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電能質量分析與控制 目錄 電能質量概述 傳統(tǒng)電能質量分析與改善措施 電壓波動與閃變 第一章 電能質量概論 電能既是一種經濟實用、清潔方便且容易傳輸、控制和轉換的能源形式，又是一種由電力部門向電力用戶提供，并由供、用雙方共同保證質量的特殊產品。 第一節(jié) 概述 人們首先把電力系統(tǒng)運行中電壓和頻率偏離標稱值的多少作為檢驗電能質量的主要指標。 如何深入理解現代電能質量問題，如何把提高電能質量與增強競爭意識、電力市場占有率聯系起來，如何從技術、經濟和運行管理等方面加大力度，保證優(yōu)質供電，以最小程度減少對現代工業(yè)企業(yè)和重要電力用戶的影響，既是電力用戶需求和電力系統(tǒng)運行給我們提出的新任務，也是信息時代給我們提出的新挑戰(zhàn)。 一、供電系統(tǒng)運行與電能質量的關系 1.電能質量的基本要求 為保證電能安全經濟地輸送、分配和使用，理想供電系統(tǒng)的運行應具有如下基本特性： （1）以單一恒定的電網標稱頻率（50Hz或60Hz，我國采用50Hz）、規(guī)定的若干電壓等級（如配電系統(tǒng)一般為110kV， 35kV， 10kV，380V/220V）和以正弦函數波形變化的交流電向用戶供電，并且這些運行參數不受用電負荷特性的影響。 （2）始終保持三相交流電壓和負荷電流的平衡。用電設備汲取電能應當保證最大傳輸效率，即達到單位功率因數，同時各用電負荷之間互不干擾。 （3）電能的供應充足，即向電力用戶的供電不中斷，始終保證電氣設備的正常工作與運轉，并且每時每刻系統(tǒng)中的功率供需都是平衡的。 一、供電系統(tǒng)運行與電能質量的關系 上述理想供電系統(tǒng)的基本特性構成了供電運行對電能質量的基本要求，如果將其概括描述可如圖1-1所示。 上圖中三個基本集合的交集之內確定了合格電能質量的指標要求，是我們將要闡述的供電系統(tǒng)電能質量的三個基本要素。圖1-1示意性地表明，這三項質量指標相互間存在著緊密的依存和制約關系。 一、供電系統(tǒng)運行與電能質量的關系 2.電能質量的特征 電能，或稱之為電產品，除了具有其他工業(yè)產品的基本特征之外，由于其產品形式單一，而且其生產、輸送與消耗的全過程獨具特色，因此在引起電能質量問題的原因上、在劣質電能的影響與評價等方面與一般產品的質量問題不同，具有以下顯著特點： 一、供電系統(tǒng)運行與電能質量的關系 （1）電力系統(tǒng)的電能質量始終處在動態(tài)變化中。 （2）電力系統(tǒng)是一個整體，其電能質量狀況相互影響。電能不易儲存，其生產、輸送、分配和轉換直至消耗幾乎是同時進行的。 （3）電能質量擾動具有潛在危害性與廣泛傳播性。 （4）有些情況下用戶是保證電能質量的主體部分。 （5）對電力系統(tǒng)的電能質量指標進行綜合評估非常困難。 （6）控制和管理電力系統(tǒng)電能質量是一項系統(tǒng)工程。 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 隨著時代進步與科技的飛速發(fā)展，現代電網與負荷構成出現了新的變化趨勢，由此帶來的電能質量問題越來越引起電力部門和電力用戶的高度重視。電網與負荷構成出現的變化趨勢主要表現在： 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 （1）電力系統(tǒng)擴張與聯網逐漸形成，系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性和可靠性要求不斷提高。 （2）在保證電力系統(tǒng)一定的自然壟斷特性的條件下，引進競爭機制，實施電力市場化營運，強化環(huán)境保護意識與提高信息管理水平已經勢在必行。 （3）當代電力系統(tǒng)與計算機技術和通信技術的結合更加緊密，采用高新技術（如TCSC、FACTS、HVDC、Cus-Pow）以提高電力傳輸能力 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 和實現配電自動化的趨勢方興未艾。 （4）電力用戶為滿足其對產品的個性化、多樣性生產的需求，從最大經濟利益出發(fā)，在大功率沖擊性、非線性負荷容量迅速增長的同時，更大規(guī)模地采用科技含量高的器件、設備與技術。 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 負荷敏感度：是指負荷對電能質量問題的敏感程度，即提供給負荷的電能質量不良時負荷能承受干擾仍正常工作的能力。 一般可將負荷分為三類：普通負荷（Common Load）、敏感負荷（Sensitive Load）和重要（要求嚴格的）負荷（Critical Load）。 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 電力系統(tǒng)的各個部分都是相互聯系的，使用電雙方的相互影響越來越緊密。因此，綜合協調處理電能質量問題至關重要。另外需要注意到，由于看問題的角度不同，在導致電能質量下降的原因與責任上，供用電雙方往往存在很大的分歧。 美國喬治動力公司曾組織和實施了一項對電力部門和電力用戶關于電能質量問題起因的調查，其結果如圖1-2所示。據分析，雖然對電力市場的質量調查還存在分類方法上的不同，但是調查報告清楚地表明，電力公司和電力用戶對引發(fā)電能質量問題的原因的看法往往有很大的分歧，盡管雙方都把2/3的事件起因歸咎于自然因素（如雷電等），但用戶仍然認為電力部門在這方面的責任要比自我測評結果大得多。 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 二、當代電力系統(tǒng)對電能質量的要求 綜上所述，現代電力系統(tǒng)結構與負荷構成的變化是工業(yè)生產不斷發(fā)展的必然結果，有利于電力用戶提高生產率和獲得更大的經濟效益；同時通過采用高效的電力負荷設備，大量節(jié)約電能和延緩用電的需求，從而節(jié)省電力建設所需的大量投資。 三、改善電能質量的意義 電能作為人們廣泛使用的能源，其應用程度是一個國家發(fā)展水平和綜合國力的主要標志之一。時至今日，電力工業(yè)面向市場經濟，引進競爭機制，以求最小成本與最大效益，電能質量的優(yōu)劣已經成為電力系統(tǒng)運行與管理水平高低的重要標志，控制和改善電能質量也是保證電力系統(tǒng)自身可持續(xù)發(fā)展的必要條件。 第二節(jié) 電能質量概念、定義及分類 電能質量術語:國際電氣電子工程室?guī)焻f會（IEEE）標準化協調委員會已正式通過采用“Power Quality”（電能質量）術語的決定。我國國家標準中已正式更名采用國際通用的英文名稱。 一 基本概念與定義 電能質量： 從普遍意義上講，電能質量是指優(yōu)質供電。 電力部門可能把電能質量定義為電壓、頻率的合格率以及連續(xù)供電的年小時數，并且用統(tǒng)計數字來說明電力系統(tǒng)是安全可靠運行的。 電力用戶則可能把電能質量簡單定義為是否向設備提供了電力。 一 基本概念與定義 從工程實用角度出發(fā)，將電能質量概念進一步具體分解并給出解釋。 電壓質量。 給出實際電壓與理想電壓間的偏差，以反映供電部門向用戶分配的電力是否合格。