电能质量分析教案Word下载.docx

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电能质量＝供电质量＝电压质量＋供电可靠性。

其中供电可靠性包含系统的容量（储备满足供电需求的能力）和安全性（承受突发扰动的能力）。

而对于电压质量，国际上的IEC和IEEE给出了比较详细的定义。

IEC（1000-2-2/4）标准对电能质量是这样定义的：

电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。

最严重的电能质量问题是电压跌落和电压完全中断。

IEEE给出的电能质量问题的一般解释为：

在供电过程中导致电气设备出现误动作或故障损坏的任何异常现象。

针对过去对各种扰动引起的电能质量问题的提法不一，IEEE第22标准统筹委员和其它国际委员会推荐如下几种术语来描述主要的电能质量干扰。

电压跌落：

电压或电流有效值降至额定值的10%-90%，持续时间为0.5个周期至一分钟。

电压中断：

在一相或多相线路中完全失去电压（低于额定值的10%）一段时间。

持续时间0.5个周期至3s为瞬时中断;

持续时间3s至60s为暂时中断;

持续时间大于60s为持续中断。

电压上升：

电压或电流有效值升至额定值的110%以上，典型值为额定值的110%一180%，持续时间为0.5个周期至一分钟。

电压瞬变：

指在一定时间间隔内两个稳态量之间的变化。

电压瞬变可以是任意极性的单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。

过电压：

电压为额定值的110%一120%，持续时间大于1分钟。

欠电压：

电压为额定值的80%-90%，持续时间大于1分钟。

谐波：

频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流。

由电力系统中的装置和负载的非线性特性引起的波形畸变可分解为基波和谐波之和。

间谐波：

电压和电流的频率不是基波频率的整数倍。

间谐波主要由静止变频器、周波变频器、感应电机和电弧设备产生，电力载波信号也认为是一种间谐波。

电压缺口：

持续时间小于0.5个周期的周期性的电压扰动。

电压缺口主要是电力电子装置由一相换至另一相时参及换相的电路瞬时短路造成的，及电压缺口有关的频率分量很高，采用谐波分析仪测量可能是很困难的。

电压波动（闪变）：

电压波动（闪变）是指电压幅值在一定范围内有规律地或随机地变化。

其电压幅值的变化通常为额定值的90%-110%。

这种电压波动常称为电压闪变。

闪变一词是从电压的波动引起电灯的闪动得来的。

在输电和配电系统中电压闪变主要是由电弧炉引起的。

1、电压跌落

基本概念：

电压跌落是交流电力系统中最常见的一种电压质量干扰，要保证电能质量安全可靠，首先就要考虑电压跌落的问题。

电压跌落是电压短暂下降的一种电压波动现象，典型的电压跌落持续时间一个电压周期到一秒钟的时间，或者持续几十毫秒至几百毫秒。

持续时间小于半个电压周期的电压降低称为瞬时频率下降，持续时间过长（超过一分钟）的电压降低称为“欠电压”。

电压跌落波形图

电压跌落一般由于负荷的突然增加引起，例如线路的短路或故障、电机启动、或者电热器的开启等等。

或者由于电源阻抗的突然增加，代表性的原因就是线路连接不紧密。

电压跌落是最为常见的一种电能干扰现象，在典型工业企业中，其用户引入线上每年出现几次电压跌落是很寻常的事情，而在终端设备上出现电压跌落的次数要多得多。

电压跌落可能产生于电力线路上，但是主要的电压跌落产生在建筑内。

例如，在住宅线路中出现的电压跌落，通常是由于电冰箱或者空调的压缩机启动时产生的起始冲击电流。

电压跌落情况下的不同负荷系统之间的性能差别是十分明显的（城市及乡村、高空和地下），在新的电能质量等级规范中就不能不考虑这些重要因素的影响。

