5周波至
lmin内下降到额定电压或电流的10%〜90%。
即幅值为0.Ip.u.〜
0.9p.u.（标么值）时系统频率仍为标称值，然后又恢复到正常水平。
（2）电压上升是指电压的有效值升至额定值的110%以上，典型值为额定
值的110%〜180%称为电压上升，即暂时超过标称值10%以上，系统频率
仍为标称值，持续时间为0.5周波〜lmin,幅值为1.lp.u.〜
1.8p.u.o
二、电压异常
发电机发出的是三相交流正弦电压，某些因素会降低电压的质量，对于三相交流系统表现在以下四个方面：
电压幅值短时或规律的改变；
电压波形偏离正弦形状；
三相电压不对称（三个线电压的幅值和相位发生偏移）；
电压的频率偏离50Hzo
电压不正常表现形式：
1）电压跌落
电压跌落是指电网电压突然降低，茯至达到电压冬值。
电压跌落通常由短路引起，发生短路后除了自身电网及下级电网受到影响外，相邻电网也会受到影响。
短路后自动重合闸装置的动作时间一般为10ms〜2s。
如果用户馈线发生短路，则停电时间会长一些，因为需要检查线路和排除故障。
2）电压不对称
如果在三相电网的某一相或两相间接有大功率的负载，则会出现电压不对称。
电压不对称会使电气设备（例如电动机）的热损耗增加和发生振动。
3）缓慢电压改变
由于负载的缓慢变化引起电压的改变，电力部门通常采用有载调压变压器，自动跟随电压的改变，使输出电压保持为额定值。
低压电网中电压偏
移的程度一般不应超过土10%O
4）快速电压改变
快速电压改变是指电压较小幅值（3%）的突然变化，或者规律性出现
（电焊机），或者不规则出现（电弧炉）。
这种快速的电压改变可以导致照明灯发生闪烁（闪变）。
5）谐波电压
产生谐波的设备主要有电视机、照明装置、变流器和电弧炉等。
谐波使电压波形发生畸变，导致电气设备发生功能错误，使电动机、电容器和电缆增加热损耗。
6）传输过电压
由于线路或设备落雷会产生传输过电压，各种电气设备和开关的开闭操作也会导致传输过电压，其延续时间通常在微秒或毫秒范围。
引起电压异常的原因：
电网
大气影响（例如雷电、风暴、雾霜等）
其它外部影响（例如挖掘机损坏电缆，导致单相接地或断电）。
相邻负载
自身影响用户内部电网短路可导致供电中断，各种电气设备的关合操作也会产生相互干扰。
电压不正常引起的短时影响：
开关或接触器掉电
变流器换相故障
计算机计算错误，数据丢失
线路损耗增加
导线绝缘破坏其至击穿
并联电容器谐振过流
电压不正常引起的长期影响：
设备过热
材料疲劳
设备及绝缘材料过早老化
在电压从额定值降低10%（长期）和30%（短时）的情况下，大多数设备能够正常工作，但某些敏感电气设备（例如工业控制计算机）在电压低于额定值的3%时可能会发生故障。
三、干扰
一个公用电网接有各种各样的负载，由于电网的传输特性，各个设备间的干扰是不可避免的。
发射干扰的设备主要有变流器、电弧炉和电焊机等，尤其是电力电子装置的使用越来越多，对电网产生污染。
四稳态电能和暂态电能问题
电能质量问题可以划分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题。
稳态电能质量问题以波形畸变为主要特征，是电能质量的主要方面，影响范围广，程度深，其主要性能指标是：
电网频率、电压偏差、不平衡度、谐波、电压闪变。
暂态电能质量问题通常是以频谱和持续时间为特征，它属于稳态电能质量问题的延伸，暂态电能质量问题其实质就是暂态电压质量问题，或者电网遭受外来干扰侵袭及内部故障、操作所带来的系统冲击问题，其主要性能指标是：
电压瞬变、电压闪变、电压骤升、骤降及瞬时电压中断。
瞬态：
半个周波（10ms）以内
暂态：
从10ms到lmin
稳态：
lmin以上
电压长时变
类别持续时间电压大小
电压暂时的变化
类别
频谱条件
持续时间
电压大小
脉冲
纳秒
5nsrise
<
50ns
微秒
1usrise
50ns'
lms
亳秒
0.1msrise
>
振荡
低频
5KHZ
0.3、50ms
0~4pu
中频
5~500KHZ
20us
0~8pu
髙频
0.5"
5MHZ
5us
持续中断>
lmin0.Opu
欠电压
lmin
0.8to0.9pu
过电压
1.1to1.2pu
2电能质量监督标准体系
GB12325-2003《电能质量供电电压允许偏差》