電壓質量通常包括電壓偏差、電壓頻率偏差、電壓不平衡、電壓瞬變現象、電壓波動與閃變、電壓暫降（暫升）與中斷、電壓諧波、電壓陷波、欠電壓、過電壓等。 一 基本概念與定義 電流質量。 電流質量與電壓質量密切相關。電流質量包括電流諧波、間諧波或次諧波、電流相位超前或滯后、噪聲等。 供電質量。 它包括技術含義（電壓質量和供電可靠性）和非技術含義（供電部門對用戶投訴與抱怨的反應速度和電力價目的透明度等）兩部分。 用電質量 。 它包括電流質量和非技術含義等，如用戶是否按時，如數繳納電費等。 二 電能質量的分類 1.電能質量的基本分類 對于電能質量現象可以根據不同基礎來分類。以下介紹了近幾年國際上在電能質量現象分類和特性描述等方面取得的研究成果。其中，在國際電工界有影響的IEC以電磁現象及互干擾的途徑和頻率特性為基礎，引出了廣義的電磁擾動的基本想象分類，如表1-1所示。 二 電能質量的分類 表1-2給出了IEEE制定的電力系統(tǒng)電磁現象的特性參數及分類。它為我們提供了一個清晰描述電能質量及電磁干擾現象的實用工具。 2.變化型和事件型分類 按照電能質量擾動現象的兩個重要表現特征——變化的連續(xù)性和事件的突發(fā)性為基礎分成兩類。 連續(xù)型 （連續(xù)出現） 事件型 （突然發(fā)生） 圖1-3、圖1-4所示為供電電壓幅值的概率密度函數曲線和概率分布函數曲線。 第三節(jié) 電能質量現象描述 本節(jié)中我們重點對表1-2中的七類現象作進一步描述，以便讀者對電能質量涵蓋的內容有一個整體的了解。 一、瞬變現象 關于瞬變現象，IEEEStd100-1992《電氣與電子標準術語詞典》有一個含義更寬、描述更簡單的定義：變量的部分變化，且從一種穩(wěn)態(tài)狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過程中該變化逐漸消失的現象。 瞬變現象的兩種普遍類型——沖擊和振蕩 1.沖擊性瞬變現象 沖擊性瞬變是一種在穩(wěn)態(tài)條件下，電壓、電流非工頻的、單極性的突然變化現象。 最常見引發(fā)其的原因 是雷電。如圖1-5 示。 2. 振蕩瞬變現象 振蕩瞬變是一種在穩(wěn)態(tài)條件下，電壓、電流的非工頻、有正負極性的突然變化現象。常用頻譜成分、持續(xù)時間、和幅值大小來描述其特性。其頻譜分為高、中、低頻，如表1-2所示。 高頻振蕩現象 中頻振蕩現象 低頻振蕩現象 圖1-6為背靠背電容器增能引起的幾千赫電流振蕩波形。 低頻振蕩現象出現在輔助輸配電系統(tǒng)，最常見的是電容器組沖能。電壓振蕩頻率為300~900赫，峰值可達到2.0p.u.。一般其典型值為1.3~1.5p.u.，持續(xù)時間在0.5~3周波，具體情況要根據系統(tǒng)的阻尼程度來確定（參見圖1-7）。 主頻低于300赫的振蕩在配電系統(tǒng)中也時有發(fā)生，通常是由鐵磁諧振和變壓器增能引起的，如圖1-8所示。 二、 短時間電壓變動 包括電壓暫降和短時間電壓中斷現象。 造成電壓變動的主要原因是系統(tǒng)故障、大容量負荷啟動或電網松散連接的間歇性負荷運作。根據所在系統(tǒng)條件和故障位置的不同，可能引起暫時過電壓或電壓跌落，甚至使電壓完全損失。 二、 短時間電壓變動 1.電壓中斷 當電壓降到0.1p.u.以下，且持續(xù)時間不超過1min時，則認為出現了電壓中斷現象。造成電壓中斷的現象。造成電壓中斷的原因可能是可能是系統(tǒng)故障、用電設備故障或控制失靈等。 電壓中斷往往是以其幅值總是低于額定值百分數的持續(xù)時間來量度的。 對于有些由于系統(tǒng)故障造成的電壓中斷，在其出現之前，既在故障發(fā)生至保護動作期間，可能先出現電壓暫降，之后進入短期中斷，如圖1-9（a）所示。 2.電壓暫降 “暫降”是指工頻條件均發(fā)根值減小到0.1~0.9p.u.之間、持續(xù)時間為0.5周波至1min的短時間電壓變動現象。 暫降和驟降可以互相替換 圖1-10為發(fā)生短路故障引起的單相電壓暫降的變化波形。 圖1-11為大型電機啟動對電壓的影響。 在啟動期間，感應電機將汲取6-10倍的額定電流。 3.電壓暫升 “暫升”的含義是指在工頻條件下，電壓均方根值上升到1.1～1.8p.u.之間、持續(xù)時間為0.5周波到1min的電壓變動現象。例如，當單相對地發(fā)生故障，非故障相的電壓可能會短時上升。圖1－12給出可該情況下引起的電壓暫升的波形。 三 長時間電壓變動 長時間電壓變動是指，在工頻條件下電壓均方根值偏離額定值，并且持續(xù)時間超過1min的電壓變動現象。 長時間電壓變動可能時過電壓也可能欠電壓。 過電壓 欠電壓 持續(xù)中斷 四 電壓不平衡 電壓不平衡，時常定義為與三相電壓（或電流）的平均值的最大偏差，并且用該偏差與平均值的百分比表示。電壓不平衡也可利用對稱分量法來定義，即用幅負序或零序分量與正序分量的百分比加以衡量。圖1－13給出了采用上述兩種比值表示的某一民用潰電網一周內電壓不平衡趨勢。 五 波形畸變 波形畸變，是指電壓或電流波形偏離穩(wěn)態(tài)工頻正弦波形的現象，可以用偏移頻譜描述其特征。波形畸變有五種主要類型，即直流偏置、諧波、間諧波、陷波、噪聲。 諧波畸變水平的描述方法，通常用具有各次諧波分量幅值和和相位角的頻譜表示。圖1－14給出了典型變速驅動輸入電流波形和頻譜圖。 圖1－15給出了連續(xù)直流式三相換流器的電壓陷波例子。 六 電壓波動 電壓波動是指電壓包絡線有規(guī)則的變化或一系列隨機電壓變動。通常，其幅值并未超過ANSI C84.1－1995《電力系統(tǒng)與設備電壓等級》規(guī)定的0.9－1.1p.u.范圍。IEC1000－3－3－1994《低壓供電系統(tǒng)電壓波形和閃變限值（額定電流<16A的設備）》則定義了多種類型的電壓波動。 六 電壓波動 由電壓波動產生閃變現象的例子示于圖1－16。 七 工頻變化 把電力系統(tǒng)基波頻率偏離規(guī)定正常值的現象定義為頻率變化。工頻頻率的值與向系統(tǒng)供應電能的發(fā)電機的轉子速度直接相關。 現代互聯電力系統(tǒng)極少出現頻率大的波動。 有時人們會把陷波和頻率偏差弄錯。 第四節(jié) 電能質量標準簡介 從20世紀80年代初到2001年，國家技術監(jiān)督局先后組織制定并頒布了六項電能質量國家標準。如表1－3所示： 第三章 傳統(tǒng)電能質量分析與改善措施 20世紀70年代以前，電力系統(tǒng)中使用電子計算 機進行控制的設備和電子裝置的數量不多，非 線性負荷和沖擊性負荷占系統(tǒng)總負荷的比例很 小，電力工作者關心的電能質量問題主要局限 在電壓、頻率和連續(xù)供電方面。因此，電壓偏 差、頻率偏差、電壓三相不平衡和供電可靠性 構成了傳統(tǒng)電能質量的主要內容。 第一節(jié) 概 述 電力系統(tǒng)中的電氣設備是按額定電壓和額定頻 率設計、制造的。在額定電壓和額定頻率下運 行時，電氣設備的運行性能最優(yōu)、效率最高。 反之，電氣設備的運行性能會減弱，效率下 降，嚴重時可能使設備無法正常工作，甚至導 致設備絕緣損壞、燒毀或爆炸等，從而間接或 直接危害設備、人身及系統(tǒng)的安全。 第一節(jié) 概 述 由此可見，系統(tǒng)電壓質量、頻率質量以及供電 可靠性的好壞對電氣設備的安全運行與使用壽 命有著重要的影響，同時也直接關系到電力系 統(tǒng)自身的安全穩(wěn)定和經濟運行。