隨筆之十一-電能質量問題

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一、電能質量概述

電能質量（Power Quality)：導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內容包括電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、暫時或瞬態過電壓、波形畸變與諧波、電壓暫降與短時間中斷等。

二、電壓偏差

國標：供電電壓偏差（GB 12325—1990）（GB/T 12325-2008)

電壓偏差：供電系統在正常運行方式下，某一節點的實際電壓與系統標稱電壓之差對系統標稱電壓的百分數，稱為該節點的電壓偏差。

國標要求：

1、35kV及以上正負偏差之和 10％

2、20kV及以下 ≤ ±7％

3、220V單相＋7％～－10％ n

4、對供電短路容量較小，供電距離較長以及對供電電壓有有特殊要求的用戶，由供用電雙方共同確定。

控制措施：危害不必多言，對設備，功角穩定等都有較大危害。

1）配置足夠的無功功率電源

原則：分區、分層、分變電所進行補償，實現無功功率的就地平衡，並留有足夠的備用容量。

2）系統調壓

在系統中選擇一些關鍵性的母線作為電壓監測點，若能降電壓監測點的電壓偏差控制在允許範圍內，系統中其它點的電壓及負荷電壓就能基本滿足要求。這些電壓監測點稱為電壓中樞點。電壓中樞點一般選擇系統內裝機容量較大的發電廠高壓母線，容量較大的變電站低壓母線，有大量地方負荷的發電機母線。

發電機調壓：首先被考慮，缺點：此方法只能滿足電廠地區負荷的調壓要求，對於通過多級電壓輸電的負荷無法滿足要求。n

變壓器調壓：這種調壓方式的前提是系統的無功功率充足，這種方式只是改變了電力系統無功功率分布。在無功功率充足的系統中，應大力推廣採用有載調壓變壓器。

至於無功電壓的分級自動控制，則是另外一個層面的事了。

工程案例：

平時的電能質量分析報告，無功配置計算是比較關鍵的點（另一個是諧波計算）。

最終得出的無功補償配置方案應該來自於兩個方面，一個是理論計算，就是根據類似線路長度，箱變台數的電氣參數，算出需要配置多少無功，另一個就是模擬計算，計算在大小方式下，相關元件母線電壓的情況，如下圖。

三、電壓波動與閃變

國標：電壓波動和閃變（GB 12326—2000）(GB/T 12326-2008)

電壓波動：波動幅值不超過10%的周期性電壓變動。t通常，這個變化值遠小於大部分電氣設備敏感限制，因此只在少數情況下才會發生運行上的問題。引起電壓波動的主要原因是功率衝擊性波動負荷。（下圖為電弧爐引起電壓波動）

國標中以典型的電弧爐負荷為對象設定了電壓波n動的極限值。

電壓閃變：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感，它不屬於電磁現象。嚴格講用電壓閃變這一術語從概念上是混淆的。這裡也有一些測量指標，但是一般不易量化，考慮的不多。

控制措施：

（1）提高供電電源的電壓等級，以提高與電網公共連接點的短路容量，使其對電網的影響限制在允許的範圍內；n

（2）採用SVC(SVG)裝置，使其多項指標限定在允許的範圍內。n

無功功率變動量是造成電弧爐電壓波動和閃變的主要因素，所以維持系統無功功率就是改善和抑制電壓波動和閃變的根本方法。

常規並聯電容器組由於阻抗固定,不僅不能動態跟蹤負荷無功功率變化而調整無功補償,而且會使諧波嚴重放大,因此不能用於電壓波動和閃變較大的場合。靜止無功補償器（SVC）根據無功功率的需求自動補償,所謂靜止無功補償的靜止是指它沒有機械運動部件,但它的補償是動態的,即根據無功的需求或電壓的變化自動跟蹤補償。

SVC由可控電感、固定或可變電容支路並聯組成，在工程上應用實現的有：飽和電抗器（SR）、晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）和晶閘管控制的高阻抗變壓器（TCT）。TCR型SVC實際應用最廣。

SVG（statcom）：電壓源型逆變較佳，可通過調節其直流側電容電壓的幅值和/或變換器的調製比就可以控制變換器交流輸出電壓的幅值，進而改變裝置輸出電流的極性(容性或感性)和大小，達到連續控制輸出無功功率的極性和大小的目的。

SVG在無功控制能力、無功補償響應速度、同等補償效果所需容量、佔地面積、損耗與輸出無功的關係等方面均優於SVC。而且近年來，二者的價格差距變小，且國產SVG技術已經成熟。

四、波形畸變與電力諧波

國標：電壓波動和閃變（GB 12326—2000）(GB/T 12326-2008)

波形畸變：波形畸變是由電力系統中的非線性設備引起的，流過非線性設備的電流和加在其上的電壓不成比例關係。

電力諧波：任何周期性的畸變波形都可用正弦波形的和表示，其中，頻率為基波頻率整數倍的分量稱為諧波（如我國電力系統的工頻為50Hz，則基波為50Hz，二次諧波為100Hz，三次諧波為150Hz等），頻率為基波頻率整數倍的分量稱為諧波，而一系列正弦波形的和稱為傅里葉級數。

在一定的供電系統條件下，有些用電負荷會出現非整數倍的周期性電流的波動，不是基波整數倍頻率的分數諧波稱間諧波。次諧波是指頻率低於工頻基波頻率的分量。

暫態過程中含有高頻分量，但是和諧波卻是兩個完全不同的現象，電力系統僅在受到突然擾動之後，其暫態波形呈高頻特性，但這些頻率並不是諧波，與基波頻率無關。n

國標要求：

平常諧波計算一般用電力軟體計算，當然用公式算好像也可以。

諧波源：傳統電力系統中的主要諧波源是電力變壓器，當代電力系統中的最主要的諧波源——非線性電力電子裝置。

危害：

1）系統角度，諧波會導致一些不正常現象：一是超高壓長線上，諧波電流若較大，潛供電弧熄滅會被延緩，單相重合閘可能會失敗，擴大事故，消弧線圈接地的系統中同樣存在這個問題；二是諧波分量較大的時候，可能引起保護誤動或拒動，如零序三次諧波過大，可能引起接地保護誤動；三是計量和測量誤差，尤其對過零檢測相位的表計來說，更為嚴重。

