[科普中国]-电压质量

质量要求

国家和行业规定，10kV 及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的±7%；220V 单相供电电压允许偏差为标称电压的+7%、-10%；城市居民用户受电端电压合格率不低于 95%，农村居民用户受电端电压合格率不低于 94%。1

评价指标频率偏移频率偏移是电力系统基波频率偏离额定频率的程度，大容量负荷或发电机的投切以及控制设备不完善都有可能导致频率偏移。我国电力法规规定，大容量电力系统的频率偏移不得超过±0.2Hz。

系统频率的过大变动对用户和发电厂的不利影响主要有如下几个方面：

（1）频率变化引起异步电动机转速变化，导致纺织、造纸等机械的产品质量受到影响；

（2）功率降低，导致传动机械效率降低；

（3）系统频率降低引起异步电机和变压器激磁电流增加，所消耗的无功功率增加，恶化了电力系统的电压水平；

（4） 频率的变化还可能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

电压偏差电压偏差是指系统各处的电压偏离其额定值的百分比，它是由于电网中用户负荷的变化或电力系统运行方式的改变，使加到用电设备的电压偏离网络的额定电压。若偏差较大时，对用户的危害很大，不仅影响用电设备的安全、经济运行，而且影响生产的产品产量与质量。

对于配电网最广泛应用的电动机，当电压低于额定电压时，转距减小，转速下降，导致工厂产生次品、废品；电流增加，电机温升增加，线圈发热，加剧绝缘老化，甚至烧坏。当电压高于额定电压时，转矩增加，使联接轴和从动设备上的加速力增加，引起设备的振动、损坏；起动电流增加、在供电线路上产生较大的电压降，影响其它电气设备的运行。

对于发电机而言，电压偏差会引起无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，过度增大激磁电流使转子绕组的温升超过容许范围，加速绝缘老化，降低电机寿命，甚至烧坏。

对照明灯具，电压对灯的光通量输出和寿命的影响很大，当加于灯泡的电压低于额定电压时，发光效率会降低，人的工作环境恶化，视力减弱；当高于额定电压时，灯泡寿命会减少、烧坏。

波形失真波形失真即理想工频正弦波的稳态偏移，常用其频谱含量来描述，波形失真主要包括直流偏移高次谐波、间谐波、陷波和噪声。交流电网中如果存在直流成分，则称为直流偏移。直流偏移是由于地磁波产生的电磁干扰和电网中半整流设备的存在，直流电流流过变压器会引起变压器的直流偏磁，产生附加损耗；直流电流还会导致接地体或其它连接器的电化学腐蚀，陷波是由于换流器换相而产生的周期性电压干扰，尽管可以利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。因为其谐波次数较高且幅值不大，用谐波测量设备很难表征。噪声是指叠加在每相电压或电流、中性线或信号线上的，频率超过200Hz的电气信号。电力电子设备、电弧装置和电器设备的投切都会产生电磁噪声，噪声会影响微机和PLC的正常工作。

谐波是供电系统基波频率整数倍频率的正弦电压或电流，由于供电系统中大量采用非线性电气设备，例如可硅控整流装置，电弧设备、电气化机车、变压器等都是高次谐波的电流源，它们接入电网后，将使系统母线电压畸变。高次谐波会使发电机端电压波形产生畸变，从而降低供电电压质量。谐波会引起供电线路损耗增加，损坏电气设备、降低供电可靠性，还会干扰和破坏控制、测量、保护、通讯和家用电器的正常工作，谐波还加快旋转电机、变压器、电容器、电缆等电气元件中绝缘介质的电离过程，使其发热绝缘老化，寿命降低。

电压波动与闪变电压波动是指电压快速变动时其电压最大值和最小值之差相对于额定电压的百分比，即电压均方根值一系列的变动或连续的改变。闪变即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷，如炼钢电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的，对于起动电流大的鼠笼型感应电动机和异步起动的同步电机也会引起供电母线的快速、短时的电压波动。因为它们起动或电网恢复电压时的自起动电流，流经网络及变压器，会使各元件产生附加的电压损失。急剧的电压波动会引起同步电动机的振动，影响产品的质量、产量，造成电子设备、测量仪器仪表无法准确、正常地工作。电压闪变超过限度值使照明负荷无法正常工作，损害工作人员身体健康。1

电压暂降与电压中断电压暂降是因为电力系统故障或干扰造成用户电压短时间（10ms～1min）内下降到90%的额定值以下，然后又恢复到正常水平，电压暂降后有一定的残压，电压中断是由于系统故障跳闸后造成用户电压完全丧失。