瞬时断路情况下的性能要求也是十分重要的内容，因为它是电力用户遇到的特殊问题，而且在可靠性评估中并没有考虑。

需要提醒的是，电压跌落必须是两个导体之间的电压干扰现象，因此一定是相间电压跌落或者是相及中线之间的电压跌落，而不存在单纯的A相电压跌落。

电压跌落的产生原因：

电力系统中存在非零阻抗，因此任何强度的电流增加都会引起相应的电压下降。

通常情况下这种因为电流增加而引起的电压下降很小，仍然保持正常的电压接受范围内。

但是，当遇到电流突然增量很大或者系统的阻抗很高的情况，电压下降就是很显著的了。

所以从原理上说，电压跌落有两个原因：

大电流增量和高系统阻抗。

而实际上，大多数的电压跌落都是由于电流增加引起的。

我们可以把电力系统形象地比喻成一个大树，敏感的负荷设备就挂在树的末梢上，树干或者树枝上的任何电压跌落都会引起末梢负荷的电压跌落。

而且在树枝上如果发生短路，就会使树干的电压下降，这就是导致即使是很远的地方发生了故障，也会使负荷处出现电压跌落。

通常电压跌落是由于用电设备而产生的，最常见的三种用电设备导致电压跌落是：

大负荷设备启动。

例如电动机或者电阻加热器，电机在其加速至额定转速的过程中会产生1.5—5倍于其额定电流的启动电流；

而电阻加热器在达到额定温度的升温过程中的电流是其额定电流的1.5倍。

配线松动或者缺陷。

例如在安装设备的时候及电源相联接的部分没有安装紧密，那么会造成接触阻抗的明显提高，这就是的电流变化产生的电压下降更为明显。

设备中某处发生故障或者短路。

虽然发生故障的线路会在短时间内被保险丝或者断路器切除，但是在切除之前的一段时间（大约几个周期到几秒钟）内，电压会受影响而下降。

电压跌落也可能是由电力设施产生，常见的类型有：

远端线路故障。

远端线路发生故障会影响到负荷，发生电压跌落扰动。

通常，这些故障会被线路中配置的“自动继电器”或者自动重合闸保护器切除，但是如果重合闸不成功，而在自动继电器切除线路后，会在1—5秒后自动重合闸，如果故障依然存在，自动继电器还要再次切除线路。

在这个过程中（1—5秒）会在负荷处产生一系列的电压跌落。

电力设施故障可能是相间故障，也可能是线对地故障或者相对中线故障，由负荷及故障点之间的变压器类型决定，负荷处可能出现不同水平的电压跌落。

在着手解决电压跌落带来的影响之前，搞清楚电压跌落的原因是十分重要的，如果采用了不当的措施，可能会使问题更为严重。

例如，当你配置了一台电池控制型UPS电源来补偿电压跌落，但是安装的时候没有分清楚把极性安装反了，那么不但不会有改善反而会加重电压跌落的程度。

多数情况下，正确的解决方法是通过调整设备而降低其对电压跌落的敏感性。

电压跌落对设备的造成的影响

为什么在交流系统中发生电压跌落干扰时设备会停止呢？

一共有五种原因，一种是显而易见的，而其它四中则不是很明显。

（1）电压不足：

这是一个显而易见的原因，电压跌落使得电压幅值过低，电源所提供的电能不能满足负荷设备的需求，所以负荷停止运行。

实际上，这个问题更为深奥一些。

在典型的敏感负荷中，AC交流电是要通过整流成为DC直流电，整流是通过电力电子开关使交流电变为脉冲直流，而且通过大电容使直流脉冲能够成为平缓直流波形输出给负荷。

当电压跌落严重时，整流电容不能输出平缓的电压波形，甚至出现断流，当电压跌落低于临界值的时候，负荷设备就不能工作了。

（2）低压保护电路误动作：

许多设备中都设有低压保护电路以监测交流电源电压是否满足运行要求，但是对于合格的电压大小的确定是很困难的。

例如，将负荷设备的合格电压定义为额定电压的90%—110%，但是当设备半负荷工作时，可能仅需70%额定电压就能正常工作，但是当电压跌落达到70%额定电压水平的时候，本来设备仍能正常运行，但是低压保护电路会动作切断电源，使设备停止运行。

