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电能质量问题的研究
电能质量问题的研究
一.电能质量问题的新特点
电能是一种清洁,高效,易使用的能源形式,是社会经济快速发展的重要物质保证,是
各种高新技术尤其是信息技术有效应用的根本前提。
近年来,各电力用户对电能质量的要求也越来越高,对电能应用过程中出现的各种质量问题越来越重视。
这是因为:
一方面,现代化生产过程中所使用的各种先进设备对供电质量敏感度不断增加。
传统的许多机电设备在供电电压幅值相对较大的变化范围内也确实都能正常地工作。
但现代社会生产中广泛应用的各种自动化生产线,以微处理器为核心构成的各种电气设备,精密加工工业,机器人等先进技术,它们的正常运行取决于高质量的供电。
一旦出现电能质量问题,轻则造成设备故障,重则造成整个系统的损坏,由此带来的损失是难以估量的。
另一方面,大量以提高生产效率,减小环境污染而采用电力电子技术的现代化设备正成为主要的电能质量问题的来源。
以电气化铁路牵引式负荷为例,它属于整流负荷,是典型的谐波源;采用工频单相式交流供电,是典型的负序源;同时又具有波动性和不确定性,是典型的波动源和闪变源。
另外普通用户中集中大量使用的开关式电源,公共照明系统中荧光照明负荷正逐渐成为配电系统中主要的谐波源和波动源。
可以说,在这些新技术成功解决实际生活环境中“看得见”的污染问题的同时,造成了电力系统中“看不见”的污染问题。
污染问题不是得到根本解决,而是进行了形式上的转换。
第三,随着市场经济在我国的逐步建立,人们认识到电能也是一种商品,而商品质量决定了商品在生产交换中的价值因素,为了提高竞争力,适应电力市场发展的要求,提供高质量的电能是必然趋势。
随着对电能质量问题研究的不断深入,人们发现电能质量问题正呈现如下几个新的特点:
1.电能质量问题的主要来源发生了较大的变动
以前的电能质量问题主要来源于系统侧,包括系统正常运行状态改变,如电源投入,有计划的无功补偿电容器组的投入/切除,大型电动机启动等;非正常的系统状态改变如系统元件故障,人员误操作等将给系统带来较大的冲击;自然环境中的雷击,大风和雨雪天气也会造成相应的电能质量问题。
而近年来,用户端大量非线性负荷的应用正成为电能质量恶化的重要因素。
例如低压小容量家用电器到高压大容量的工业交直流变换装置中存在的各种静止变流器,它是以开关方式工作的,会引起电网电流、电压波形的畸变。
大型电弧式设备,如电弧熔炉,弧焊设备等,也成为重要的冲击源和谐波源。
一个值得注意的问题是为了减少重要设备对电能质量问题的敏感度,设备制造商努力进行设备的升级和改进,用户则采用各种保护性装置,而这些改进措施和保护装置通常将对电能质量造成更大的危害。
可以说用户负荷正成为电能质量问题尤其是各种新的电能质量问题的主要来源。
2.电能质量问题的形式发生了较大的改变
通常的电能质量问题如谐波,三相不对称等继续存在,而且严重性正在增加。
值得注意的是近年来人们逐步将传统的如供电中断,电压长时间偏高或偏低等归入供电质量问题,从狭义上讲已不属于电能质量问题。
现在人们更多关注的是所谓动态电能质量问题,如持续
图1几种动态电能质量问题的示意图波形时间为周波级的动态电压升高(Swells),
脉冲(Impulses),电压跌落(Sags)和瞬时供电中断(MomentaryInterruptions)等。
几种常见的动态电能质量问题波形见图1。
这些都是近年来随着社会信息化的日益广泛而逐渐暴露出来的新的电能质量问题形式。
而且这些电能质量问题出现的次数已经超过了供电质量问题,一项针对苏格兰某地区用户反映的供电质量和电能质量问题所作的统计如图2所示。
该图表明了电压跌落出现的次数在所有因素中处于第三位,仅次于供电中断,而在电能质量问题中处于第一位。
对这些动态电能质量问题的研究还刚刚开始,如何界定这些问题,用什么样的特征进行描述,如何制定相应指标进行评估都还没有成熟的方法。
