电能质量的影响与分析

[摘要]电力系统的不断发展和安全稳定运行给国民经济和社会发展带来了巨大的动力和效益，大型电力系统一旦发生自然或人为故障，不能及时有效控制，造成电能质量变坏，将给人民群众的生活带来危害。本文分析了各种电能参数偏移的原因及影响，进而对改善供电质量方面介绍了一些新型装置。

[关键词]电能 分析 改善

进入21世纪，电能质量(频率、电压、波形、不对称度和各种瞬态的波动)问题将越来越受到重视，主要原因是：(1)用户越来越注重供电质量问题并能更清楚地认识到断电、电压下跌、切换操作的瞬态扰动等的后果：(2)装有微机控制器和电力电子装置的用电设备迅速增多，而这些设备对电能质量的扰动是很敏感的；(3)一些跨国公司或大型国有企业为增加其总生产率而安装高效率设备。例如调速控制和功率因数校正装置，这种做法的本身又造成了注入电力系统的谐波有所增加，最后不得不考虑其对电力系统的影响。电能质量需要在概念上转变，从“以电力部门的标准来评定”转变为“以用户所感觉到的为标准”。电能质量不好会对用户生产过程起破坏作用；相反，用户的生产过程会影响电能质量。因此，为改善电能质量，用户、电力公司和设备制造商之间的合作是十分需要的。下面就上述电能质量指标所涉及到的几方面内容作一些介绍。

1　频率偏移

1.1　频率过低

意味着输出功率增加而输入功率没有改变时，或者输入功率减少而输出功率尚未改变时造成。它的影响主要有如下几点：使发电机的出力受到限制；造成发电机定、转子绕组和铁心的温度升高；使厂用电动机的转速下降，进而引起机械出力下降；汽轮机低压级叶片将会产生振动加大而导致裂纹；引起异步电动机和变压器激磁电流增加，从而使其所消耗的无功功率增加，进而有可能恶化电力系统的电压水平；对无线电广播，电影制片等工作也有影响。

1.2　频率过高

意味着输出功率减少而输入功率没有改变时，或者输入功率增加而输出功率尚未改变时造成。它的影响主要有如下几点：使发电机转子承受过大的应力；使与频率有关的测控设备降低了其性能，甚至不能正常工作：引起系统中滤波器的失谐和电容器组发出的无功功率变化。

2　电压偏移

2.1　长期电压偏移

定义为持续时间超过1min，稳态工频电压有效值超过规定限值的所有电压偏移。

2.1.1　欠电压

是指典型电压幅值在(0.8-0.9)p.u之间。它的影响主要有如下几点：将降低发电机运行的稳定性，定子绕组的温度可能升高；降低厂用电动机的出力，而且使它的定子绕组温度升高，加速绝缘老化，严重时甚至可能会烧毁电动机：使照明设备发光效率降低，如电压降低5％时，其光通量将减少18％，电压降低10％时，其光通量将减少30％；甚至有可能引起对灯光敏感的电子设备不能正常工作。

2.1.2　过电压

是指典型电压幅值在(1.1～1.2)p.u之间。它的影响主要有如下几点：将损害电气设备的绝缘，使变压器、发电机等电气设备工作在饱和状态。从而引起激励电流增加，设备过热并产生有害的谐波电流：使定子铁心部分磁通逸出轭部，在支持筋、机座、卤压板形成环路而产生涡流，从而使定子机座的这些结构部件出现局部过热，甚至熔化。

2.2　短期电压偏移

2.2.1　电压跌落

指的是工频电压降低到(0.1-0.9)p.u之间，持续时间在2s～1min之间的电压质量问题。瞬时性故障往往以电压跌落开始，大电力负荷的投入、大容量电容器组的投入、大电机的起动或多个电机的同时起动都有可能引起邻近负荷的电压跌落：变电站内某条配电线路的单相接地故障也有可能引起同母线的配电线路的电压跌落。