雷击时造成的绝缘子闪络或对地放电、架空的输配电线路的瞬时故障、大型异步电动机全电压启动等情况都会引起不同程度的电压暂降和电压中断。电压暂降与中断会造成用户生产停顿或次品率增加，会造成计算机数据丢失，造成欠压继电器误动。交流接触器和中间继电器不能正常工作等不良影响。

电磁暂态电磁暂态是指电力系统从一个稳定状态过渡至另一个稳定状态时，电压或电流数值的暂时性变化，产生电磁暂态的主要原因有雷电波冲击和电力系统故障等。电磁暂态可分为冲击暂态和振荡暂态两类。

冲击暂态的定义：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，主要原因是闪电。冲击暂态常常使设备因过电压而损坏，还有可能激发电力系统的固有振荡而导致振荡暂态。

振荡暂态的定义：电压或电流在稳态下的突然的非工频变化，其变化是双向的，常用频谱成分（主导频率）、持续时间和幅值进行描述。根据其频谱范围，振荡暂态可分为高频、中频和低频三种。高频振荡暂态的主导频率一般在0.5～5MHz之间，持续时间为几个μs，它往往是由于当地冲击暂态所引起。中频振荡暂态的主导频率和在5～500KHz之间，持续时间为几十个ms，背靠背电容器的充电会产生主导频率为几十KHz的振荡暂态，电缆的投切也会产生同样频率范围内的振荡暂态，冲击暂态也会引起中频振荡暂态。主导频率低于5KHz，持续时间在0.3～50ms之间的暂态称为低频振荡暂态，低频振荡暂态在输电系统和配电系统中经常遇到，电容器组的充电会产生主导频率在300～900Hz之间、峰值约为2.0p.u.的低频振荡暂态，配电网中存在的主导频率低于300Hz的低频振荡暂态，主要同配电网中的铁磁谐振现象和变压器充电产生的励磁涌流有关。

三相不平衡三相不平衡是由不平衡的相阻抗、不平衡的负荷或两者的组合引起的。由于导线分布的不对称，典型的非线性负载，如铁道电力机车、炼钢电弧炉都会产生严重的负序分量。负序和零序分量的存在会对电力设备的运行产生下列影响：

（1）凸极式同步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电机产生电力谐波，污染电力系统的运行环境；

（2）负序电流流入同步电机或异步电机，会使电机因产生附加损耗而过热，产生附加转矩而降低使用效率；

（3）对直流输电的换流器来说，三相不对称不仅会增加控制的困难，还会导致非特征谐波的产生；

（4）零序电流的存在会对邻近的通信线路产生很强的干扰。1

变频调整装置大功率晶闸管交流调整装置由于技术经济上的优势，正在取代传统的直流调速装置。交流调速分为两大类，即交-直-交变频器和交-交变频器，交-直-交变频器由整流器、中间滤波环节及逆变器三部分组成。整流器为晶闸管三相桥式电路，它的作用是将交流电变换为可调直流电。逆变器也是晶闸管三相桥式电路，它的作用是将直流电变换调制为可调频率的交流电。中间滤波环节由电容器或电抗器组成，它的作用是对整流为直流后的电压或电流进行滤波，交-交变频器实质上是一套桥式无环流反并联的可逆整流装置。装置中工作晶闸管的关断通过电源交流电压的自然换相实现，输出电压波形和触发装置的控制信号波形是一样的，从而实现变频。

同步串级调速装置低同步串级调速主要用于绕线式异步电动机，取代传统的转子回路中串电阻的调速方法，它是在转子回路中加一整流器，把转差功率变为直流功率，再用逆变器将其反馈电网，改变转差功率，即可实现调速。 这种调速方式效率比较高、损耗小、调速范围宽、性能好，但会在逆变器和定子回路中产生谐波电流。

感应电动机感应电动机的定子和转子中的线槽会由于铁芯饱和而产生不规则的磁化电流，从而在低压电网中产生间谐波。在电机正常转速下，其干扰频率在500～2000Hz范围内，但电机起动时干扰频率范围更宽，这种电动机当装载较长，低压架空线末端时会使电网受到干扰，间谐波电压可以达到1%，这么高的电压易引起脉动控制接收机的异常。2

间谐波及其抑制间谐波的频率不是工频频率的整数倍，间谐波是指非整数倍基波频率的谐波，这类谐波可以是离散频谱或连续频谱。但其危害等同于整数次谐波电压，其抑制与消除却比整数次谐波困难得多，间谐波电压是由较大的波动或冲击性非线性负荷引起的。3