这些都值得相关人员的进一步深入研究。
图2供电质量和电能质量问题出现次数(相对比例)
3.电能质量问题造成的危害越来越大
电能质量问题造成的危害是多方面的。
电能质量问题给电力系统的安全稳定运行造成很
大的影响,例如电铁牵引负荷产生的谐波和负序分量造成相差高频保护和负序电流保护装置误动作,引起系统解列运行,造成无功补偿电容器组不能安全投入运行,其波动性造成的小容量电网频率波动范围异常,都降低了系统运行稳定性。
各种新出现的电能质量问题也给用户带来巨大经济损失,电压跌落和瞬时供电中断已被认知是影响许多用电设备正常、安全运行的最严重动态电能质量问题。
谐波问题造成的变压器,感应电机等重要设备寿命的缩短,三相电流不对称造成的中线烧毁而导致用户设备损坏的事件也时有报道。
在现代工业中,由于任一设备的作业中断都将可能导致整个流水线、甚至全厂作业的中断,造成的损失非常巨大,因此工业用户对供电质量的要求比其中单个敏感用电设备更高。
在竞争日益激烈的市场经济中,因意外的作业中断而不能按期交货导致商家的信誉度下降无疑也是巨大的隐形损失,因此电压质量问题所造成的实际经济损失远大于所能计算出的直接损失。
因此动态电能质量问题已成为目前影响供电可靠性的主要干扰,这是信息化社会供电质量问题不同于以往任何时代的主要特征。
如何改善动态电能质量问题将是提高供电质量至一个全新水平的问题关键。
二.各种电能质量问题造成的危害分析
根据对各种情况的综合分析,IEEE列出了11种主要的电能质量问题:
●断电(Interruptions):
在一定时间内,一相或多相完全失去电压(低于;暂时断电‐3s至60s;持续断电‐>60s。
●频率偏差(FrequencyDeviations)
各国均已作出具体规定。
●电压下跌(Sags):
持续时间为0.5周波~1min,幅值为,系统频率仍为标称值。
●电压上升(Swells):
电压(或电流)暂时性超过标称值10%者称为电压上升。
系统频率仍为标称值。
持续时间为0.5周波~1min,幅值为
●瞬时脉冲或突波(Transients):
瞬时脉冲表示了在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的现象或数量变化。
瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲,也可以是发生在任一极性的阻尼振荡波第一个尖峰。
●电压波动(VoltageFluctuations):
电压波动是在包络线内的电压的有规则变动,或是幅值通常不超出
●电压切痕(Notches):
电压切痕是一种持续时间小于0.5周波的周期性电压扰动。
电压切痕主要由于电力电子装置在有关两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相而产生的。
电压切痕的频率会非常高,因此用常规的谐波分析设备是很难测量出电压切痕的。
这就是过去从未有过此项电压扰动内容,直到最近才正式列入的原因。
●谐波(Harmonics):
含有基波整倍数频率的正弦波电压或电流称为谐波。
产生畸变后的波形可分解为基波和许多谐波之和。
谐波是由于电力系统和电力负荷中设备的非线性特性造成的。
谐波有奇次(又可分为3的倍数和非3的倍数)和偶次之分。
随着用电装置对谐波敏感性的日益增加,高次谐波越来越受到注意并规定了限额。
●间谐波(Interharmonics):
含有基波的非整倍数频率的电压或电流称为间谐波。
小于基波频率的分数谐波(fractionalharmonics)亦属于此类。
●过电压(Overvoltages):
过电压是指电压幅值超过标称电压且持续时间大于1min。
过电压的幅值为
●欠电压(Undervoltages):
欠电压是指电压幅值小于标称电压且持续时间大于1min。