保證系統(tǒng)頻率 和各點電壓偏差在允許的范圍之內，保證電壓 三相平衡以及提高系統(tǒng)的供電可靠性是電力 系統(tǒng)運行的調整的基本任務。 第一節(jié) 概 述 本章主要介紹了電壓偏差、頻率偏差、電壓三 相不平衡和供電可靠性的概念、產生的原因、 相關的國家標準以及改善這些電能質量指標的常規(guī)方法。 第二節(jié) 供 電 電 壓 偏 差 電壓是電能質量的重要指標之一，其中電壓偏 差是衡量供電系統(tǒng)正常運行與否的一項主要指 標。 一、電壓偏差的定義 供電系統(tǒng)在正常運行方式下，某一節(jié)點的實際電壓與系統(tǒng)標稱電壓(通常，電力系統(tǒng)的額定電壓采用標稱電壓去描述，對電氣設備則采用額定電壓的術語)之差對系統(tǒng)標稱電壓的百分數稱為該節(jié)點的電壓偏差。其數學表達式為 (3-1) 式中 ——電壓偏差； ——實際電壓，kV； ——系統(tǒng)標稱電壓，kV。 一、電壓偏差的定義 供電電壓正常運行方式是指系統(tǒng)中所有電氣元 件均按預定工況運行。供電系統(tǒng)在正常運行 時，負荷時刻發(fā)生著變化，系統(tǒng)的運行方式也 經常改變，系統(tǒng)中各節(jié)點的電壓隨之發(fā)生改 變，會偏離系統(tǒng)電壓額定值。電壓的這種變化 是緩慢的，其每秒電壓變化率小于額定電壓的 1%。 一、電壓偏差的定義 由第一章可知，電壓的均方根值偏離額定值的現象稱為電壓變動，所以電壓偏差屬于電壓變動的范疇。與同屬電壓變動范疇的過電壓和欠電壓相比，電壓偏差僅僅針對電力系統(tǒng)正常運行狀態(tài)而言。過電壓和欠電壓既可能出現在電力系統(tǒng)正常運行方式，也可能出現在電力系統(tǒng)非正常運行方式，如故障狀態(tài)等。電力系統(tǒng)不大于標稱電壓的10%。系統(tǒng)在非正常運行方式下，由于故障所引發(fā)的系統(tǒng)電壓變動與故障點距離的遠近有很大關系。 一、電壓偏差的定義 此時，系統(tǒng)實際電壓可能嚴重偏離標稱值，也可能偏離標稱值的幅度并不大。距離越近，電壓低于標稱值越多。反之，距離越遠，電壓低于標稱值越少。此時，電壓偏差強調的是實際電壓偏離系統(tǒng)標稱電壓的數值，與偏差持續(xù)的時間無關。而過電壓和欠電壓強調實際電壓嚴重偏離標稱電壓，分別為高于標稱電壓的110%和維持在標稱電壓的10%~90%，并且持續(xù)時間超過1min。 二、電壓偏差的限值 一般而言，35kV以上供電電壓無直接用電設備，用電設備大多通過降壓變壓器接入供電系統(tǒng)，合理選擇降壓變壓器的分接頭位置可以起到一定的調壓作用。因此，目前我國對35kV及以下供電電壓規(guī)定了允許電壓偏差，具體情況如下： (1)35kV及以上供電電壓的正、負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%。如供電電壓上下偏差同號時(均為正或負)，按較大的偏差絕對值作為衡量依據。 (2)10kV及以下三相供電電壓允許偏差為標稱電壓的-7%、 +7% 。 (3)220V單相供電電壓允許偏差為標稱電壓的+7%、-10%。 二、電壓偏差的限值 我國的國家標準GB12325—1990《電能質量 供 電電壓允許偏差》對電壓偏差做出了詳盡規(guī) 定。 三、電壓偏差產生的原因 電力系統(tǒng)中的負荷以及發(fā)電機組的出力隨時發(fā) 生變化，網絡結構隨著運行方式的改變而改 變，系統(tǒng)故障等因素都將引起電力系統(tǒng)功率的 不平衡。系統(tǒng)無功功率不平衡是引起系統(tǒng)電壓 偏離標稱值的根本原因。 三、電壓偏差產生的原因 電力系統(tǒng)的無功功率平衡是指：在系統(tǒng)運行中的任何時刻，無功電源供給的無功功率與系統(tǒng)需求的無功功率相等。 系統(tǒng)無功功率不平衡意味著將有大量的無功功率流經供電線路和變壓器，由于線路和變壓器中存在阻抗，造成線路和變壓器首末端電壓出現差值。以供電線路為例來說明無功功率與電壓損失的關系。圖3-1(a)是當不計線路分布電容影響時一條供電線路的等值電路。 三、電壓偏差產生的原因 三、電壓偏差產生的原因 設 ，負載的復功率為 (3-2) 所以 (3-3) 三、電壓偏差產生的原因 線路首末端電壓的相量差，即線路的電壓降 為 (3-4) 將公式(3-3)代入式(3-4)，得 (3-5) 記為 (3-6) 三、電壓偏差產生的原因 其中， 和 分別是電壓降 的縱分量和橫分量。其表達式分別為 (3-7) (3-8) 規(guī)定電壓損失為線路首末端電壓的均方根值之差 ，即電壓損失為 (3-9) 三、電壓偏差產生的原因 一般，線路兩端電壓的相差角 較小，電壓降橫分量對電壓損失的影響可以忽略不計，把電壓降縱分量近似看作電壓損失，即 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （3-10） 　　　在110KV及以上電壓等級的輸電線路中， 由式（3-10）可知無功功率Q對電壓損失的影響遠大于有功功率P對電壓損失的影響。設圖3-1中母線1的電壓為標稱電壓，在圖示參考方向下，當無功功率Q>0時，則意味著母線2的無功功率不足，需要從系統(tǒng)吸收無功功率Q。 三、電壓偏差產生的原因 由式（3-10）可知 三、電壓偏差產生的原因 供配電網絡結構的不合理也能導致電壓偏差。供配電線路輸送距離過長，輸送容量過大，導致截面過小等因素都會加大線路的電壓損失，從而產生電壓偏差。從此，我國對不同電壓等級的供配線路規(guī)定了合理的輸送距離和輸送容量，見表 3-1 。 表3-1 線路的輸送距離和輸送容量 四、電壓偏差過大的危害 電壓偏差過大對廣大用電設備以及電網的安全穩(wěn)定和經濟運行都會產生極大的危害。 1、對用電設備的危害 所有用戶的用電設備都是按照設備的額定電壓進行設計和制造的。當電壓偏離額定電壓較大時，用電設備的運行性能惡化，不僅運行效率低，很可能會由于過電壓或過電流而損壞。 四、電壓偏差過大的危害 2、對電網的危害 輸電線路的輸送功率受功率穩(wěn)定極限的限制，而線路的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限近似與線路的電壓平方成正比。 系統(tǒng)運行電壓偏低時 缺乏無功電源時 頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定破壞時 系統(tǒng)運行電壓過高 五、改善電壓偏差的措施 電力系統(tǒng)分布廣，節(jié)點數目多。系統(tǒng)運行時，電壓隨節(jié)點位置、負荷水平不斷發(fā)生變化�？梢哉f，電壓水平的控制既有局域性，又有全局性；既于網絡規(guī)劃有關，又與運行控制密不可分。保證電力系統(tǒng)各節(jié)點電壓正常水平的充分必要條件是系統(tǒng)具備充足的無功功率電源，同時采取必要的調壓手段。 五、改善電壓偏差的措施 現以圖3-2為例，說明各種調壓措施所依據的基本原理。 為簡化起見，忽略系統(tǒng)各元件的對地電容，網絡阻抗已歸算至高壓側。 五、改善電壓偏差的措施 負荷接入點電壓可表示為 (3-11) 式中 ——歸算至高壓側網絡的電壓損失kV； ——高壓側網絡標稱電壓，kV。 五、改善電壓偏差的措施 公式（3-11）表明:改變以下各量即可調整負荷接入節(jié)點的電壓UL。 （1）改變系統(tǒng)無功功率的分布； （2）改變發(fā)電機端電壓US； （3）改變變壓器變比K1，K2。 （4）改變輸電網絡的參數X。 下面從電力系統(tǒng)無功功率電源和調壓手段兩方面對電壓偏差的改善措施作詳細的介紹。 （一）配置充足的無功功率電源 電力系統(tǒng)中的無功功率損耗很大一部分是線路和變壓器中的無功功率損耗。由于高壓線路和變壓器的等值電抗遠大于等值電阻，變壓器的無功損耗也比有功損耗大得多，從而導致整個系統(tǒng)的無功損耗遠大于有功損耗。 系統(tǒng)運行時僅靠發(fā)電機提供的無功功率遠遠不能滿足系統(tǒng)對無功功率的需要，因此必須裝設大量的無功補償設備。 電力系統(tǒng)的無功功率電源有同步發(fā)電機，同步調相機，電容器，電抗器和靜止無功補償裝置（SVC）等。 五、改善電壓偏差的措施 1、同步發(fā)電機 發(fā)電機是電力系統(tǒng)中唯一的有功功率電源，同時也是最基本的無功功率電源。發(fā)電機調節(jié)無功功率的速度快且不需要額外投資，所以充分利用發(fā)電機改善系統(tǒng)無功功率的平衡是一種十分經濟實用的調節(jié)手段，其缺點是調節(jié)能力不大。 五、改善電壓偏差的措施 2、同步調相機 同步調相機實質上是不帶機械負載的同步電 動機。改變同步調相機的勵磁，可以使同步調相機 工作在過勵磁或欠勵磁狀態(tài)，從而發(fā)出或吸收無功功率。它是最早采用的無功調節(jié)設備之一。 同步調相機的優(yōu)點：有電壓支撐的作用、可迅速提高無功功率、可吸收多余的無功功率。 缺點：本身設備的有功功率損耗大、維護復雜、投資大。所以它不是主要的無功功率調節(jié)設備。 3、電容器 作為無功功率補償用的電容器以并聯的方式接入系統(tǒng)，其接線方式如圖3-3所示。 電容器只能輸出無功功率。其產生無功功率的大小可表示成 (3-12) 式中， 為電力系統(tǒng)角頻率；C為電容器的電容值。 五、改善電壓偏差的措施 電容器具有有功功率損耗小、設計簡單、容量組合靈活、安全可靠、運行維護方便、投資省等優(yōu)點。所以長期以來電容器一直是電力系統(tǒng)優(yōu)先采用的無功功率補償設備。但當系統(tǒng)電壓下降時，會導致電壓進一步降低；當系統(tǒng)電壓偏高時，系統(tǒng)電壓進一步升高。這種正反饋的電壓調節(jié)特性不利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，這是電容器調壓的缺點。 五、改善電壓偏差的措施 此外，這種調壓是不連續(xù)的。常規(guī)電容器采用分組投切的形式，每投入或切除一組電容器，可分別使系統(tǒng)電壓跳變式升高或降低。因此，應綜合考慮系統(tǒng)容量、電壓等級、負荷大小等因素，合理地選擇電容器的分組數及每組容量。 4、電抗器 線路的分布電容所產生的無功功率，與電壓的平方成正比，同時與線路的長度成正比。因此，長距離、高電壓等級的線路產生的充電功率不容忽視。圖3-4是線路 形等值電路。 五、改善電壓偏差的措施 圖中電容代表線路的分布電容，每個電容的電納為整個線路等效電納B的一半，即為 。每個電容產生的充電功率為線路總充電功率 的一半，即等于 。當線路輕載或空載運行時，線路電抗X中的無功損耗 很小，其數值可能等于或小于線路的充電功率。這種情況下線路總的無功損耗 為零，甚至變負。 五、改善電壓偏差的措施 高壓線路在輕載時，將會存在大量過剩的充電功率，從而使電壓升高。從表3-2可見，高壓線路輕載時電壓搜升高現象十分嚴重，其升高幅度已經大大超出了國家的有關規(guī)定。這對系統(tǒng)的安全運行和用戶的正常生產構成了極大的威脅。 5、靜止無功補償裝置和靜止無功發(fā)生裝置 基于電力電子半控器件無功補償裝置（SVC）和基于電力電子全控器件的靜止無功發(fā)生裝置（SVG）具有動態(tài)無功功率補償特性。與同步調相機一樣，它們既可以向系統(tǒng)輸出無功功率，也可吸收系統(tǒng)的無功功率。其動態(tài)特性好，調壓速度快，調壓平滑，而且可實現分相無功補償，有功功率損耗也比較小。由于他們由靜止開關元件構成，所以運行維護方便、可靠性較高。但這類設備價格普遍較高，運行經驗較欠缺。 （二）系統(tǒng)調壓手段 電力系統(tǒng)是個龐大的系統(tǒng)，其中的負荷難以計數，無法對其中每個節(jié)點的電壓進行監(jiān)視和調整。通常的做法是選擇一些關鍵性的母線作為電壓監(jiān)視點。如果將這些母線的電壓偏差控制在允許范圍內，系統(tǒng)中的其他節(jié)點的電壓及負荷電壓就能基本滿足要求。這些電壓監(jiān)視點稱為電壓中樞點。一般選擇系統(tǒng)內裝機容量較大的發(fā)電廠高壓母線，容量較大的變電所低壓母線，以及有大量地方負荷的發(fā)電機母線作為電壓中樞點。 1、電壓偏差的調整方式 中樞點的調壓方式分為三種： 逆調壓 順調壓 恒調壓 目前中樞點常用的調壓方式是逆調壓。 2、電壓偏差的調整手段 用發(fā)電機調壓：調節(jié)自動調節(jié)勵磁裝置 改變變壓器變比調壓：即調節(jié)變比K (3-13) 普通電力變壓器除分接頭外，還有2-4個附加分接頭。通過選擇分接頭，可使變壓器的變比發(fā)生改變。 改變線路參數調壓 1）采用分裂導線。 2）串聯電容器。接線圖見圖3-6. 根據公式3-10線路的電壓損失為： 串聯電容補償線路電抗的程度可用補償度Kc來表示： (3-14) 式中 XL ——線路電抗， ； XC ——線路串聯電容容抗， 。 叫過補償，整個線路的等值阻抗呈現容性； 叫欠補償，整個線路的等值阻抗呈現感性； 叫完全補償，整個線路的等值阻抗呈現阻性； 與裝設并聯電容器相比，串聯電容器補償法的調壓效果顯著，特別適合于電壓波動頻繁、負荷功率因數低的場合。 但采用串聯電容也會帶來一些新問題。 串聯電容與感應電動機有可能發(fā)生共振。 串聯電容與變壓器也可能發(fā)生共振。 六、電壓偏差的監(jiān)測與考核 電壓偏差的監(jiān)測與考核是評價電力系統(tǒng)電壓質量的重要方法，其結果也是修定無功功率和電壓曲線、制定電網規(guī)劃和技術改造計劃的依據。 電壓監(jiān)測點的設置原則是： （1）與主網（220KV及以上電力系統(tǒng)）直接連接的發(fā)電廠高壓母線。 （2）各級調度“界面”處的330KV及以上變電所的一、二次母線，220KV變電所的二次母線或一次母線。 （3）所有變電所的10KV母線。 （4）具有一定代表性的用戶電壓監(jiān)測點宜采用這樣的選取原則： 所有110KV及以上供電的用戶； 所有35KV專線供電的用戶； 其他35KV用戶和10KV用戶； 低壓0.4KV用戶。 電壓監(jiān)測的方法是在電壓監(jiān)測點安裝具有自動記錄和統(tǒng)計功能的“電壓監(jiān)測儀”。它能直接監(jiān)測電壓的偏差，并能統(tǒng)計電壓合格率和電壓超限率。 (3-15) (3-16) 我國電力行業(yè)對電壓偏差的考核是指各供電企業(yè)的以下五類指標是否滿足供電企業(yè)安全文明生產達標和創(chuàng)一流標準。 （1）A類電壓合格率——城市變電所10ＫＶ母線電壓合格率； （2）B 類電壓合格率——110KV及以上供電或35（63）KV專線供電用戶的電壓合格率； （3）C類電壓合格率——其他高壓用戶的電壓合格率 （4）D類電壓合格率——0.4KV用戶的電壓合格率比； （5）供電綜合電壓合格率計算式為 (3-17) 式中Ａ、Ｂ、Ｃ和Ｄ分別代表Ａ、Ｂ、Ｃ和Ｄ類電壓合格率。 