GB12326-2000《电能质量电压波动和闪变》
GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》
GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》
GB/T15945-1995《电能质量电力系统频率允许偏差》
GB/T18481-2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》
GB/T19862-2005《电能质量监测设备通用要求》
电综【1998]211号电网电能质量技术监督管理规定
电能源【1998]18号电力系统电压和无功电力管理条例
SD126-1984电力系统谐波管理暂行规定
DL755-2001电力系统安全稳定导则
DL/T1053-2007电能质量技术监督规程
2.1《GB/T15945—95电能质量电力系统频率允许偏差》
一般不得超过土0.2Hz,最大可放宽至土0.5Hz
2.2《GB12325—90电能质量供电电压允许偏差》
1）发电厂和变电站的母线电压允许偏差值
330kV及以上变电站母线电压允许偏差值.330kV及以上变电站母线正常运行方式时，最高运行电压不得超过系统标称电压的+10%：
最低运行电压不应影响电力系统同步稳定、电压稳定、厂用电的正常使用及下-•级电压的调整。
2）发电厂和330kV及以上变电站的中压侧母线电压允许偏差值。
发电厂220kV母线和330kV及以上变电站中压侧母线正常运行方式时，电压允许偏差为系统标称电压的0〜+10%；
非正常运行方式时为系统标称电压的-
5%〜十10%。
3）发电厂和220kV变电站的35kV〜110kV母线电压允许偏差值。
发电厂和220kV变电站的35kV〜llOkV母线正常运行方式时，电压允许偏差为系统标称电压的-3%〜+7%；
非正常运行方式时为系统标称电压的土10%。
4）发电厂带地区供电负荷的和变电站的10（6）kV母线电压允许偏差值。
在正常运行方式时，应使所带线路的全部高压用户和经配电变压器供电的低压用户的电压，均能符合6.1.1中的规定值，一般可按0〜+7%考虑。
2.3《GB/T14549-93电能质量公用电网谐波》
380V系统电压总谐波畸变率小于5.0%,奇次谐波电压含有率小于
4.0%,偶次谐波电压含有率小于2.0%o
2.4《GB/T15543-95电能质量三相电压允许不平衡度》
电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%o短时不得超过
4%o电气设备额定工况的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定。
例如旋转电机按GB755《旋转电机基本技术要求》规定。
2.5《GB12326-2000电能质量电压允许波动和闪变》
1）波动
概念：
波动负荷，运行过程中从供电网中取用快速变动功率的负荷。
例如：
炼钢电弧炉、轧机、电弧焊机等。
电压波动频度r,单位时间内电压变动的次数。
电压变动d,电压变动特性上，相邻两个极值电压之差，d用百分
数表示时，基数是标称电压
表电压变动限值
2）闪变
略
3电压偏羌与频率偏井
电压偏差即为实际供电电压与额定供电电压之间的差值。
引起电压偏差的因素有无功功率不足、无功补偿过量、传输距离过长、电力负荷过重等，其中无功功率不足和无功过剩是造成电压偏差的主要原因。
随着负荷增长和电力市场的开放，电压偏差越来越受到电力部门的重视。
在稳态条件下，各发电机同步运行，整个电力系统的频率可以视为相同。
频率是一个全系统一致的运行参数。
电力系统频率偏差是指电力系统内的实际频率与标称频率之间的偏差。
引起电力系统频率偏差的主要原因是负荷的波动，主要包
括变化周期在10s〜3min的负荷脉动和变化十分缓慢的持续变动分量且带有周期规律的负荷。
频率对电力系统负荷的正常工作有广泛的影响，系统某些负荷以及发电厂厂用电负荷对频率的要求非常严格。
要保证用户和发电厂的正常工作就必须严格控制系统频率，使系统频率偏差控制在允许范围之内。
3.1电力系统电压与频率偏差造成的影响
3.1.1电力系统电压偏差的影响
用电设备是按照额定电压进行设计、制造的。
如照明常用的白炽灯、荧光灯，其发光效率、光通量和使用寿命均与电压有关。