（3）不平衡继电器误动作：

在三相交流系统中，电压跌落通常是不对称的（仅影响单相或两相）。

电动机和变压器受三相不对称电压的影响会因为过热而损坏，因此会安装不平衡继电器以保护设备。

但是电压跌落的产生的不对称电压持续时间很短（20%—50%不平衡持续1—2秒），并不会使电动机和变压器产生过热现象，因此并不会损坏设备。

如果不平衡继电器的动作时间过短，就会因为电压跌落产生的电压不平衡而动作，切除线路，使设备停止运行。

（4）快速响应继电器误动作：

在EMO（emergencyoff）紧急关断电路中通常是由一个快速响应继电器控制着紧急关断开关，但是当出现电压跌落时，快速响应继电器可能会把电压跌落脉冲误认为是开关动作控制信号，从而EMO电路工作，使电源被切除，设备停止运行。

（5）复位电路误动作：

这是电压跌落造成的影响中最难被注意到的，许多电子设备都设有复位电路，以保证在设备启动时正确的初始化，而复位电路工作的控制信号通常是一个很陡的尖峰脉冲电压。

当发生电压跌落，在电压水平恢复标准幅值时，会有一个电压幅值突然增加的过程，而复位电路可能会把这个“电压脉冲”误认为是复位信号，从而使整个电子设备重启复位，造成负荷设备停止运行。

如何提高电压跌落抗扰度：

从理论上讲，可以按照下面的方法来提高负荷对电压跌落的抗扰度，但是对于实际的设备而言，应该针对具体问题寻求最合适的解决方法，这里我们仅仅提出一些概念性的方法。

首先，确定电压跌落的原因，前面已经提到过，这是解决问题最根本的一个环节。

装设电能质量继电器，当监测到电压跌落时，继电器会进行电压补偿使负荷设备继续运行。

更改电源设置，通过对电源供电方案的调整，提高符合设备对电压跌落的抗扰度。

单相供电时用线电压取代相电压，会显著提高电压跌落裕量，保证负荷运转。

减小负荷总量，或者增加供电容量。

尽量采用三相电源取代单相电源。

直接从直流网获得电能。

调整继电器的动作时间和动作信号敏感度，尽量避免由于继电设备在电压跌落时的误动作导致设备停止运行。

上面这些方法针对不同的情况有所不同，而且每一种方法都有一定的负面影响，比如对负荷的调整、资金的投入、占地面积增加、受多相电压跌落影响、对电压上升的保护裕度减小、继电器工作灵敏性下降等等。

因此，在解决实际问题时，要根据不同的情况来制定不同的解决方案，才能真正提高负荷对电压跌落的抗扰度。

2、电压上升

电压上升是和电压跌落相对应的一种电压干扰，它典型的持续时间及电压跌落是相同的，一般上升幅度约达到额定电压的110%—180%。

长时间的电压升高称之为“过电压”。

电压上升波形图

电压上升产生的原因及电压跌落正好相反，是由于负荷的突然撤出（同时电压调整器工作不可靠）造成的，也可能是由于三相系统的中线连接不紧密造成的。

电压上升并没有电压跌落那么常见，而其解决办法也和电压跌落相应，通常针对电压跌落和电压上升的解决方案是一体的，即可以同时提高负荷设备对电压跌落和电压升高的抗扰度。

短时过电压：

短时过电压是出现在交流系统中的短时间的高频电压升高干扰现象。

一般来说，短时过电压有两种形式。

一种是低频的过电压，其过电压成分频率大约有几百Hz，产生的主要原因是由于电容器的开关。

另一种是高频过电压，其过电压成分约为几百KHz，主要来源是雷电感应过电压。

一般我们把低频过电压称为“电容器操作过电压”，而把高频过电压称为“冲击”、“尖峰”、“浪涌”。

电容器操作过电压波形图

低频的短时过电压是由于功率因数补偿电容器通过线路放电而产生的，电容器及配电网中的电感产生谐振，频率大约为400Hz—600Hz，从而产生一个指数规律衰减的振荡过电压，这个过电压的波形理论上不会达到正常值的两倍，一般实际中约为正弦电压峰值的120%—140%。

