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電能質(zhì)量的相關(guān)介紹
2014-10-13
摘要：介紹了電能質(zhì)量的相關(guān)概念和術(shù)語(yǔ)，并對(duì)其指標(biāo)進(jìn)行了分類，指出不同的指標(biāo)有不同的定義和應(yīng)用領(lǐng)域；重點(diǎn)就國(guó)家已頒布的六個(gè)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容作了分析；并結(jié)合實(shí)際闡述電能質(zhì)量的幾種改善方法與措施；無(wú)源濾波器、有源濾波器、靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置，介紹了它們的基本組成和原理，這些方法可以有效地解決穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓質(zhì)量問(wèn)題；文章還就電能質(zhì)量技術(shù)的改進(jìn)與提高，提出系統(tǒng)化綜合補(bǔ)償技術(shù)是解決電能質(zhì)量問(wèn)題的"治本"途徑，以解決動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。得出結(jié)論：運(yùn)用FACTS和電力新技術(shù)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)地綜合補(bǔ)償，將是電能質(zhì)量問(wèn)題研究與開(kāi)發(fā)的方向和有效解決途徑。
關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量 SVC 動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量 綜合補(bǔ)償
1 電能質(zhì)量概念
電能質(zhì)量包括四個(gè)方面的相關(guān)術(shù)語(yǔ)和概念：電壓質(zhì)量(Voltagequality)即用實(shí)際電壓與額定電壓間的偏差(偏差含電壓幅值，波形和相位的偏差)，反映供電企業(yè)向用戶供給的電力是否合格；電流質(zhì)量(Current quality)即對(duì)用戶取用電流提出恒定頻率、正弦波形要求，并使電流波形與供電電壓同相位，以保證系統(tǒng)以高功率因數(shù)運(yùn)行，這個(gè)定義有助于 電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善，并降低網(wǎng)損；供電質(zhì)量 (qualityofsupply)包含技術(shù)含義和非技術(shù)含義兩個(gè)方面：技術(shù)含義有電壓質(zhì)量和供電可靠性；非技術(shù)含義是指服務(wù)質(zhì)量(qualityofservice)包括供電企 業(yè)對(duì)用戶投訴的反應(yīng)速度和電力價(jià)格等；用電質(zhì)量(qualityofconsumption)包括電流質(zhì)量和非技術(shù)含義，如用戶是否按時(shí)、如數(shù)繳納電費(fèi)等，它反映供用雙方相互作用與影響用電方的責(zé)任和義務(wù)。
一般地，電能質(zhì)量的定義：導(dǎo)致用戶設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差。這個(gè)定義簡(jiǎn)單明晰，概括了電能質(zhì)量問(wèn)題的成因和后果。隨著基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備與電子裝置的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，即變頻裝置、電弧爐煉鋼、電氣化鐵道等非線性、沖擊性負(fù)荷造成對(duì)電能質(zhì)量的污染與破壞，而電能作為商品，人們會(huì)對(duì)電能質(zhì)量提出更高的要求，電能質(zhì)量已逐漸成為全社會(huì)共同關(guān)注的問(wèn)題，有關(guān)電能質(zhì)量的問(wèn)題已經(jīng)成為電工領(lǐng)域的前沿性課題，有必要對(duì)其相關(guān)指標(biāo)與改善措施作討論和分析。
2 電能質(zhì)量指標(biāo)
電能質(zhì)量指標(biāo)是電能質(zhì)量各個(gè)方面的具體描述，不同的指標(biāo)有不同的定義，參考IEC標(biāo)準(zhǔn)、從電磁現(xiàn)象及相互作用和影響角度考慮給出的引起干擾的基本現(xiàn)象分類如下：
(1)低頻傳導(dǎo)現(xiàn)象：諧波、間諧波、電壓波動(dòng)、電壓與電流不平衡，電壓暫降與短時(shí)斷電，電網(wǎng)頻率變化，低頻感應(yīng)電壓，交流網(wǎng)絡(luò)中的直流；
(2)低頻輻射現(xiàn)象：磁場(chǎng)、電場(chǎng)；
(3)高頻傳導(dǎo)現(xiàn)象：感應(yīng)連續(xù)波電壓與電流，單向瞬態(tài)、振蕩瞬態(tài)；
(4)高頻輻射現(xiàn)象：磁場(chǎng)、電場(chǎng)、電磁場(chǎng)(連續(xù)波、瞬態(tài))；
(5)靜電放電現(xiàn)象。
對(duì)于以上電力系統(tǒng)中的電磁現(xiàn)象，穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象可以利用幅值、頻率、頻譜、調(diào)制、缺口深度和面積來(lái)描述，非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象可利用上升率、幅值、相位移、持續(xù)時(shí)間、頻譜、頻率、發(fā)生率、能量強(qiáng)度等描述。
保障電能質(zhì)量既是電力企業(yè)的責(zé)任，供電企業(yè)應(yīng)保證供給用戶的供電質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)也是用戶(擁有干擾性負(fù)荷)應(yīng)盡的義務(wù)，即用戶用電不得危害供電；安全用電；對(duì)各種電能質(zhì)量問(wèn)題應(yīng)采取有效的措施加以抑制。