图1中的曲线表示白炽灯和荧光
灯端电压变化时，其光通量、发光效率和寿命的变化。
白炽灯对电压变动很敏感
从图1中可看出，当电压较额定电压降低5%时，白炽灯的光通量减少18%;
当电压降低10%时，光通量减少30%,照度显著降低。
当电压较额定电压升高5%时，白炽灯的寿命减少30%;
当电压升高10%时,寿命减少50%,这将使白炽灯损坏的数量显著增加。
图1照明灯的电压特性
许多家用电器（如洗衣机、电风扇、空调机、电冰箱、抽油烟机等）内的单相异步电动机，电压过低会影响电动机的起动，使转速降低、电流增大，其至造成绕组烧毁的后果；
电压过高，有可能损坏绝缘或由于励磁过大而发生过电流。
3.1.2对电力系统稳定运行的影响
电力系统维持同步运行的能力与电网电压水平有很大的关系，即：
X
式中P:
三相功率
E：
发电机电动势
U:
系统线电压
3:
E、U之间相位角
Xs：
线路总阻抗
式（D称为单机无穷大系统功角特性。
当电力系统结构确定，即＞^已确定的情况下，提高系统电压及发电机电动势（发电机端电压也相应提高）就能
大大提高系统的静态稳定极限。
3.1.3对电网经济运行的影响
输电线路和变压器在输送功率不变的条件下，流过电流大小与运行电压成反比。
电网低电压运行，会使线路和变压器电流增大。
线路和变压器绕组的有功损耗与电流平方成正比，因此低电压运行会使电网有功功率损耗和无功功率损耗大大增加，增大了电力传输的成本。
3.2电力系统频率偏差的危害
3.2.1系统低频率运行对负荷的影响系统频率特性随运行工况的不同和负荷组成比例的变化而不同。
不同的系统有不同的特性，即使同一系统，在不同的季节甚至不同的时段内，特性也有不小的差别。
我国各地多次的系统频率特性试验综合结果为：
在50Hz系统中，频率每变化0.1Hz,负荷功率变化0.02%〜0.06%o
3.2.2电力系统高频率运行的危害
当电力系统运行频率高于额定值，但不超出正常运行允许上限时，短期内对电力系统的安全不会造成威胁，但也和低频率运行一样，对运行设备有一定的累积损伤。
从经济方面考虑，高频率运行既浪费了一次能源又减低了效率。
对生产设备运转速度要求严格的用户来说，高频率运行降低了产品的质量。
当电力系统频率超出正常运行允许上限值时，旋转机组将超速运行，转了上的线圈绑线和原动机转子上的叶片在超出正常转速10%以上就可能从转子上甩出，发电机定子端部也很可能因超速过电压的冲击而受损，电动机转子也会发生类似的损伤。
3.3治理电压与频率偏差超标的对策
3.3.1治理电压偏差超标的对策
电压偏差超标治理的主要对策是采取各种调压手段和方法，在各种不同运行方式下，使用户的电压偏差符合国家标准。
主要包括以下几种电压调整方式。
1）中枢点电压管理
电力系统电压的监视和调整可以通过对中枢点电压的监视和调整来实现。
所谓中枢点，是指电力系统中可以反映系统电压水平的主要发电厂和变电站的母线，
很多负荷都由这些母线供电。
若控制了这些中枢点的电压偏差，也就控制了系统
中大部分负荷的电压偏差。
根据电网运行经验，为了满足中枢点供电电力用户的电压要求，一定电压等级的线路的供电距离和供电容量是有一定范围的。
对于中枢点的电压调整，也可根据电力网的不同性质，大致确定一个中枢点电压的变动范围。
2）发电机调压
发电机不仅是有功电源，而且也是无功电源，有些发电机还能通过进相运行吸收无功功率，所以可用调整发电机端电压的方式进行调压。
现在的同步发电机都装有自动励磁调节设备，其主要功能是自动调整发电机的机端电压、分配无功功率，提高发电机同步运行的稳定性。
按规定，发电机可以在其额定电压的95%〜
105%范围内保持以额定功率运行。
这是一种充分利用发电机设备，不需额外投资的调压手段。
3）变压器调压
电厂主变和厂变一般采用无载调压，备变-•般情况下采用有载调压，分接头数量不定3〜7个之间，主变的分接头通常由上级电网调度管理，厂用变分接头由电厂调度进行管理。
变压器调压需要兼顾高压母线电压和电厂自身的厂用电电压在合格范围内。
变压器调压是充分利用设备本身的调节电压的能力，不需要额外投资，应当充分利用这一优势。
4）改变电网无功功率分布调压
当线路、变压器传输功率时，会产生电压损耗。
因而如果能改变线路、变压器等电网元件上的电压损耗，也就改变了电网各节点的电压大小。
由电压损耗表达式△!