但是在一些特殊的线路中，这种过电压会因为其它功率因数补偿电容的存在而倍增。

高频的短时过电压是由于雷电感应和感性负载的切除引起的，典型的电压上升过程约为1ms，衰减过程约为几十到几百ms，通常也为指数衰减，振荡频率约为100KHz，及低压电力系统的LC等值模型相符合。

一般在终端用户处的过电压约有几百上千伏，可能出现数千安的冲击电流。

3、谐波

电力系统的工频电源主要为发电厂中的同步发电机，由于采取了一系列削弱高次谐波的措施，其产生的谐波电势极为微小，及日益增长的系统谐波水平相比，可以忽略不计。

因此可以认为电力系统的电源是频率为工频。

波形为正弦波、三相对称的电压源，是系统中一切工频电能（电功率）的来源。

谐波产生的根本原因是系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加电压及产生电流不成线性关系，而造成的波形畸变，当系统的正弦波形电压施加其上时，产生的电流为非正弦波，波形的畸变，产生了谐波。

谐波有三种分类方法:

一是按谐波次数的奇偶性来分，有奇次谐波（3,5,7…次谐波）及偶次谐波（2,4,6-二次谐波）;

二是按谐波的频率大小来分，如频率为基波频率的2倍称为二次谐波，频率为基波频率的3倍称为3次谐波，……;

三是按谐波的序列来分，有正序谐波、零序谐波及负序谐波。

一个非正弦、周期性的电压或电流，用付里叶级数的方法分解，得到频率及原波形工频相同的正弦波分量称为基波，而频率为基波频率整数倍的正弦波分量称为谐波。

随着电力电子技术的飞速发展，各种新型用电设备越来越多地问世和使用，高次谐波的影响越来越严重。

电力系统受到谐波污染后，轻则影响系统的运行效率，重则损坏设备以至危害电力系统的安全运行。

以前，电力系统考核电能质量的主要指标是电压的幅值和频率，现在世界各国都把电网电压正谐波形畸变率极限值作为电能质量考核指标之一，研究和分析谐波产生的原因、危害和抑制谐波的措施具有重要的实际意义。

谐波产生的原因：

一方面，可控硅整流装置和调压装置等的广泛使用，晶闸管在大量家用电器中的普通采用以及各种非线性负荷的增加导致波形畸变。

另一方面是由于设备设计思想的改变。

过去倾向于采用在额定情况以下工作或裕量较大的设计。

现在为了竞争，对电工设备倾向于采用在临界情况下的设计。

例如有些设计为了节省材料使磁性材料工作在磁化曲线的深饱和区段，而在这些区段内运行会导致激磁材料波形严重畸变。

造成系经正弦波形的畸变，产生高次谐波的设备和负荷，称为谐波源。

一切非线性的设备和负荷都是谐波源。

谐波源的非线特性主要有三大类：

铁磁饱和型：

如变压器、电抗器等铁芯设备的激磁电流，波形及横轴成镜对称，主要谐波为3、5、7次。

电子开关型：

如整流器、逆变器等各种电力电子设备，其交流侧电流波形呈开关切合和换向特性，特征谐波及脉动数p有关。

电弧型：

如电弧炉，其谐波电流具有很大的随机性，主要谐波为2、3、4、5、7次。

电力系统谐波问题日益严重的主要原因：

电力电子设备及其新技术在化工、冶金、矿山、电气化铁道等工矿企业中广泛采用，使得非线性负荷大量增加，以及各种家用电器的普遍使用，形成遍及整个电网的用户谐波源，从电网的各个供电点向系统注入大量谐波；