欠电压的幅值为
以下是对一些危害较大的动态电能质量问题进行危害分析。
1.电压跌落和瞬时供电中断
雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电是造成系统电压跌落或供电中断的主要原因之一。
由于电力系统暴露在大自然中,在雷雨季节的多雷地区,极易受到雷击干扰。
据文献介绍,因雷击而引起的电压跌落次数有的约占总次数的60%,并且持续时间一般超过5个周波,所以在方圆几千平方公里内的任意处的雷击都将会影响该区域内的任一敏感负荷的正常、安全运行。
系统故障是引起电压跌落和供电中断的又一主要原因之一。
目前配电系统中的线路主保护是电流保护,该保护最大的缺陷是线路中相当大部分区域上的故障不能无延时地予以切除;此外即使无延时保护,从监测到故障到断路器开断故障,目前最快也需要3~6个周波[7],因此在故障期间,当在故障线路及其附近线路上接有敏感负荷时,将会因电压跌落而被跳闸退出工作。
另外,当保护动作后伴随着重合闸时,由此而引起的电压跌落次数将成倍数增加,并且规定时间间隔的连续跳闸是造成瞬时供电中断的主要因素之一。
表1是在某工厂供电端测得的1年内所发生的电压跌落统计结果。
可知大部分的电压跌落幅值都低于(20%~30%)的额定值。
表1电压跌落幅值及其发生概率(以额定电压=100%为标准)
电压跌落幅值
0%~10%
10%~20%
20%~30%
30%~40%
40%~50%
>50%
发生的概率
44%
34%
10%
10%
2%
0%
电压跌落对现代社会应用较广泛的电子类设备的影响的各种结果汇总于表2。
表2电压跌落对一些设备的影响(以电压额定值=100%为标准)
设备名
电压跌落造成的影响结果
制冷电子控制器
当电压低于80%时,控制器动作将制冷电机切除,导致巨大生产损失。
某公司芯片测试仪
当电压低于85%时,芯片被毁,测试仪停止工作,其内部电子电路主板故障。
可编程控制器(PLC)
早期的产品,当电压低于10%时,仍能持续工作15个周波;新版产品,当电压低于(50~60)%时,PLC停止工作;而2年后的另一篇文献[8]介绍,当电压低于81%时,PLC停止工作;一些I/O设备,当电压低于90%、持续时间仅几个周波,就会被切除。
精密机械工具
由机器人控制对金属部件进行钻、切割等精密加工的机械工具,为保证产品质量和安全,工作电压槛值一般设为90%,当电压低于此值、持续时间超过2~3个周波时,被跳闸。
直流电机
当电压低于80%时,直流电机被跳闸,每次损失数量级达1万美元。
调速电机(VSD)
当电压低于70%,持续时间超过6个周波时,VSD被切除。
而对于一些精细加工业中的电机,当电压低于90%、持续时间超过3个周波时,电机就会被跳闸而退出运行。
交流接触器
有的研究表明当电压低于50%、持续时间超过1个周波,接触器就会脱扣,
而有的研究表明当电压低于70%、甚至更高,接触器就会脱扣。
计算机
当电压低于60%,持续时间超过12个周波时,计算工作将受到影响,如数据丢失。
由此可知,电压跌落已成为影响许多设备、尤其是电子类设备正常工作的严重干扰,而且不同类型、甚至同类型但不同品牌的用电设备对电压跌落的敏感度差异很大,这表明电压跌落所造成的危害与设备自身的特性以及用户的要求密切相关,因此如何消除或抑制电压跌落的影响,需要供电方、设备制造方以及用户的协力合作,共同解决。
图3表明了瞬时供电中断对UPS输出造成的影响。
其中左图为输入电压,右图为UPS的输出电压。
图3瞬时供电中断对UPS输出造成的影响
表3是就电压跌落对几家大型敏感工业用户造成危害的调查结果。
表3电压跌落对大型敏感工业用户造成的危害(以电压额定值=100%为标准)
事例名
主要的敏感工序
跌落幅值持续时间
发生频次
原因
造成的危害
OrianRugsCompany,
USA
拉丝制纱、
自动纺织
40%,30个周波左右
约每月2次