间谐波电压必须限制到足够低的水平：

（1）25Hz以下间谐波应限制到0.2%以下，以免引起灯光闪烁（闪变）；

（2）对于音频脉冲控制的接收机，间谐波电压应限制到0.5%以下，否则会被干扰；

（3）2.5KHz以下的间谐波电压应不超0.5%，否则会干扰电视机，且引起感应式电动机噪声和振动，以及低频继电器的异常运行。

（4）2.5～5 KHz的间谐波电压如超过0.3%，则会引起无线电收音机或其它音频设备的噪声；

（5）当有非线性负载时，频率为f的间谐波会产生频率旁频带成分，这些旁频的幅值可能和间谐波的幅值十分接近，则对于闪变频带的幅值而言相当于扩展到基波的4倍，对于音频控制频率的幅值而言也扩展到同样倍数，因此间谐波的影响将大为扩大。

所有非线性的波动负荷（电弧炉、电焊机、晶闸管供电的轧机等等），各种变频调速装置，同步串级调速装置以及感应电动机等均为间谐波源，因此间谐波广泛存在于电力系统中。电力系统中的间谐波电压会引起灯光闪烁，使音频脉冲控制的接收机、电视机、无线电收音机产生噪声和振动；引起低频继电器的异常运行以及无源电力滤波器过流跳闸等问题。因此间谐波电压应制定相关国家标准，将其限制在足够低的水平（一般为0.2%以下）。

供配电系统中电压偏移、电压的波动与闪变、高次谐波与间谐波、电压暂降与中断、电磁暂态、波形失真等均是影响供电系统电能质量的重要因素，其具体的参数是衡量供配电系统电压质量的指标，在实际系统运行中，必须结合相关的国家标准规定的限值，采取切实可行而又经济合理的补偿抑制措施，以消除这些“污染”或“公害”，提高其电能质量，确保系统的安全、可靠和经济运行。

随着经济、技术的发展，企业和家庭对供电电压质量提出了更高的要求，电压中断与电压暂降，间谐波等问题日益为人们所关注，虽然电磁兼容标准中已有相应的限值规定，但电能质量标准是规定供用电双方共同遵守的管理和治理原则及数据，因此应尽快制定包括电压暂降和间谐波的电能质量国家标准是非常必要的。4

影响因素1、电网架构仍然不完善

改革开放以来，我国经济发展十分迅速，导致出现了很多地区经济发展不平衡的情况，特别是对于新兴的工业区，由于这些工业区是是刚刚兴起的，短时间内的用电量剧增，造成线路过负荷的现象出现。还有的地区，特别是城郊和农村地区，不但线径小，线路破旧，而且低压供电半径比较大，造成的直接后果是用户端电压质量较差。

2、系统干扰性负荷

系统本身接有整流器、电弧炉、单相负荷、大功率电动机等干扰性负荷。这些负荷会对电网产生的负面影响有无功冲击、谐波、负序等，并且这些负面影响还可以经过公共连接点影响其他终端用户。所以，为了能够及时缓解这些问题，系统中一定要安装相关装置，同时还要依照电能质量评估体系，来约束这类用户对电能质量的影响。1

3、季节对电力供应的影响较大

电力负荷会随用户生产流程与昼夜、季节的变化而改变。用电负荷越低电压越高，用电负荷越高电压越低，导致不同季节、不同时间中用电量峰谷负荷的悬殊，从而引起电压波动较大，不能够提供稳定的运行电压。

4、设备问题

配网 380/220V 线路、10kV 线路以及运行时间长、配电设备数量巨大的线路设备数量很多，要对改造量残旧设备与线路需要按轻重缓急按计划分年分批进行，在一定程度上阻碍了电压质量的提高。

5、干扰系统，造成断电或电压变动的因素干扰系统，造成断电或电压变动的因素很多，如雷电、树枝影响、外力破坏、电容器投切、配电设备故障、线路切换等，这些因素甚至会对相邻线路造成影响，造成有害影响的蔓延。5

提升电压质量措施针对提升配电网电压质量的目标，本文对配电网电压质量具体提升流程及相关措施总结如下。

1、加强对农网的改造

农村电网用电具有一定的特殊性，造成其配变负荷与高低压线路较重，进而降低了电压的合格率。配电网架差，自然能耗高，负荷率低。配变布点少，配电设备老化，供电半径长且线径小。降低线损是供电企业提高经济效益最直接也是最根本的手段。可以通过增加农网无功补偿容量的方式来降低线损，增加电力网的功率因数，从而降低线损，提高电压质量。2

2、技术措施

（1）针对配电网的电压越限情况，采用下述几种方法解决，主要有 5 个方面的内容：平衡负荷、提高电力用户的功率、调节变压器分接开关、无功优化、采用配电网电压无功自动控制（automaticvoltage quality control，AVQC）系统。