为了节省原材料，铁芯设备的工作点深入包和区，引起谐波增加；

电弧炉用户的增多及其容量增大。

可见，由于非线性用户的不断增多和容量增大，使系统谐波水平日益上升，成为相当严重的问题。

谐波电流源：

系统电压基本不变，谐波源负荷通过向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特性决定了电流波形的畸变，其产生的谐波电流及基波电流具有一定的比例，因此非线性负荷为谐波电流源，向系统注入一定量的谐波电流。

谐波电流源在电力系统中一般可按恒流源对待。

谐波电压：

谐波源注入系统的谐波电流，在系统阻抗上产生相应的谐波压降，便形成系统内部的谐波电压，使原有的正弦波电压产生畸变。

谐波的主要危害和影响：

使旋转电机转子铁芯及定子绕级产生谐波附加损耗，引起发热，并使机组产生振动和噪声。

对于同步发电机，流入定子绕组的谐波电流，将使转子铁芯、套箍、槽锲（汽轮发电机）以及转子上的阻尼绕组（水轮发电机）产生局部过热而损坏。

对于异步电动机，谐波电流使定子绕组产生附加铜损耗，形成过热而烧毁：

使变压器和线路产生谐波附加损耗一引起网损增大（谐波网损）。

还引起变压器的振动和噪声。

在发生系统谐波谐振或谐波放大的情况下，谐波网损可以达到相当大的程度。

在系统电容和电感的配合下，对于注入相应于其谐振频率的谐波所激励，产生谐波谐振和谐波放大，从而引起电容补偿装置中的电容器和串联电抗损坏，也会使电力电缆击穿，以及如干扰保护，增大网损等。

电子计算机会由于谐波干扰发生失真;

工业电子设备功能会因其被破坏。

对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作，造成电能计量的误差。

谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路产生干扰影响。

谐波的描述：

总谐波扭曲度（THD）是用来描述谐波影响大小的一个参数。

它是所有谐波累加的电压电流有效值。

它由可以由基波的有效值表示，也可以用各次谐波总的有效值表示。

两种定义方法都有道理，而且在谐波干扰不太严重的情况下，两种定义方法得到的数值基本上相同。

但是处于这样或那样的原因，很多专家反对采用THD作为衡量谐波程度的标准。

其它的一些方式例如TDD（IEEE519）或者电压电流定义法更为直观也更有道理。

如下图中，我们可以清楚地看出特定的谐波的电流的大小。

谐波的解决办法：

在电力系统中完全的消除谐波是不可能的，但是我们可以尽量削弱和抑制谐波的影响。

主要有三个解决思路：

降低谐波源的谐波含量。

这种方法比较积极，它在谐波源上采取措施，尽量避免谐波的产生，能有效提高电能质量。

具体的方法有例如：

增加整流器脉动数、PWM调制、变压器采用Y-d或D-y接法。

在谐波源处吸收谐波电流。

这是电力系统中应用最为广泛的一种谐波解决办法。

具体方法可有：

设置无源滤波器、有源滤波器，防止并联电容器组对谐波放大，加装静止无功补偿装置等。

改善用电环境。

选择合理的供电电压，并且尽量保持三相电压平衡，谐波源由单一的较大容量电源专线供电，可以提高系统的谐波承受能力，也能够减小谐波源的影响，还可以集中抑制和消除高次谐波。

4、电压波动

电压波动描述的是长期的电压变化，不包括前面提到的电压跌落和上升。

根据电压波动及闪变的国家标准GB12326-2000（参考国际电工委员会电磁兼容标准IEC61000-3-7制定），电压波动是指每半个基波电压周期均方根值的一系列变动或连续的改变。