系统干扰
当电压低于90%时,工厂的馈线跳闸,造成作业中断
BonlacFoods,
Australia
制奶粉工序
每年20~27次
系统故障
电压低于90%时,催干电机被跳闸。
每次启动需很长时间,导致未来得及处理的鲜牛奶变质。
Caledonian
Paper,UK
由23台调速电机共同完成的造纸工序
60%,约200ms
每年约30次
雷击
电压低于90%,电机被跳闸,每次作业中断,光生产损失就超过140,000英镑。
由此可知,当电压低于90%时,各用户作业都将中断。
另外,电压跌落对信息业的影响也很大,据估计80%服务器出现瘫痪以及用户端45%左右数据丢失和“出错”均与此有关。
图4是电压跌落对各行业造成的损失数量等级图,图中$M=1百万美元。
此外,据介绍,因电压跌落而引起的事故次数大约是因完全供电中断而引起的事故次数的10倍。
目前比较有效的抑制电压跌落和瞬时供电中断的措施是安装动态电压恢复器(DVR)和不间断电源(UPS)。
图4每次电压跌落对不同用户造成的损失数量级
2.间谐波与谐波
谐波主要是由于用电设备的非线性特性所造成。
例如各种电力电子设备,IT行业和办公
设备中大量使用的开关式电源(SMPS),电弧式负荷包括电弧熔炉,弧焊设备。
公共照明系统中大量使用的荧光灯负荷等等。
图5为典型的计算机负荷的负荷特性。
可见该类设备呈现出非常明显的非线性特性,电流畸变情况非常严重,包含了大量的谐波成份。
将畸变的非正弦信号分解为各谐波成份的工具是傅立叶变换。
通常的分析表明各谐波成份呈现如下特性:
●偶次谐波,如2,4次谐波等。
将造成畸变的波形在正负半周内波形不对称。
●奇次谐波,如5,7次谐波等不改变畸变波形在正负半周内的对称性。
●通常的线电流中不包括3,9次等3的倍数次谐波。
但在有中线的系统中中线流过大量这类谐波。
●谐波通常造成很高的波形因数(crestfactors)。
波形因数是波形峰值与有效值的比值。
过高的波形因数将造成变压器必须以低于额定容量的方式工作。
近年来,由于静止变频器(staticfrequencyconverter)、循环换流器(cycloconverter)、感应电动机和电弧发生装置的使用,产生了所谓次谐波和间谐波现象,这两类谐波也会对各种设备的安全稳定运行很大的威胁,但目前对这方面的机理分析还不够。
文献对感应式电动机使用寿命缩短的原因进行了调查分析。
调查的对象是额定电压460V,额定工作频率60HZ,四极,绝缘等级为F,预计使用寿命为20年的鼠笼式感应电动机。
额定容量分别为2,10,30,100和200马力(hp),工作情况为在环境温度30℃,带75%额定负荷的连续运行。
图6表明了100马力的电动机因谐波和电压不平衡所造成的使用寿命减小的情况。
其中P表示正序,N表示负序。
由图可以看出,次谐波对电动机造成的损害远远大于通常的3,5次谐波,当0.1次间谐波的含量仅为0.25%时,
图5计算机负荷的负荷特性电动机使用寿命将降低17%,而5次谐波含量为
6%时也将会造成同样的果。
同样还可以看出,同次的正序和负序谐波对使用寿命造成的影响大致相同,正序谐波的影响略大于负序谐波。
图6间谐波和谐波对电动机使用寿命造成的影响
在进行经济分析的基础上得出了因电压不平衡和谐波所造成的电动机寿命缩短带来的经济损失,如图7所示。
通过对全美国使用电动机容量和数量的统计以及结合上述分析,得出结论是在电压不平衡率小于2%,总谐波畸变率最高为5%时,因电动机使用寿命缩短而给全美国带来的经济损失每年约为1.8亿美元。
在现代化的建筑中,计算机设备,办公设备,各种家用电器的大量使用所造成的谐波问题越来越严重,因而引起了一系列安全性方面的问题。
引起了供电部门,建筑商和普通用户高度的重视。
表4是记录到的某建筑负荷三相以及中线电流,该建筑使用1200KVA的变压器供电。
中线电流远远超过了三相电流。