2.2.2　失去电压

指的是供电电压或电流降到0.1p.u以下，持续时间不超过1min的电能质量问题。失去电压的主要原因是由于雷击输电线路或配电线路、树木倾倒、刮风等引起的电力系统瞬时性故障，也有可能是因为设备失效或控制装置的误动作。对失去电压和电压跌落二者的重视是近年来的事情，主要原因是计算机的大规模应用和自动控制系统的不断精细化。对于计算机操作来说，两秒钟的失去电压或电压跌落会造成计算机系统的工作紊乱，甚至有可能使计算机处理了几个小时的数据丢失。对于一些大型跨国公司或国有企业而言，0.1s的失去电压或电压跌落就有可能引起大面积的产品质量问题。实际上，失去电压和电压跃落超过两个或三个周波。电机、机床或机器人就无法保持对由其驱动的过程的精确控制。

3　电磁暂态

指的是指电力系统从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时，电压或电流数值的暂时性变化的电能质量问题。它产生的主要原因有雷电冲击和电力系统故障等，又分为两种：冲击暂态和振荡暂态。前者定义为电压或电流在稳态下的突然的非工频变化，变化是单方向的。常用其上升和延迟时间来描述，其产生的主要原因是闪电。由于涉及到的频率很高，所以产生的冲击电压或电流衰减很快，同一个冲击暂态事件，在电力系统的不同点会观察到不同的结果。冲击暂态常常引起设备因过电压而损坏，甚至还有可能激发电力系统的固有振荡而导致振荡暂态。后者定义为电压或电流在稳态下的突然的非工频变化，变化是双方向的，根据其频谱范围又可分为高、中、低三种。高频振荡是由本地冲击暂态所引起的，频率一般在(0.5～5)MHz之间，持续时间约为几个微秒。中频振荡是由背靠背电容器的充电引起的，频率一般在(5～500)kHz之间，持续时间约为几十个毫秒。低频振荡是由配电网中的铁磁谐振现象和变压器充电产生的励磁涌流所产的，频率低于5kHz，持续时间在(0.3～50)ms之间。

4　三相不平衡

它定义为相电压或电流对于三相电压或电流平均值偏移的最大幅度，它的产生一是设计方面的原因，如单相电气设备三相严重不对称，二者也有存在大容量单相负荷的客观原因，如单相电气机车，电炉等。再者电网故障也会导致三相不平衡的产生。在三相电力系统中，三相不平衡的程度常用电压负序分量与正序分量有效值之比来表征。根据国家规定，电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％。负序和零序分量的存在会对电力设备的运行产生如下影响：凸极式同步发电机对负序分量存在很强的谐波变换效应，三相不平衡会导致同步发电机产生电力谐波，污染电厂周围的运行环境；负序电流流入同步发电机或异步电机，将消耗过多的无功功率，产生附加损耗而过热，并因此产生附加转矩而降低其出力：对直流输电的换流器来说，三相不对称不仅会增加其控制的难度，还会导致非特征谐波的产生；零序电流的存在还会对邻近的通信线路产生很强的干扰。

5　波形失真

它定义为正弦波的稳态偏移，常用其频谱含量来描述，主要包括5个方面的内容：直流偏移、谐波、间谐波、陷波和噪声。

5.1　直流偏移

交流电网中如果存在直流电，则称为直流偏移，它产生的主要原因是由于地球雷暴产生的电磁干扰和电网中半波整流器设备的存在引起的。直流电流流过变压器会引起变压器的直流偏磁，从而产生附加损耗过热并降低其使用寿命。直流电流还会导致接地体或其它联接器的电化腐蚀。