表3-4 我國某大城市電網2002年供電電壓合格率統(tǒng)計表 第三節(jié) 電力系統(tǒng)頻率偏差 頻率是電能質量最重要的指標之一。系統(tǒng)負荷特別是發(fā)電廠廠用電負荷對頻率的要求非常嚴格。要保證用戶和發(fā)電廠的正常運行就必須嚴格控制系統(tǒng)頻率，使系統(tǒng)的頻率偏差控制在允許的范圍內。允許頻率偏差的大小不僅體現了電力系統(tǒng)運行管理水平的高低，同時反映了一個國家工業(yè)發(fā)達的程度。 一、頻率偏差的定義 根據工學理論，正弦量在單位時間內交變的次數稱為頻率，用f表示，單位為Hz。交變一次所需的時間稱為周期，用T表示，單位為s。頻率和周期互為倒數，即 f=1/T （3-18） 交流電力系統(tǒng)是以單一恒定的標稱頻率、規(guī)定的幾種電壓等級和以正弦函數波形變化的交流電向用戶供電。交流電力系統(tǒng)的標稱頻率分為50Hz和60Hz兩種，我國采用50Hz標稱頻率（工頻）。 一、頻率偏差的定義 不同標稱頻率的系統(tǒng)要實現互聯，必須通過變頻調速裝置才能實現并網。 一個常蓄結合式抽水蓄能電站的原理接線圖如圖3-7所示。圖中，G代表常規(guī)發(fā)電機組，其額定頻率為50Hz；G/M代表抽水蓄能機組，其工作頻率為30-80Hz。 圖3-7常蓄結合式抽水蓄能電站的原理接線 一、頻率偏差的定義 電力系統(tǒng)在正常運行條件下，系統(tǒng)頻率的實際值與標稱值之差稱為系統(tǒng)的頻率偏差，用公示表示為 （3-19） 式中 ——頻率偏差，Hz； fre ——實際頻率，Hz； fN ——系統(tǒng)標稱頻率，Hz。 頻率偏差屬于頻率變化范疇。電力系統(tǒng)的頻率變化是指基波頻率偏離規(guī)定正常值的現象。 二、頻率偏差限值 我國國家標準GB/T15945-1995《電能質量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定： 系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為0.2Hz。 系統(tǒng)容量較小時，可放寬到0.5Hz。 用戶沖擊負荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不得超過0.2Hz 一些經濟發(fā)達國家允許的系統(tǒng)頻率偏差為0.1Hz。 日本為0.08Hz。 預計經濟發(fā)達國家的系統(tǒng)頻率允許偏差將達到0.05Hz 三、頻率偏差產生的原因 當系統(tǒng)負荷功率總需求(包括電能傳輸環(huán)節(jié)的損耗)與系統(tǒng)電源的總供給相平衡時，才能維持所以發(fā)電機組轉速的恒定。但是，電力系統(tǒng)中的負荷以及發(fā)電機組的出力隨時都在變化。當發(fā)電機與負荷間出現有功功率不平衡時，系統(tǒng)頻率就會產生變動，出現頻率偏差。 系統(tǒng)頻率上升，頻率偏差為正；反之亦成立。只有在發(fā)電機的總輸出有功功率等于系統(tǒng)負荷對有功功率總需求的時候，頻率偏差為零。 系統(tǒng)有功功率不平衡是產生頻率偏差的根本原因 四、頻率偏差的危害 1.系統(tǒng)頻率偏差過大對用電負荷的危害 （1）產品質量沒有保障。（工業(yè)企業(yè)） （2）降低勞動生產率。（影響所傳動機械的出力） （3）使電子設備不能正常工作，甚至停止運行。 2.系統(tǒng)頻率偏差過大對電力系統(tǒng)的危害 （1）降低發(fā)電機組效率，引起頻率或電壓崩潰。 （2）汽輪機在低頻下運行時易產生葉片共振，造成葉片疲勞損傷和斷裂。 四、頻率偏差的危害 （3）處于低頻率電力系統(tǒng)中的異步電動機和變壓器其主磁通會增加，勵磁電流會隨之增加，系統(tǒng)所需無功功率大為增加，導致系統(tǒng)電壓水平降低，造成調壓困難。 （4）無功補償用電容器的補償容量與頻率成正比。 （5）頻率偏差大使感應式電能表的計量誤差加大。 五、電力系統(tǒng)頻率調整和控制 電力系統(tǒng)在正常運行方式下，通過改變發(fā)電機的輸出功率使系統(tǒng)的頻率變動保持在允許偏差范圍內的過程，稱為頻率調整。分為：一次調整、二次調整。 自動發(fā)電控制裝的調頻方式主要分為三類： 恒定頻率控制（FFC） 恒交換功率控制（FTC） 聯絡線功率頻率偏差控制（TBC） 2.電力系統(tǒng)頻率控制 電力系統(tǒng)在以下情況下可能出現頻率異常： （1）故障后系統(tǒng)失去大量電源，或系統(tǒng)解列 （2）氣候變化或意外災害使負荷發(fā)生突變 （3）在電力供應不足的系統(tǒng)中缺乏有效的控制負荷手段。 五、電力系統(tǒng)頻率調整和控制 （4）高峰和低峰負荷期間，發(fā)電機出力的增減速度與負荷的增減速度不一致。 （5）大型沖擊負荷造成的頻率波動。 系統(tǒng)頻率異常時一般采取以下頻率控制措施： （1）應具備足夠的負荷備用和事故備用容量； （2）在調度所或變電所裝設直接控制用戶負荷的裝置 （3）在系統(tǒng)內安裝自動切除發(fā)電機等。 頻率調整和電壓調整的差異： （1）全系統(tǒng)頻率相同，而系統(tǒng)中各節(jié)點的電壓卻不同 （2）系統(tǒng)頻率質量主要由系統(tǒng)有功功率平衡狀況決定，而系統(tǒng)電壓質量則主要由系統(tǒng)無功功率平衡狀況決定。 （3）調整頻率只有改變發(fā)電機組原動機功率這一唯一的措施，而調整電壓的措施卻很多。 第四節(jié) 電壓三相不平衡 一、三相對稱與三相不平衡的概念 設三相系統(tǒng)的電流和電壓分別為 第四節(jié) 電壓三相不平衡 三相系統(tǒng)可分為對稱三相系統(tǒng)和不對稱三相系統(tǒng)。對稱三相系統(tǒng)是指三相電量數值相等、頻率相同、相位互差120度的系統(tǒng)。不同時滿足這三個條件的三相系統(tǒng)是不對稱三相系統(tǒng)。 第四節(jié) 電壓三相不平衡 換言之，式（3-20）和（3-21）所表示的系統(tǒng)如果同時滿足以下條件 (3-22） （3-23） 那么該系統(tǒng)是對稱的，反之則是不對稱的。 第四節(jié) 電壓三相不平衡 將式（3-22）、（3-23）代人式（3-20）和（3-21）同時選取A相電流為參考量，記及A相電壓超前于電流 電角度，即令 ，則對稱三相系統(tǒng)可表示為 三相系統(tǒng)的對稱性還表現為：在任意時刻，三相電量的瞬時值之和為零，用數學公式表示就 （3-26） 和 （3-27） 三相系統(tǒng)又可分為平衡三相系統(tǒng)和不平衡三相系統(tǒng)。在任意時刻，三相瞬時總功率與時間無關，這樣的系統(tǒng)稱為平衡三相系統(tǒng)；在任意時刻，三相瞬時總功率是時間的函數，這樣的系統(tǒng)稱為不平衡三相系統(tǒng)。 根據電工理論，系統(tǒng)在某一時間t吸收的總瞬時功率為三相瞬時功率之和，每一相的瞬時功率為同一時刻同相電壓和電流的乘積，即 （3-28） 式中 ——總瞬時功率，MVA. PA、 PB、 PC——A、B、C三相瞬時功率，MVA。 將式（3-20）和（3-21）代人式（3-28），經整理后得 （3-28） 上式中第二個方括號與時間有關，一般來說，它不等于零。對于對稱三相系統(tǒng)，將式（3-22）和（3-23）代入（3-28），并計及 得 （3-29） 式（3-29）說明對稱三相系統(tǒng)在任意時刻的總瞬時功率是常數，也就是說對稱三相系統(tǒng)一定也是平衡三相系統(tǒng)。