其每一次改变称作电压变动，以标称基波电压的百分比表示。

衡量电压变动的量是幅度和频度（指每秒、每分钟或每小时电压变动的次数），频度在数值上是频率的2倍。

目前各个国家和协会，甚至不同电网之间，都有不同的电压波动允许范围，对于不同的规定和标准可以查阅相关的资料。

5、闪变

电压闪变是一个很特殊的电能质量问题，它是由于电压波动造成的，但是它及人的敏感程度有关系。

闪变是人对光线照度波动的主观视感，即人的视觉所觉察到的由电压波动引起的光线变化。

IEC以试验观察者50%闪变觉察率作为瞬时闪变的衡量单位。

闪变较为敏感的频率范围大约在6-12Hz，并及波形有关。

这样，闪变值应理解为一定频率、波形及强度这3种要素支配的电压变动水平的综合评估，并用持续一段时间的统计结果表示。

闪变的危害：

电压波动常会引起许多电工设备不能正常工作。

因为白炽灯的功率及电源电压二次方成比例，影响最大，如果电压波动的大小不足以引起白炽灯闪变，则可以肯定不会使电视和日光灯等工作异常。

为此，选择白炽灯的工况作为判断电压波动值是否被接受的依据。

因为闪变是人对照度波动的主观视感。

闪变影响电气设备，例如：

0.1V·

s的电压方均根值变动会使生产的精密产品质量受到损失；

电视机或监视器画面闪烁、抖动；

电动机转速不均匀，影响电机寿命和产品质量等。

闪变的描述：

根据IEC的闪变试验规则，我国的国标也提出了对闪变的描述方法，目前较为统一的方法就是采用IEC的闪变电压限值曲线，如下图：

IEC闪变电压限值曲线

它规定了在一定频率下，电压波动程度及闪变的关系，超过这个限值，人就会明显的感到灯光的闪烁。

对于电压闪变的等级并没有在IEEE的标准中特别的指出，针对单个的设备一般采用及上面类似的曲线图来控制其电压闪变的指导方针。

电压闪变的等级在IEC的标准中采用两个参量来衡量。

Pst是一个描述电压波动造成电压闪变可能性的参量，通过10分钟以上时间的测量得出。

Pst＝1.0表示人们有50%的可能性感觉到一个60W的白炽灯泡发生电压闪变。

Plt是由两个小时的Pst值综合而来。

IEEE采用了同样的方法来描述电压闪变（IEEE1453）。

IEC61000-2-2详细地指出了电压闪变的兼容性标准：

短时间的电压闪变等级为（Pst）1.0。

长时间的电压闪变等级为（Plt）0.8。

目前，国际公认并不需要严格的保证电压闪变水平在上面的要求范围内，例如EN50160就提出了较为宽松的标准。

而且在实际中不同的操作会产生不同的电压波动，而闪变水平很难统一规定。

因此目前IEC、IEEE、EN50160等均提出了针对不同具体情况的电压闪变兼容性要求。

闪变的解决办法：

目前，大部分用于改善和提高电能质量的补偿装置都具有抑制电压波动及闪变的功能如静止无功补偿器（SVC），有源滤波器（APF），动态电压恢复器（DVR），以及配电系统电能质量统一控制器（DS-UniCon）等。

静止无功补偿器（SVC）。

在高电压或中压配电网中，电压波动主要及无功负荷的变化量以及电网的短路容量有关。

在电网短路容量一定的情况下，电压闪变主要是由于无功负荷的剧烈变动所致，因此对于电压闪变的抑制，最常用方法是安装静止无功补偿装置，目前这方面技术已相当成熟。

有源电力滤波器（APF）。

要抑制电压闪变，必须在负荷电流急剧波动的情况下，跟随负荷变化实时补偿无功电流。

近年来采用电力晶体管（GTR）和可关断晶闸管（GTO）及脉宽调制（PWM）技术等构成的有源滤波器，可对负荷电流作实时补偿。

动态电压恢复器（DVR）。

在中低压配电网中，由于R及X相差不大，有功功率的快速波动同样会导致电压区变，这就要求补偿装置在抑制电压波动及闪变时除了进行无功功率补偿使供电线路无功功率波动减小外，还得提供瞬时有功功率补偿。

因而传统的无功补偿方法不能有效的改善这类电能质量问题，只