電能質(zhì)量指標(biāo)國(guó)內(nèi)外大多取95％概率值作為衡量依據(jù)，并需指明監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這些指標(biāo)特點(diǎn)也對(duì)用電設(shè)備性能提出了相應(yīng)的要求。即電氣設(shè)備不僅應(yīng)能在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值之內(nèi)正常運(yùn)行，而且應(yīng)具備承受短時(shí)超標(biāo)運(yùn)行的能力。
3 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
綜合新頒布的電磁兼容國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)達(dá)國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，中低壓電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分5大類13個(gè)指標(biāo)。
(1)頻率偏差：包括在互聯(lián)電網(wǎng)和孤立電網(wǎng)中的兩種；
(2)電壓幅值：慢速電壓變化(即電壓偏差)；快速電壓變化(電壓波動(dòng)和閃變)；電壓暫降(是由于系統(tǒng)故障或干擾造成用戶電壓短時(shí)間(10ms～lmin)內(nèi)下降到90％的額定值以下，然后又恢復(fù)到正常水平，會(huì)使用戶的次品率增大或生產(chǎn)停頓)；短時(shí)斷電(又稱電壓中斷，是由于系統(tǒng)故障跳閘后造成用戶電壓完全喪失(3min，電壓中斷使用戶生產(chǎn)停頓，甚至混亂)；長(zhǎng)時(shí)斷電；暫時(shí)工頻過(guò)電壓；瞬態(tài)過(guò)電壓；
(3)電壓不平衡；
(4)電壓波形：諧波電壓；間諧波電壓；(由較大的波動(dòng)或沖擊性非線性負(fù)荷引起，如大功率的交一交變頻，間諧波的頻率不是工頻的整數(shù)倍，但其危害等同于整數(shù)次諧波)。
(5)信號(hào)電壓(在電力傳輸線上的高頻信號(hào)，用于通信和控制)
我國(guó)迄今為止已頒布了6項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的國(guó)標(biāo)，概述如下：
3．1 電壓允許偏差
用電設(shè)備的運(yùn)行指標(biāo)和額定壽命是對(duì)其額定電壓而言的。當(dāng)其端子上出現(xiàn)電壓偏差時(shí)，其運(yùn)行參數(shù)和壽命將受到影響，影響程度視偏差的大小、持續(xù)的時(shí)間和設(shè)備狀況而異，電壓偏差計(jì)算式如下：
電壓偏差(％)＝(實(shí)際電壓一額定電壓)／額定電壓X100％ (1)
《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》(GBl2325-1990)規(guī)定電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，用戶受電端供電電壓的允許偏差為：
(1)35kY及以上供電和對(duì)電壓質(zhì)量有特殊要求的用戶為額定電壓的正負(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過(guò)10％；
(2)10kV及以下高壓供電和低壓三相用戶為額定電壓的+7％～-7％；
(3)220V低壓?jiǎn)蜗嘤脩魹轭~定電壓的+7％～-10％。
衡量點(diǎn)為供用電產(chǎn)權(quán)分界處或電能計(jì)量點(diǎn)。
為了保證用電設(shè)備的正常運(yùn)行，在綜合考慮了設(shè)備制造和電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)合理性后，對(duì)各類用戶設(shè)備規(guī)定了如上的允許偏差值，此值為工業(yè)企業(yè)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
在工業(yè)企業(yè)中，改善電壓偏差的主要措施有三：
(1)就地進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，及時(shí)調(diào)整補(bǔ)償量，無(wú)功負(fù)荷的變化在電網(wǎng)各級(jí)系統(tǒng)中均產(chǎn)生電壓偏差，它是產(chǎn)生電壓偏差的源，因此，就地進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，及時(shí)調(diào)整補(bǔ)償量，從源上解決問(wèn)題，是最有效的措施。
(2)調(diào)整同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流。在銘牌規(guī)定值的范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，使其超前或滯后運(yùn)行，就能產(chǎn)生超前或滯后的無(wú)功功率，從而達(dá)到改善網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的功率因數(shù)和調(diào)整電壓偏差的目的。
(3)采用有載調(diào)壓變壓器。從總體上考慮無(wú)功負(fù)荷只宜補(bǔ)償?shù)焦β室驍?shù)為0．90～0．95，仍然有一部分變化無(wú)功負(fù)荷要電網(wǎng)供給而產(chǎn)生電壓偏差，這就需要分區(qū)采用一些有效的辦法來(lái)解決，采用有載調(diào)壓變壓器就是有效而經(jīng)濟(jì)的辦法之一。
3．2 公用電網(wǎng)諧波