表5是由于谐波问题可能对现代化建筑造成的影响的一个汇总。
图7电动机因电压不平衡与谐波造成的经济损失
表4某建筑三相和中线电流以及各次谐波含量
1200KVAA相电流B相电流C相电流中线电流
变压器1084A1131A947A1408A
奇次谐波含量%偶次谐波含量%
01100021.8
0360.8043.0
0533.7062.4
0716.9081.2
总谐波畸变率:
63.6%
表5现代化建筑中谐波问题可能造成的影响
影响对象
后果分析
波形因数
波形因数能够达到5以上,造成断路器误动作
电压波峰
使电压波形的峰值处变平,使依赖电压峰值工作的设备失效
中线电流
中线电流增大,使得中性点对地电压升高造成共模电压噪声;负荷处电压下降;中线线电抗损坏;循环电流流经变压器
升压母线系统
大量三次谐波电流流经升压母线系统的中线电抗,引起连接处和电缆端接处振动松脱;中线断开会使设备因过电压而损坏
供电变压器
铜耗增加;涡流损耗增加;变压器降容量使用
保护系统
造成剩余型接地短路保护误动作;保险丝不正确熔断
电缆
由于“趋肤效应”和“临近效应”必须使用更大额定值的电缆
功率因数
功率因数降低,必须增大供电变压器容量
计算机
屏幕闪烁,损坏视力和人体健康
其它
安装各种改善设备而占用建筑空间
目前,谐波问题已经成为出现范围最广,危害非常严重的电能质量问题,同时在解决方面存在一定的复杂性,因谐波问题大多是由用户负荷所造成的,如何在处理过程中平衡各方面的投入,如何更有效地实施谐波抑制标准还没有一个有效的方法。
目前抑制谐波最常用的设备是有源电力滤波器(APF),传统的LC滤波器也在一定范围内发挥作用。
3.电压波动与闪变
波动与闪变的出现是供电系统的特性所造成的,任何负荷的改变都会引起电压波动。
波动与闪变主要是由于负荷在0.01S到数十秒的时间内重复变动,或者是由于偶然的暂态过程,如电动机启动所造成的。
如果这类负荷容量较大将足以通过公共阻抗引起同一公共连接点(PCC)处的电压波动与闪变。
大型炼钢厂的电弧熔炉,大型采矿转绕电动机,其工作具有不确定性和重复性,是主要的波动与闪变来源。
用户负荷的如空调,热力泵等的反复启停也会带来相应影响。
波动与闪变的主要危害是损害人体的健康和感观功能。
因波动和闪变造成的白炽灯发光的不稳定,计算机显示屏闪烁将对人体视力造成的影响。
高保真音响在电压波动和闪变时会对人体听觉产生损害。
通常人对照明变化需要有一定的视觉暂留时间,高于或低于某一段频率的照明变化,普通人便察觉不到。
图8为人视觉的敏感度曲线。
图8人体视觉敏感度曲线
由此可知,人体能感觉到的照明灯光变化频率在1~25HZ范围内(阀值为1),最敏感的频率为10HZ左右。
交流系统中的谐振和系统谐振与系统谐波之间的拍频现象会引起上述范围内的频率波动。
如系统谐振产生的265HZ的间谐波会与系统中的5次谐波(250HZ)发生拍频,从而产生15HZ的频率波动。
电压闪变与电压波动有着直接的关系,但由于引起闪变的某些量值难以量化,而且它还需要对电压波动(调幅波)频谱分析度进行统计,因此对闪变的计算远远比计算电压波动要复杂得多。
到目前为止还没有准确计算闪变的公式,对闪变造成的危害还涉及人脑和眼睛对闪变的响应特性分析。
这方面还需要进行更深入的研究。
三.电能质量问题研究的主要领域
电能质量控制是一个复杂的系统工程,主要涉及电力系统、电工理论、电力电子技术、自动控制理论等学科,也包括电源畸变、不平衡的功率理论,电能质量的实时检测与控制等技术,还与国家政策和管理机制相关。
1.电能质量标准制定的研究
由于电能质量问题越来越严重以及造成的损失越来越大,各国政府和国际化组织对电能质量问题越来越重视,相继制定颁布了一系列标准。
包括了从电能质量的定义,所适用的功率理论的扩展,到电能质量评价指标体系的建立,从全国性的电能质量普查,监测到用户终端电气环境的定义。
同时对电能质量的主要扰动形式,以及解决电能质量问题的规定步骤等都做了详细的规定。