對于三相系統(tǒng)，系統(tǒng)的不對稱直接導致不平衡，所以不對稱三相系統(tǒng)和不平衡三相系統(tǒng)在使用上不作嚴格區(qū)分。 三相電壓不平衡度是電能質量的重要指標之一。 二、三相不平衡度的定義 根據對稱分量法，三相系統(tǒng)中的電量可分解為正序分量、負序分量和零序分量三個對稱分量。電力系統(tǒng)在正常運行方式下，電量的負序分量均方根值與正序分量均方根值之比定義為該電量的三相不平衡度，用符號表示，即 （3-30） （3-31） 二、三相不平衡度的定義 式中 ——三相電壓不平衡度和三相電流不平衡度 ——電壓正序、負序分量均方根值，ＫＶ； 　　　　——電流正序、負序分量均方根值，ＫＡ。 由式（3-30）和（3-31）可見，要計算三相系統(tǒng)的不平衡度，必須首先計算三相系統(tǒng)的正序和負序分量。但在實際工作中，往往只知道三相電量的數值。在不含零序分量的三相系統(tǒng)中，只要知道三相電量a、b、c，即可由下式求出三相不平衡度： 二、三相不平衡度的定義 工程上為了估算某個不對稱負荷的公共連接點上造成的三相電壓不平衡度，可用公式（3-33）進行近似計算。 二、三相不平衡度的定義 (3-33) 式中 ——負荷電流的負序分量，A； ——公共連接點的線電壓均方根值，KV； ——公共連接點的三相短路容量，MVA。 式（3-33）只能用于距離發(fā)電廠以及大型電機電氣距離較遠的公共連接點處三相電壓不平衡度的近似計算。 二、三相不平衡度的定義 在三相對稱系統(tǒng)中，由于在某一相上增設了單相負荷而引起的三相電壓不平衡度也可按下式估算 （3-34） 式中 ——單相負荷容量，MVA； ——計算點的三相短路容量，MVA。 三、三相不平衡度的限值 我國國家標準GB/T 15543-1995《電能質量 三相電壓允許不平衡度》規(guī)定：電力系統(tǒng)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%；接于公共連接點的每個用戶，引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為1.3%。 四、三相不平衡產生的原因 電力系統(tǒng)三相不平衡可以分為事故性不平衡和正常性不平衡兩大類。事故性不平衡由系統(tǒng)中各種非對稱性故障引起。 電力系統(tǒng)在正常運行方式下，供電環(huán)節(jié)的不平衡或用電環(huán)節(jié)的不平衡都將導致電力系統(tǒng)三相不平衡。 而供電系統(tǒng)的不平衡主要來自于供電線路的不平衡。 五、三相不平衡的危害 系統(tǒng)處于三相不平衡運行時，其電壓、電流中含大量負序分量。由于負序分量的存在，三相不平衡對電氣設備產生不良影響，具體表現如下： （1）感應電動機。 （2）變壓器。 （3）換流器（圖3-8）。 （4）繼電保護和自動裝置。 （5）線損。 （6）計算機。 六、改善三相不平衡的措施P1=5MW， 減小系統(tǒng)三相不平衡的常用方法有如下幾種： （1）將不對稱負荷合理分布于三相中，使各相負荷盡可能平衡。 設5個容量不等的單相負荷分別是P1=5MW，S2=15+j7MVA，S3=10+j2MVA，S4=20+j9MVA和S5=25+j8MVA。采用圖3-9（a）的接線方式時，三相負荷的有功功率均為25MVA，A、B兩相的無功功率同是9Mvar，與C相8Mvar的無功功率相差不大。在圖3-9（b）中，A相負荷為20+j7MVA，B相負荷為30 ＋j11MVA，C相負荷為25＋j8MVA。 六、改善三相不平衡的措施 顯然，采用圖3-9（a）所示的負荷分配方式采用圖3-9（b）所示的負荷分配方式更有利于系統(tǒng)三相平衡。 六、改善三相不平衡的措施 （2）將不對稱負荷分散接于不同的供電點，減小集中連接造成的不平衡度過大。 （3）將不對稱負荷接于高一級電壓供電。 （4）將不對稱負荷采用單獨的變壓器供電。 （5）采用特殊接線的平衡變壓器供電。 （6）加裝三相平衡裝置。 實現三相平衡的原理如圖3-10所示。設ab間接有單相用電負載，見圖3-10（a），其導納 。首先在該負載上并聯電納 ，使ab相等效負載呈電阻性，其等效導納 。 六、改善三相不平衡的措施 然后在bc間接入容性電納 ，在ca間接入感性電納 ，如圖3-10（b）所示。 六、改善三相不平衡的措施 此時各相電流為 可見，三相負荷達到平衡。 六、改善三相不平衡的措施 例3-1 額定電壓為380V的3臺單相負荷，其參數如下： 負荷1：7.6KVA， 負荷2：7.6KVA， 負荷3：7.6KVA， 試求方式1的接線時的三相電流不平衡度 。 六、改善三相不平衡的措施 例3-1 額定電壓為380V的3臺單相負荷，其參數如下： 負荷1：7.6KVA， 負荷2：7.6KVA， 負荷3：7.6KVA， 試求不同接線方式時的三相電流不平衡度 。 解：3個單相負荷共有6種不同的接線方式，如表3-5所示。以方式1為例，計算 。方式1的接線示意圖見圖3-11。 六、改善三相不平衡的措施 3個負荷的等效阻抗分別為： 設 為參考相量，即令 ， 則 每個負荷上流過的額定電流為 根據基爾霍夫電流定律，線電流為 由對稱分量法可求出線電流中正、負序分量分別為 其中， 。 于是，三相電流不平衡度為 同理，可計算出其余5種接線方式下的 ，見表3-5可以看出，采用方式5的接線方式時， 最小。 表3-5 6種不同接線方式下的 第五節(jié) 供電中斷與中斷可靠性 一、供電可靠性的常用指標 供電系統(tǒng)供電可靠性用一系列指標加以衡量。這些供電可靠性指標按不同電壓等級分別計算，并分為主要指標和參考指標兩大類。 1、供電可靠性主要指標 （1）供電可靠率（RS-1）。 （3-35） 第五節(jié) 供電中斷與中斷可靠性 （2）用戶平均停電時間（AIHC-1）。 （3-36） （3）用戶平均停電次數（AITC-1） （3-37） （4）用戶平均故障停電次數（AFTC） （3-38） 第五節(jié) 供電中斷與中斷可靠性 2、供電可靠性參考指標 （1）用戶平均故障停電時間 （3-39） （2）故障停電平均持續(xù)時間 （3-40） 第五節(jié) 供電中斷與中斷可靠性 （3）平均停電次數 （4）故障停電平均用戶數 表3-6 供電可靠率和年平均停電時間的關系 第五節(jié) 供電中斷與中斷可靠性 第五節(jié) 供電中斷與中斷可靠性 上述供電可靠性指標中的停電指長時間供電中斷，即供電電壓幅值為零，且持續(xù)時間超過5min（或1min以上）的現象。 按照供電中斷的性質劃分，供電中斷可以分為兩大類： 預安排供電中斷 故障故障供電中斷 圖3-12 （長時間）供電中斷分類 第五節(jié) 供電中斷與中斷可靠性 二、供電中斷的危害 導致系統(tǒng)頻率崩潰和電壓崩潰 對國民經濟其他行業(yè)產生重大影響 三、供電中斷產生的原因即提高供電可靠性的措施 （1）設備質量缺陷； （2）人員誤操作； （3）自然災害； （4）繼電保護； （5）運行管理水平低。 第五節(jié) 供電中斷與中斷可靠性 除針對上述原因而采取的提高供電可靠性的措施以外，以下措施也有利于改善系統(tǒng)的供電可靠性。 （1）加強網架結構，合理分布電源及無功補償設備。 （2）采用自動化程度很高的系統(tǒng)。 （3）各負荷的供電方式應根據負荷對供電可靠性的要求和地區(qū)供電條件確定。 