；
二（PR+QX）/U可知，要改变电压损耗有2种办法:
一种是改变网络参数，如串联电容，利用串接的电容、电感上电压相位差180°
的特点，抵消部分电抗；
另一种是改变电网元件中传输的功率。
3.3.2治理频率偏差超标的对策治理电力系统频率偏差超标的主要对策是通过自动或手动方式调整发电机组的调频器，调节电网中的频率达到一个新的平衡点，进而使电网中的频率偏差符合国家标准。
频率调整一般包括一次调整和二次调整。
1）频率的一次调整
发电机组原动机的频率特性和负荷频率特性的交点就是系统的原始运行点，如图2中点0。
图2频率的一次调整
设在点0运行时，负荷突然增加APLO，即负荷的频率特性突然向上移动APLO，则由于负荷突增时发电机组功率不能及吋随之变动，机组将减速，系统频率将下降。
在系统频率下降的同时，发电机组的功率将因它的调速器的一次调整作用而增大，负荷的功率将因它本身的调节效应而减少。
前者沿原动机的频率特性向上增加，后者沿负荷的频率特性向下减少，经过一个衰减的振荡过程，抵达一新的平衡点，即图2中点O'
o
2）频率的二次调整
当负荷变动周期较长、幅度较大时，需要借助二次调整。
频率的二次调整就是手动或自动地操作调频器使发电机组的频率特性平行地上下移动，从而使负荷
变动引起的频率偏移可保持在允许范围内。
频率的二次调整如图3所示。
图3频率的二次调整
在图中，如不进行二次调整，则在负荷增大APLO后，运行点将转移到
o1,即频率将下降为fo‘，功率将增加为p（ro在一次调整的基础上进行二次调整就是在负荷变动引起的频率下降Af'
越出允许范围时，操作调频器，增加发电机组发出的功率，使频率特性向上移动。
设发电机组增加△PGO,则运行点又将从点0’转移到点0"
。
点0"
对应的频率为fo‘，功率为Po〃，即由于进行了二次调整，频率降低由仅有一次调整时的Af'
减少为w，可以供应负荷的功率则由仅有一次调整时的p（r增加为po〃。
显然，由于进行了二次调整，系统的运行质量得到了改善。
4谐波
4.1谐波标准
为了加强我国公用电网谐波的管理，我国公用电网谐波管理的国家标准，1984年原水利电力部颁发了《电力系统谐波管理暂行规定》，编号为SD126
1984。
经过近十年的执行，我国电网在谐波管理上前进了一大步,1993年7月31日由国家技术监督局颁布了关于谐波方面的国家标准，即GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》，并于1994年3月1日实施。
GB/T14549-1993规定了公用电网谐波的允许值、测试方法，适用于
交流
额定频率为50Hz,标准电压为llOkV及以下的公用电网。
标准电压为220kV的公用电网可参照llOkV执行。
该标准不适用于暂态现象和短时间谐波。
GB/T14549-1993规定的公用电网谐波电压（相电压）限值如表1所示。
表
公用连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（均方根值）不应超过表2中规定的允许值。
表2注入公共连接点的谐波电流允许值
当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，表2中的谐波电流
允许值应经过一定的换算。
换算公式为：
其中:
-一公共连接点的各次谐波电流允许限值（A）
IGB—基准短路容量下的公共连接点各次谐波电流允许值（A）
Sr一实际短路容量（MVA）