5.2　谐波

定义为具有供电系统基波频率整数倍频率的正弦电。它的失真情况可以用每个单一谐波成份的幅度的相位来描述，而它的大小可用谐波失真度来描述，谐波失真度或畸变率是评价电力系统中谐波含量的主要指标，它定义为各次谐波分量总有效值与基波分量有效值之比。谐波污染对电力设备的危害是相当严重的，主要表现在如下几个方面：(1)谐波电流在电机中流通，产生附加功率损耗而引起定子线圈过热，并减少了转矩出力：(2)可引起无功电容器组谐振和谐波电流增大，从而导致电容器组因过负荷或过电压而烧毁，对电力电缆也会造成过负荷或过电压而损伤绝缘；(3)集肤邻近效应的存在，使输、配电线路、变压器等产生附加损耗而过热：(4)电压或电流波形的畸变改变了电压或电流的变化率，影响了断路器额定电压时的断流容量；f5)对继电保护和自动控制装置产生严重干扰者，可造成误动作或拒动作；(6)使计量仪表，特别是感应电能表那种形式的表计产生计量误差。

5.3　间谐波

定义为具有供电系统基波频率非整数倍频率的正弦波电压或电流，常用离散频率或宽带频谱来表示。各级电网中均存在这种波，其产生的原因是静止频率变换器、变流器、感应电机和电弧设备等，而电力线路的载波信号也可认为是间谐波。间谐波会引起CRT等显示设备的闪烁。

5.4　陷波

它的产生是由于变流器的换相而引起的，尽管可以用傅里叶变换将陷波分解成一系列谐波，但一般将陷波单独处理，这是因为其谐波次数较高且幅值不大，难于用波形测量仪器测得。

5.5　噪声

它是指叠加在每相电压或电流上，频率超过200kHz的非期望电信号。电力电子设备、控制电路、电弧装置、电机设备等投运都会产生电磁噪声。它会影响微机和可编程控制器的正常工作。

6　电压波动和闪变

电压波动是指电压包络线的规则变化或电压的一系列随机变化，但其变化范围在额定值的±10％之内。电压闪变指的是电压波动对照明设备产生影响，而这个影响能为肉眼所感觉。电压波动的主要影响是引起白炽灯等照明设备、电视机显示器设备的闪烁现象。电弧炉和轧钢机等大容量冲击性负荷的存在是引起电压波动和闪变的根本原因。

7　改善

以上所述的各种电能参数的偏移和谐波对电力设备用户的影响很大，而且这些主要是通过配电线路发生的，为了使电能质量在正常范围内运行，我们可采取以下几种新型装置去改善供电质量。

7.1　DSTATCOM及DUPS

DSTATCOM是采用脉宽调制技术和电力系统并联的电压源变换器，它能替代常规的电压和无功控制装置。在正常供电时，DSTATCOM可作为无功电源或处于低耗备用状态。在发生电压波动时，DSTATCOM立即响应，向电力系统注入具有适当相角和幅值的电流使系统电压立即恢复正常。它和固态断路器及一个储能系统联用，也称作动态不间断电源(DUPS)，从发生断电到重新供应电力的时间不超过0.5工频周期。

7.2　SSCB及SSTS

SSCB由可断开晶闸管(GTO)回路和晶闸管(SCR)加限流电抗器(或电阻器)回路两部分并联组成。在正常运行时，负荷电流基本上是经过GTO回路向负荷供电，而SCR回路因阻抗极大而基本上无电流。发生上游故障时，电流大大超过定值，GTO立即断开，发生下游故障时，GTO断开后，故障电流就流经限流电抗器和SCR，限制了故障电流。可利用SSCB在0.5工频周期内快速完成切换的能力向负荷提供不间断电源，这就是SSTS。

7.3　DVR

DVR由GTO及SCR组合起来再配以储能装置后与电力系统串接，能在不到0.5工频周期内将系统故障引起的电压下跌恢复到正常。当供电正常时，DVR处于低耗备用状态，升压变压器的换流器是短路的。当线路侧发生电压下跌(或上升)时，DVR立即响应，分别向电网输入电压的三相串联注入三个单相交流电压，以补偿故障后和故障前的电压差，而注入的每相电压可独立控制其幅值及相角，从而恢复正常电压。整个过程的持续时间小于0.5工频周期。

8　结论

从以上的定性描述到定量分析，电能质量的概念正在不断地深化和量化。本文介绍的电能质量影响与分析，将有助于人们加深对电能质量内涵的理解。