1）一級負荷應由兩個獨立電源供電。 2）二級負荷應由兩回線路供電。 3）三級負荷對供電方式無要求。 一 典型的電壓變動現象 為了對電力系統(tǒng)運行過程中可能出現的各種典型電壓變動分別予以分析，通常還會根據電壓變動的快慢，變動的大小，變動的頻次以及持續(xù)時間的長短等特征做進一步的細化分類，常見的有以下五種： 電壓偏差 電壓波動 電壓暫升、暫降 短時間電壓中斷 長時間電壓中斷 第四章 電壓波動與閃變 二、均方根值電壓的變動特性 一個理想的供電系統(tǒng)其三相交流電源對稱、電壓均方根值恒定，并且負荷特性與系統(tǒng)電壓水平無關。這就要求電力用戶的負荷分配三相平衡，并以恒定功率汲取電能，同時也要求公共連接電的短路容量無窮大，系統(tǒng)的等值電抗為零。但實際的供電電壓時刻都在變化。因此，凡不保持電壓均方根值恒定不變的現象，實際電壓偏離系統(tǒng)標稱電壓的現象統(tǒng)稱為電壓變動。 在電學計算中，通常以電壓整周期的均方根值來衡量電壓的大小。在工程上當電壓均方根值出現變動情況時，一般可取半個周期均方根值來計算電壓。電壓均方根值的離散計算公式為 在這里特別強調“均方根值電壓”是因為在分析電壓質量時，有時要與瞬時值電壓超標的情況區(qū)別開來。電壓瞬時值的改變可以用以下表達式描述 電壓變動特性U(t)特性：沿基波半個周期及其整數倍求取的電壓均方根值隨時間變化的函數關系 圖4-1中電動機啟動結束后的穩(wěn)定電壓均方根值與額定電壓之差的為穩(wěn)態(tài)電壓變動值，啟動過程中相鄰兩點極值電壓之差為動態(tài)電壓的變動值。均方根值電壓變動特性也可以用相對電壓變動特性d(t)來描述，圖中縱坐標 在電能質量標準中，通常以標稱電壓的現對百分數來表示電壓變動值，即 同理，將式中電壓變動量替換為上述定義的變動值，可以分別給出相對穩(wěn)態(tài)電壓變動值 相對動態(tài)電壓變動值 相對最大電壓變動值 均方根值電壓的變動是系統(tǒng)運行中常出現的電壓質量現象。為此，國際電工委員會相關標準規(guī)定：在低壓民用電力網中，相對穩(wěn)態(tài)電壓變動值應不超過3%；相對動態(tài)電壓變動值 超過3%的持續(xù)時間不應超過200ms；相對最大電壓變動應不超過4%。 引起電壓變動常見原因 波動性負荷 配電系統(tǒng)自身的無功功率補償設備投切控制，開關操作以及線路故障等許多因素有關。 第二節(jié) 電壓波動 一 電壓波動的含義 電壓波動定義為電壓均方根值一系列相對快速變動或連續(xù)改變的現象。其變化周期大于工頻周期。 配電系統(tǒng)中，這種電壓波動現象有可能多次出現，變化過程可能是規(guī)則的，不規(guī)則的，亦或是隨機的。電壓波動的圖形也是多種多樣的，如跳躍形，斜坡形或準穩(wěn)態(tài)形等。為了便于對不同的電壓波動過程采用不同的評價方法。 在電壓質量標準化工作中，將可能出現的電壓波動圖形整合為四種形式： (1)圖 4-2(a)所示為周期性等幅矩形電壓波動。例如，單一阻性負荷投切引起的電壓波動。 (2)圖 4-2(b)所示為一系列不規(guī)則時間間隔階躍電壓波動。其電壓波動幅值可能相等或不等，可能為正躍變。例如，多重負荷投切引起的電壓波動。 (3)圖 4-2(c)所示為非全躍式可明顯分離的電壓波 動。例如，非線性電阻負荷運行引起的電壓波動。 (4)圖 4-2(d)所示為一系列隨機的或連續(xù)電壓波動，例如循環(huán)的或隨機的功率波動負荷引起的電壓波動。 在處理工程實際問題時，上述電壓波動圖形可以在處理工程實際問題時，上述電壓波動圖形可以由用電設備特性推演獲得，也可以利用專門的測量儀器觀測到。 為了更具體的描述電壓波動的特征，我們把一系列電壓波動中的相鄰兩個極值之間的變化成為一次電壓波動，其波動大小可由式(4-3)計算得到。為了更形象的了解電壓波動的過程，實際上可在波動負荷的一個工作周期或規(guī)定的一段檢測時間內，沿時間軸對被測電壓每半個周期求得一個均方根值并按時間軸順序排列，即可形象的看到連續(xù)的電壓波動的包絡線圖形，稱為電壓均方根值曲 線U (t)，見圖4-3 (a)。當以系統(tǒng)標稱電壓的相對百分數表示時，電壓波動隨時間變化的函數轉換為相對電壓的變動特性d (t)。若將圖4-3 (a)中的包絡線提取出來，它將表示調幅波變化曲線，如圖4-3 (b)所示。 為了直觀了解電壓的波形變化，見圖4-4 (a)示意性地給出了被觀察電壓瞬時值的包絡線圖形。為分析方便且又不失一般性，常抽象的將恒定不變的工頻電壓看作載波，將波動電壓看作調幅波，見圖4-4 (b)中所示的虛線表示工頻載波電壓 峰值的平均電平線，若以此為零軸，該圖中波形反應了低頻正弦調幅波的變化。 前面已經指出，電壓波動發(fā)生的次數是分析電壓均方根值變化特性的另一個重要指標。我們把單位時間內電壓變動的次數稱為電壓變動頻率r，一般以時間的倒數作為頻度的單位。 國家電能質量標準規(guī)定，電壓由大到小或由小到大的變化各算一次變動。同一方向的若干次變動，如果變動間隔小于30ms，則算一次變動，例如圖4-4(b)中所示的10Hz正弦調幅波電壓波形曲線，其電壓波動值為調幅波的峰谷差值，變動頻度為20次/s。因此不難看出，連續(xù)電壓波動的頻度為調幅基波頻率 的2倍 仍以圖4-1所示的電動機啟動時電壓的變化為例，我們可以看到，在電動機啟動一次的過程中，其供電電壓實際發(fā)生了由高到低后回升的2次電壓變動。但是作為動態(tài)電壓變動事件，電動機啟動一次應算作一次動態(tài)電壓變動。而當電動機頻繁啟動，或如電弧爐和間歇通電的負荷工作時，則會出現一系列的電壓的變動。 二 波動性負荷對電壓特性的影響 引起電壓波動的原因是多種多樣的，配電系統(tǒng)發(fā)生的短路故障或開關操作，或者是無功功率補償裝置、大型整流設備的投切均能導致供電電壓波動。 但是，頻繁發(fā)生且持續(xù)時間較長的電壓波動更多是由功率沖擊性波動負荷的工作狀態(tài)變化所致。由于波動性負荷的功率因數低，無功功率變動量也相對較大，并且其功率變化的過程快，因此在實際運行中可以認為波動性負荷是引起供電電壓波動的主要原因 根據用電設備的工作特點和對電壓特性的影響，波動性負荷可分為兩大類型： 由于頻繁啟動和間歇通電時常引起電壓按一定規(guī)律周期變動的負荷。例如，軋鋼機和絞車，電動機，電焊機等。 引起供電點出現連續(xù)的不規(guī)則的隨機電壓變動的負荷。例如，煉鋼電弧爐等。 第三節(jié) 電壓閃變 基本概念與定義 雖然電壓波動引起部分電氣設備不能正常運行，但由于實際運行中出現的波動值往往小于電氣設備敏感度門檻值，可以說由于電壓波動使得電器設備運行出現問題甚至損壞的情況并不多見。 例如，對電子計算機和控制設備就不需要特別去注意電壓波動的干擾，因為它們通常都經交直變換后改用直流電源，對交流電壓波動不很敏感，并且可在相對損耗不大的條件下加設抗干擾措施。但是在辦公，商用和民用建筑的照明電光源中，白熾燈占有相當大的比例，白熾燈的光功率與電源電壓的平方成正比所以受電壓波動影響最大。 當白熾燈電源的電壓波動在10%左右，并且當重復變動頻率在5—15Hz時，就可能造成令人煩惱的燈光閃爍，嚴重時會刺激人的視感神經，使人們難以忍受而情緒煩躁，從而干擾了人們的正常和生活。而日光燈和電視機等其他家用電器的功率與電源電壓一次方成正比，電動機等負荷則因由機械慣性，所以它們對電壓波動的敏感程度遠遠低建筑的照明電光源中，白熾燈占有相當大的比例，白熾燈的光功率與電源電壓的平方成正比所以受電壓波動影響最大。 