2）諧波引起設備的附加損耗，降低效率。尤其是對電容器組的影響，隨著頻率的提高，其介質損耗會明顯增加；對輸電線路來說，由於諧波頻率高和趨膚效應的原因，線路電阻會增加，因而引起附件線損；同時變壓器和電機等，都會引起一定附加的銅耗和鐵損，產生局部過熱。

3）加速絕緣老化，很大縮短設備壽命。諧波作用下，絕緣老化物理過程明顯加劇，對電纜，電容器等危害很大。

4）可能產生局部的串聯或並聯諧振，並放大諧波水平。從而導致諧波支路中的設備因過電壓或過電流而損壞。如在電容器裝置中串接電抗率的電抗器後，可以對電網5次及以上諧波有抑制作用，但對5次以下諧波卻有放大作用。

5）諧波對通信系統的干擾。若諧波頻率接近載波頻率，電力線載波通信和遠動裝置信號傳輸會被一定程度干擾，此外通過電磁、靜電和傳導耦合途徑，也會對平行敷設的通信線路產生干擾。nn

控制措施：

電力諧波的抑制或減緩措施通常可分為預防性措施和補償性措施。

預防性措施：1) 供電設備如電容器、變壓器、發電機等在設計、製造、規劃、配置等方面採取減少諧波的措施；2) 通過增加整流器的脈動數或採用可控整流限制電力諧波的主要來源整流器的諧波。n

補償性措施：1) 濾波器的應用；2) 改變饋線參數，採用饋電線重構或電容器改變安裝位置等避免諧振。n

無源電力濾波器：

對於大容量的諧波濾除工程，往往採用若干組單調諧濾波器（或者雙調諧）與一組（或多組）高通濾波器配合使用的方案。

在濾波器參數初步確定後，濾波器參數的最終確定需結合濾波效果與無功功率補償要求等進行修正。n

無源濾波裝置是目前應用最為廣泛的諧波抑制手段，它是按照希望抑制的諧波次數專門量身製造的，但也存在著難以克服的缺陷：1、濾波特性受系統參數的影響較大，極易與系統或者其它濾波支路發生串並聯諧振。2、只能消除特定的幾次諧波，而對其他的某次諧波則會產生放大作用3、濾波、無功補償、調壓等要求之間有時難以協調4、諧波電流增大時，濾波器負擔隨之加重，可能造成濾波器過載，甚至損壞設備。5、有效材料消耗多，體積大。

有源濾波技術（APF）作為一種新型的諧波治理技術，與無源濾波技術相比，優勢主要表現在以下幾個方面：

實現動態補償，可對頻率和大小均變化的無功功率進行補償，響應速度快；
有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統阻抗不會產生影響，因此此類裝置適合系列化，規模化生產；
當電網結構發生變化時裝置受電網阻抗的影響不大，不存在諧振的危險；
補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需要的儲能元件不大；
用同一台裝置可同時補償多次諧波電流和非整數倍次的諧波電流；
當線路中的諧波電流突然增大時有源濾波器不會發生過載，並能正常發揮作用；
裝置可以僅輸出所需要補償的高次諧波電流，不輸出基波無功功率。

有源濾波和無源濾波由於各自優勢（無源成本低，有源成本高，動態補償效果好），很多場合是混合使用的。

五、電壓暫降

國標：《電能質量電壓暫降與短時中斷》(GB/T30137-2013)

電壓暫降：電壓暫降或下跌是指供電電壓有效值在短時間內突然下降又回升恢復的現象。在電網中這種現象的持續時間大多為0.1～1.5s。

電壓暫降屬於兩維的電磁擾動，即電壓跌落的大小（殘壓或暫降深度）和時間。

暫降發生過程：

一次故障可能出現多次電壓事件。以圖為例說明，n從一次短時間中斷和一次電壓暫降發展到二次短時間中斷和二次電壓暫降，直至長時供電中斷。

電壓暫降現象的起因：

1）引起電壓嚴重暫降的最主要原因是系統元件或n線路的故障。(雷電等惡劣天氣影響居多) 。特徵：暫降幅度大、近乎矩形曲線、持續時間短（即故障在線時間）。

2）引起電壓暫降的另一主要原因是重型負荷的啟n動。特徵：暫降幅度小、非規則矩形、持續時間長。

電壓暫降三特徵量：暫降幅值、持續時間和暫降頻次是標稱電壓暫降嚴重度的最重要的三個特徵量。

美國EPRI-DPQ電壓暫降統計調查分布結果

▲暫降幅值為0.7p.u－0.9p.un的電壓暫降佔70%。;

▲持續時間不超過1s的約佔90%，n不超過0.1s的約佔60%;

▲發生頻次平均低於0.7p.u.的n為18.422次/年，低於0.9p.u的為56.308次/年。

控制措施：1）採用電壓補償型裝置；2）在主受開關加裝失壓脫扣裝置；3）高壓供電安全防護牆。

經過實踐證明，對電壓暫降的有效治理，需從供電側和用電側同時考慮、分別治理，嚴格依據電能質量標準，針對不同用戶和設備特性，採取減少或消除電壓暫降衝擊的手段，以達到滿意的動態電能質量需求。