諧波(Harmonic)即對(duì)周期性的變流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，得到頻率為大于1的整數(shù)倍基波頻率的分量，它是由電網(wǎng)中非線性負(fù)荷而產(chǎn)生的。
《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(GB／T14529-1993)中規(guī)定了各電壓等級(jí)的總諧波畸變率，各單次奇次電壓含有率和各單次偶次電壓含有率的限制值。
該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的諧波電流(2～25次)注入的允許值；而且同一公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值按此用戶在該點(diǎn)的協(xié)議容量與其公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量之比進(jìn)行分配，以體現(xiàn)供配電的公正性。
3．3 電壓波動(dòng)和閃變
電壓波動(dòng)(Fluctuation)即電壓方均根值一系列的變動(dòng)或連續(xù)的改變；閃變(Flick)即燈光照度不穩(wěn)定造成的視感，是由波動(dòng)負(fù)荷，如電弧爐、軋機(jī)、電弧焊機(jī)等引起的。
《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變))(GBl2326-2000)是在原來(lái)標(biāo)準(zhǔn)GBl2326-1990的基礎(chǔ)上，參考了IEC電磁兼容(EMC)標(biāo)準(zhǔn)IECTl00-3-7等修訂而成的，適用于由波動(dòng)負(fù)荷引起的公共連接點(diǎn)電壓的快速變動(dòng)及由此可能人對(duì)燈閃明顯感覺(jué)的場(chǎng)合，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各級(jí)電壓下的閃變限制值。
3．4 三相電壓不平衡
《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》(GB／T15543-1995)適用于交流額定頻率為50Hz電力系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下由于負(fù)序分量而引起的PCC連接點(diǎn)的電壓不平衡，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常運(yùn)行方式下不平衡度允許值為2％，短時(shí)不得超過(guò)4％，每個(gè)用戶不得超過(guò)1．3％。而且該標(biāo)準(zhǔn)還解釋：不平衡度允許值指的是在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的最小方式下負(fù)荷所引起的電壓不平衡度為最大的生產(chǎn)(運(yùn)行)周期中的實(shí)測(cè)值，例如煉鋼電弧爐應(yīng)在熔化期測(cè)量等。在確定三相電壓允許不平衡指標(biāo)時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用95％概率值作為衡量值。即正常運(yùn)行方式下不平衡度允許值，對(duì)于波動(dòng)性較小的場(chǎng)合，應(yīng)和實(shí)際測(cè)量的五次接近數(shù)值的算術(shù)平均值對(duì)比；對(duì)于波動(dòng)性較大的場(chǎng)合，應(yīng)和實(shí)際測(cè)量的95％的概率值對(duì)比；以判斷是否合格。其短時(shí)允許值是指任何時(shí)刻均不能超過(guò)的限制值，以保證保護(hù)和自動(dòng)裝置的正確動(dòng)作。
3．5 電網(wǎng)頻率
《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》(GB／T15945-1995)中規(guī)定：電力系統(tǒng)頻率偏差允許值為o．2Hz，當(dāng)系統(tǒng)容量較大時(shí)，偏差值可放寬到+0．5Hz～-0．5Hz，標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有說(shuō)明系統(tǒng)容量大小的界限，而在《全國(guó)供用電規(guī)則》中有規(guī)定："供電局供電頻率的允許偏差：電網(wǎng)容量在3GW及以下者為0．2Hz；電網(wǎng)容量在3GW以上者為0．5Hz"。實(shí)際運(yùn)行
中，我國(guó)務(wù)跨省電力系統(tǒng)頻率都保持在+0．1Hz～-0．1Hz的范圍內(nèi)，這點(diǎn)在電網(wǎng)質(zhì)量中最有保障。
3．6 暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓
由于開(kāi)關(guān)操作或雷擊等原因引起，暫時(shí)過(guò)電壓與瞬態(tài)過(guò)電壓是直接危及電力設(shè)備安全運(yùn)行的重要原因之一，以往只是對(duì)電器設(shè)備的耐壓水平進(jìn)行考核，而對(duì)電網(wǎng)中實(shí)際產(chǎn)生的過(guò)電壓水平則無(wú)限制。電網(wǎng)的過(guò)電壓水平也是電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。
《電能質(zhì)量暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓》GB／T18481-2001標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)GB311．1，按過(guò)電壓的波形特點(diǎn)分為兩大類，因?yàn)槭沁^(guò)電壓波形，幅值和持續(xù)時(shí)間決定了對(duì)設(shè)備絕緣和保護(hù)裝置的影響.
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