于白熾燈，因此在研究電壓波動帶來的影響時，通常選白熾燈光照設備受影響的程度作為判斷電壓波動是否能被接受的依據。 電光源的電壓波動造成燈光照度不穩(wěn)定的人眼視感反應成為閃變。換言之，閃變反應了電壓波動引起的燈光閃爍對人視感產生的影響。需要注意到，由于約定俗成的原因，一直以來人們習慣使用電壓閃變一詞代替閃變。嚴格的講，閃變是電壓波動引起的有害結果，是指人對照度波動的主觀視覺反應，它不屬于電磁現象，因此使用電壓閃變這一名詞時注意不要造成概念混淆。 需要指出的是，波動性負荷運行時會引起供電電壓幅值快速變化，但并非出現電光源電壓變動，人們就會感受到對燈光照度的作用和影響。這是因為人的主觀視感度不僅與電壓變動大小有關，還與電壓變動的頻譜分布和電壓出現波動的次數以及照明燈具的類型等許多因素有關。 由于每個人感光特性的大腦的反應特性不同，對燈光照度變化的感覺存在這差異，決定閃變的因素也比較復雜，所以對于電壓波動與閃變問題一直難以建立精確的數學模型，因此閃變的評價方法不是通過純數學推導與理論證明而得到的，而是通過對同一觀察者反復進行閃變實驗和對不同觀察者的閃變視感程度進行抽樣調查，經統(tǒng)計分析后找出相互間有規(guī)律性的關系曲線，最后利用函數逼近的方法獲得閃變特性的近似數學描述來實現的。目前，世界上許多國家均采用由國際電熱協會制定，推薦，并有國際電工委員會發(fā)布的測量統(tǒng)計方法和相應的閃變嚴重度評估標準。以下將結合該標準對閃變實驗方法和實驗結果做一介紹。 閃變覺察率F 依據IEC推薦的實驗條件，采用不同波形，頻率，幅值的調幅波并以工頻電壓為載波向工頻230V，60W白熾燈供電照明 瞬時閃變視感度S(t) 為反應人的瞬時閃變感覺水平，用閃變強弱的瞬時值隨時間變化來描述，即瞬時閃變視感度S(t)。 它是電壓波動的頻度，波形，大小等綜合作用的結果，其隨時間變化的曲線是對閃變評估衡量的依據。 通常規(guī)定閃變覺察率F=50%為瞬時閃變視感度的衡量單位。換言之，若S(t)>1覺察單位，說明實驗觀察者中有更多的人對燈光閃爍有明顯的感覺，則規(guī)定為對應閃變不允許水平。 第四節(jié) 閃變的評估方法 一 電壓波動與閃變的起因與危害 供電系統(tǒng)出現電壓波動，一方面是由于各種類型的大功率波動性負荷投運引起的，另一方面也會由于配電線路短時間承載過重，而且饋電終端的電壓調整調整能力很弱等原因，難以保證電壓的穩(wěn)定。波動性負荷的用電特征分為周期性的和非周期性的，而周期性和近似周期性的功率波動負荷對電壓影響更為嚴重。目前供電系統(tǒng)中造成電壓干擾的負荷主要有：電弧爐，軋鋼機，電力機車，電阻焊機以及高功率脈沖輸出的電子設備等。需要指出，家用電器和小功率設備也會引起局部電壓波動，IEC標準中對這些問題做了相應的說明和限制。 第四節(jié) 閃變的評估方法 電壓波動會引起多種危害，如電壓快速變動會使電動機轉速不均勻，這不僅危及電動機本身安全的安全運轉，而且還會直接影響生產企業(yè)的產品質量，如果引起照明光源的閃爍，則會使人眼感到疲勞甚至難以忍受，以致降低人們的工作效率等。嚴格講閃變只是電壓波動造成的危害的一種，同樣不能以電壓波動代替閃變。但在實際應用時廣義的閃變包括了電壓波動，甚至電壓波動的全部有害內容。這是因為白熾燈電光源是廣泛使用的低壓照明燈具，具有代表性，其照度變化對電壓波動最為敏感也最為顯著。此外，對高，中電壓等級也用閃變強度來衡量電壓波動水平，以求統(tǒng)一標準。 第四節(jié) 閃變的評估方法 概括起來，電壓波動與閃變的具體危害有以下幾個方面： 1 引起車間，工作室和生活居室等場所的照明燈光閃爍，使人的視覺易于疲勞甚至難以忍受而產生煩躁情緒，從而降低了工作效率和生活質量。 2 使得電視機畫面亮度頻繁變化以及垂直水平幅度搖晃。 3 造成對直接與交流電源相連的電動機的轉速不穩(wěn)定，時而加速時而制動，由此可能影響產品質量，嚴重時危及設備本身安全運行。例如，對于造紙業(yè)，絲織業(yè)和精加工機床制品等行業(yè)，如果在生產運行時發(fā)生電壓波動甚至會使產品報廢等。 第四節(jié) 閃變的評估方法 4 對電壓波動較為敏感的工藝過程或實驗結果產生不良影響。例如使光電比色儀工作不正常，使化驗結果出差錯。 5導致電子儀器和設備，計算機系統(tǒng)，自動控制生產線以及辦公自動化設備等工作不正常，或受到損害。 5 導致以電壓相位角為控制指令的系統(tǒng)控制功能紊亂，致使電力電力換流器換向失敗等。 順便指出，波動性負荷除了會產生以上總結的閃變危害之外，由于自身的工作特點所決定，還會產生大量的諧波，并且由于其三相嚴重不對稱帶來的的負序分量，同樣會危及供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。 第四節(jié) 閃變的評估方法 二 閃變水平評估與干擾限制值 在電力輸配過程中，既要限制電壓波動也要限制閃變，并且將限制發(fā)生閃變干擾放在首位。UIE/IEC建議在進行閃變檢測時，對于運行周期時間較長的一類波動性負荷一般用短時間閃變值和長時間閃變值兩個指標作為閃變嚴重度的判斷，分別用來確定一段時間(1-15min)的閃變強弱和整個工作周期 (1h-7天)的閃變嚴重度，并且給出了閃變評價的數學方法和測量方法。 第四節(jié) 閃變的評估方法 由于這種評估方法反應了電壓波動與閃變的統(tǒng)計特征量，其科學性和正確性已經得到國際的普遍認可并采用。以下我們介紹該方法的具體內容和相應的閃變干擾限制值。 1 短時間閃變水平值Pst 在觀察期內，(如取典型值=10min )，對瞬時閃變視感度S(t)做遞增分級處理(標準規(guī)定，實際分級應不小于64級)，并計算各級瞬時閃變視感水平所占總檢測時間長度之比可獲得概率直方圖，進而采用IEC推薦的累積概率函數(CPF)，即水平分級狀態(tài)時間算法，對該段時間的閃變嚴重度做出評定。 第四節(jié) 閃變的評估方法 現以圖4-11為例做一簡單介紹，圖4-11所示為某一觀察時間段，如取10min內等間隔采樣時間為 測算到15000個數據所描述的瞬間閃變視感度S(t)變化曲線。為簡要說明時間水平統(tǒng)計方 第四節(jié) 閃變的評估方法 將該變化曲線等分為10級，每級級差為0. 2p.u。圖中第七級(1.2—1.4 p.u.)統(tǒng)計計算時間總和 因此不難算出第7級瞬時閃變視感水平所占總檢測時間長度之比，即概率分布 第四節(jié) 閃變的評估方法 第四節(jié) 閃變的評估方法 研究表明，對于不同類型的供電電壓干擾采用多點測定算法可以概念更準確的反應閃變的嚴重程度。實際應用時常用5個概率分布測定值計算出短時間(10min)閃變平滑估計值 第四節(jié) 閃變的評估方法 Pst表示實際檢測到的短時間閃變水平嚴重程度。 K0.1=0.0314， K0.2=0.525 K0.3 =0.0657 ， K10=0.28 K50=0.08 5個測定值p0.1， p0.2 ，p0.3 ，p10 ，p50分別為10min內超過0.1%，1%，3%，10%，50%時間比的概率分布水平 第四節(jié) 閃變的評估方法 短時間閃變值適用于單一閃變源的干擾評價。對于多閃變源的隨機運行情況，或者工作占空比不定，且長時間運行的單閃變源，則必須出長時間評價。 第四節(jié) 閃變的評估方法FCD紅軟基地

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