（2）平衡负荷

由于负荷的随机性及用电的不平衡性，配电网中存在三相负荷不平衡的现象，这会导致三相电压不平衡，中性点电压偏移越限（超过 15% 相电压）；会使中性线电流过大，变压器运行温度过高，严重时将变压器损坏。因此，当出现三相不平衡负荷时，应尽快将负荷平衡，以提高电压质量，降低损耗。

（3）提高电力用户的功率

由于电网内各个生产用户的自然功率因素比较低，增加了各个生产用户对电网无功功率的吸取，导致各个发电机只有生产大量的无功功率才能使之达到平衡，但是，发电机生产大量的无功功率就会减少对有功的输出，从而减弱了供电能力，同时对无功的远距离输送也增加了电力的损耗。所以，供电管理部门必须提高电力用户的功率，相关的电力部门必须经常性的考核电网生产用户的力率，根据电网生产用户力率的大小来制定电价，通过电价的杠杆作用，促使各个电网生产用户采用必要的技术措施，提高电网的运行功率。用户功率因素提高以后，就会减少对电网无功的吸取，减少了电压的损失，从而使用户受点端的电压质量得到保证。

（4）变压器调压变压器是重要的变电设备，也是重要的调压设备，变压器调压是一个丰富的内容，详述如下：

1）加强在运配电变压器挡位优化

调整配电变压器挡位调整前后，需对其低压出口和所供的首、末端低压用户电压进行现场实测，对实测和用电信息采集系统电压超出国标误差范围的情况，及时整改。配电变压器挡位调整后现场进行相关试验，合格后投入运行，确保安全。及时分析配电变压器调挡后其低压出口及所供台区各低压用户的电压合格率提升效果，总结经验，便于指导下一步配电变压器调挡工作。

2）试点应用有载调压配电变压器

部分配电变压器台区电压波动幅度大，存在短时间内配电变压器台区电压越上限与越下限并存现象，低压无功补偿装置仍不能有效改善电压水平。对已建成配电自动化的相关单位选取部分供电区域试点加装有载调压配电变压器，合理设置调压策略，利用自动化信息通道上传运行信息，及时掌控设备状况，可解决部分台区由于负荷电压波动造成的短时电压越限情况。

3）强化新增配电变压器初始挡位验收管理

新建或更换配电变压器时，投运前将配电变压器初始挡位列入工程验收内容。按照配电变压器低挡位（9.5kV/400V）用在线路末端，高挡位（10.5kV/400V）用在线路首端的原则，根据 10kV 配电线路长度，合理确定配电变压器初始运行挡位。对于 10kV 配电线路15km 以内的配电变压器宜选用 10.5kV/400V 挡位，15～30km 之间配电变压器宜选用10kV/400V 挡位，大于30km 配电变压器宜选用 9.5kV/400V挡位，对于 5 挡配电变压器可以将上述分类进一步细分。

4）强化变电站母线‚逆调压

强化电网‚逆调压‛管理，确保负荷低谷期间 10kV 母线电压低位运行，使配电变压器低压侧的电压降低；负荷高峰期间高位运行，使得配电变压器低压侧的电压上升。同时按照线路首端配电变压器低挡位、线路末端配电变压器高挡位的原则，合理确定配电变压器运行挡位。

（4）无功优化

配电网供电负荷的多样性会导致配电网谐波含量增加，电压发生畸变，电压合格率低。在城市中心区域试点应用动态无功补偿装置，不仅可以提升电压的品质，同时提高配电网无功补偿的灵活性，还起到降损节能的效果。

加强系统内无功设备巡视，加强并网风电场等新能源和非统调电厂（地方电厂）的无功出力和电压曲线管理，加强用户侧无功设备自动投切管理，提高无功设备可用率，从而提升电压质量，降低电能损耗。

（5）配电网 AVQC 系统

结合配电自动化建设，充分利用配电自动化系统通信通道和测控设备，建设配电网 AVQC 系统调节有载配电变压器、低压无功补偿装置、线路调压器等，实现动态调节配电网电压和功率因数。优化调整电网 AVQC 系统控制策略。开展 AVQC 系统控制策略合理性分析，有选择性地将负载率较低、电缆化率较高的变电站 10kV母线电压限值由‚0～+7%‛修改为‚0～ +6%‛；强化电网‚逆调压‛管理，确保负荷低谷期间 10kV 母线电压低位运行，负荷高峰期间高位运行。兼顾无功设备和调压主变压器的安全可靠运行，尽量减少无功设备投切次数和主变压器分接开关动作次数。1