国际电工委员会(IEC),国际大电网会议(CIGER),电气和电子工程师协会(IEEE)等国际组织都有专门的工作组在不断研究和完善电能质量标准。
并公布了一些研究成果。
如IEC第77委员会的61000系列标准。
1992年7月欧洲电工标准化委员会(CENELEC)正式颁布《公用配电系统供电特性》文件(CENELECCLC/BTTF68‐6(sec)15),作为欧洲共同市场对电能质量的统一标准,并已为国际电工委员会(IEC)采用。
在我国,自八十年代初开始,国家技术监督局将制定国家电能质量系列标准列为重点项目,至今共制定并颁布了五个有关的系列标准,表6介绍了一些有关国标的内容。
表6电能质量国家标准摘要
标准编号
标准名称
允许限值
简要说明
GB12325‐90
供电电压允许偏差
①35kV及以上为正负偏差绝对值之和不超过10%;
②10kV及以下三相供电为±7%;
③220V单相供电为+7%,‐10%。
衡量点为供用电产权分界处或电能计量点。
GB12326‐90
电压允许
波动和闪变
电压波动
①10kV及以下2.5%;
②35~110kV2%;
③220kV及以上1.6%。
闪变ΔV10
①要求较高的照明0.4%(推荐值);
②一般照明负荷0.6%(推荐值)。
①衡量点为电网公共连接点(PCC),取实测95%概率值;
②给出闪变电压限值和频度的关系曲线,可以根据电压波动曲线查得允许值,并给出算例。
③对测量方法和测量仪器作出基本规定。
GB/T14549‐93
公用电网
谐波
各级电网谐波电压限值(%)
电压(kV) 总畸变率 奇次 偶次
0.3854.02.0
6、1043.21.6
35、6632.41.2
11021.60.8
(220kV电网参照110kV执行)
①衡量点为PCC,取实测95%概率值;
②对用户允许产生的谐波电流提供计算方法;
③对测量方法和测量仪器作出基本规定;
④对同次谐波随机性合成提供算法。
GB/T15543‐95
三相电压允许不平衡度
①正常允许2%,短时不超过4%;
②每个用户一般不得超过1.3%。
①各级电压要求一样;
②衡量点为PCC,取实测95%概率值或日累计超标不超过72min,且每30min中超标不超过5min;
③对测量方法和测量仪器作出基本规定;
④提供不平衡度算法。
GB/T159459‐5
电力系统频率允许偏差
①正常允许±0.2Hz,根据系统容量可以放宽到±0.5Hz;
②用户冲击引起的频率变动一般不得超过±0.2Hz。
对测量仪器提出了基本要求
我国还根据IEC的相关第二,三类技术报告,于2000年发布了五项电磁兼容性方面的标准,它们是作为标准指导性技术文件(GB/Z)发布的。
对于标准的制定方面有几个问题值得重视:
①电能质量问题调查统计及未来发展的应对措施
标准的制定应该建立在对目前问题的分析的基础上,首先应该进行对电能质量问题造成危害的统计调查。
目前对各种电能质量问题造成的危害还没有非常确切的统计数据,虽然国外已经给出了部分的统计数据,但仍然很不完全,只是少部分的事例,而我国对于电能质量问题造成的危害的统计数据基本上没有,虽然人们凭感觉知道有的事故是因电能质量问题引起但缺乏详实的数据,只能凭臆测。
为了获得电能质量问题的第一手数据,需要研究工作者与供电部门和重要的电力用户紧密配合,加强电能质量的监测记录和分析。
其次对电能质量可能引起的问题没有正确的估计和预测,对电能质量问题可能造成的危害没有正确的认识。
同样的电能质量问题,对不同性质的负荷造成的危害是不一样的,因此研究电能质量问题造成危害的第一步应该是研究负荷的特性及对各种电能质量问题的敏感程度。
可以根据一定的标准将不同用户分为普通用户,敏感负荷和要求严格的负荷等分别加以研究。
应该调查分析我国目
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