Sj—基准短路容量（MVA）
4.2谐波产生的原理
电网在正常情况下，电压U随时间t作周期变化，呈正弦规律，函数关系为：
U（t）2Usin（t）
其中，U、、称为电压正谐波的三要素。
这种正弦波形的基波周期函数在进行加、减、微分和积分运算时，其结果仍保持正弦周期函数的特点。
但由于非线性负荷的影响，使正弦波形发生畸变，其形状可用一系列与基波频率整数倍的不同频率的正弦波形叠加而成。
这些为基波频率整数倍的高次频率波，统称为谐波或高次谐波。
非线性负荷及整流性负荷产生谐波的基本原理如下：
1）非线性负荷
交流电网中的谐波主要是由于非线性特性的负载引起的。
正常情况下，
供电电压为纯正弦量，若供电给线性的纯阻性负载R,则
UAsintI（A/R）sint
因此，U、I同样具有正弦波形。
若纯正弦电压供给非线性的纯阻性负荷，即R二f（t）,这样，电阻将随时间在
变化，贝IJ：
If（t）sint
由于g（t）对sint进行了调制，使得电流波形发生了畸变。
如果将非线性负荷的电流波形进行傅立叶分解，可得到一系列的波形与正弦波基波。
（2）整流性负荷
整流性负荷产生谐波的机理，主要基于一系列进行电能交换的装置是由半导体非线性元件组成的。
这些半导体非线性元件可控（或不可控）地轮回导通和关断，尽管由于电感的存在使这一过程并未产生突变，但造成了交流电源电流回路的波形强行发生了变化，使得正弦波形产生畸变。
4.3谐波源
造成系统正弦波形畸变、产生高次谐波的设备和负荷，称为谐波源。
谐波源可以分为电压源和电流源，一切非线性设备和负荷都是谐波源。
谐波源产生的谐波与其非线性特性有关，主要有：
a.铁磁饱和型：
各种
铁心设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性，主要谐波为
3、5、7
次；
b.电子开关型：
主要为各种交直流装置（整流器、逆变器）以及双向晶闸管可控开关设备等，特征谐波与脉动数P有关；
电弧型：
如电炉，其谐波电流具有很大的随机性，主要谐波为2、3、4、5、7次。
在电厂内，如变频调速装置、软起动装置、不间断电源系统、励磁系统、直流充电装置等，其非线性呈现交流波形的开关切合和换向特性。
由于系统施加于负荷的基本电压不变，谐波负荷通过向电力系统取得一定的电流作功，该电流不因系统外界条件和运行方式而改变。
而谐波源固有的非线性伏一安特性决定了电流波形的畸变，使其产生的谐波电流与基波电流具有一定的比例，因此，非线性负荷-•般都是谐波电流源，向系统注入一定的谐波电流。
谐波电流源的谐波内阻抗远大于系统谐波阻抗，故谐波电流源在系统中一般按恒流源对待，谐波源注入电力系统的谐波电流，在系统的阻抗上产生相应的谐波压降，形成系统内部电压，使原有的正弦波形电压产生畸变。
1）发电机的谐波
发电机实际运行时，磁极磁场并非完全按正弦分布，所有感应电势也不完全是正弦波形，含有一定的谐波成分，因此发电机的输出电压本身就含有一定的谐波。
发电机产生的谐波电压的幅值和频率取决于发电机本身的结构和工作状态，它不随外接阻抗而改变，因此可以看成是恒压源。
正常设计的发电机，由于采用了许多消弱谐波电势的措施，其电势的谐波含量是很小的。
2）变压器的谐波
变压器激磁回路实质上是具有铁心线圈的电路，若不计磁滞影响，当铁心未饱和时，电路是线性，电压和电流均为正弦波。
当铁心饱和后，它就是非线性的，饱和程度越深，波形畸变越严重，其产生的谐波电流包含在激磁电流中。
变压器的激
升级会员 