[科普中国]-电能质量

背景

电能质量问题的提出由来已久，在电力系统发展的早期!电力负荷的组成比较简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成，因此衡量电能质量的指标也比较简单，主要有频率偏移和电压偏移两种20世纪80年代以来，随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到了广泛应用。同时，为了解决电力系统自身发展存在的问题，直流输电和FACTS技术不断投入实际工程应用!调速电机以及无功功率补偿电容器也大量投入运营。这些设备的运行使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重，谐波水平不断上升。另外，冲击性、波动性负荷，例如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等，运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且还会产生电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题。但另一方面，随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量的要求越来越高，因而电能质量成为目前研究的热点。

概念电能质量(PowerQuality)，从严格意思上讲，衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形。从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。电能质量问题可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。

一个理想的电力系统应以恒定的频率(50Hz)和正弦波形，按规定的电压水平(标称电压)对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等，相位互差120。的对称状态。由于系统各元件(发电机、变压器、线路等等)参数并不是理想线性或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存在，而由此产生了电网运行、电气设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了电能质量(PowerQuality)的概念。

从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。但迄今为止，对电能质量的技术含义还存在着不同的认识，这一方面是由于人们看问题的角度不同，如电力企业可能把电能质量简单地看成是电压(偏差)与频率(偏差)的合格率，并且用统计数字来说明电力系统电能9%是符合质量要求的;电力用户则可能把电能质量笼统地看成是否向负荷正常供电;而设备制造厂家则认为合格的电能质量就是指电源特性完全满足电气设备正常设计工况的需要，但实际上不同厂家和不同设备对电源特性的要求可能相去甚远。另一方面，对电能质量的认识也受电力系统发展水平的制约，特别是用电负荷的性能和结构。1

电能质量指标电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述，不同的指标有不同的定义。参考国际电工委员会标准，从电磁现象及相互作用和影响角度考虑给出的引起干扰的基本现象分类如下。

a.电压中断（断电，interruption，outage）：在一定时间内，一相或多相完全失去电压（低于0.8“标幺值”称为断电。按持续时间长短，分为瞬时断电（0.5周期~3S）暂时断电（3S~60S）和持续断电（大于60S）。

b.频率偏差（frequencydeviation）：各国对此均已做出明确规定。

c.电压下跌(sag)(电压跌落，dip)：持续时间为0.5周期～1min，幅值为0.1～0.9(标幺值)，系统频率仍为标称值。

d.电压上升(电压隆起，swell)：电压(或电流)持续时间为0.5周期～1min，幅值为1.1～1.8(标幺值)，系统频率仍为标称值。

e.瞬时脉冲(impulse)：在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的电压(或电流)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1个尖峰。

f.电压波动(fluctuation)与闪变(flicker)：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0.9～1.1电压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。

g.电压切痕(notch)：电压切痕是一种持续时间小于0.5周期的周期性电压扰动。电压切痕主要由于电力电子装置在相关的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。电压切痕的频率非常高，用常规的谐波分析设备很难检测出来，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。

h.谐波(harmonics)：含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。谐波是由于电力系统和电力负荷设备的非线性特性造成的。

i.间谐波(inter-harmonics)：含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间谐波。小于基波频率的分数次谐波也属于这一类。间谐波会使照明装置引发视觉闪变。

j.过电压(overvoltage)：电压(或电流)持续时间为大于1min，幅值为1.1～1.2(标幺值)，系统频率仍为标称值。

k.欠电压(undervoltage)：电压(或电流)持续时间为大于1min，幅值为0.8～0.9(标幺值)，系统频率仍为标称值。

电能质量问题归纳起来主要包括以下4个方面：①电压波动(fluctuation)和闪变(flicker);②谐波(harmonics);③电压三相不平衡(unbalance);④电压降低(dip)和供电中断(outage)。1

具体指标电网频率我国电力系统的标称频率为50Hz，GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》中规定：电力系统正常运行条件下频率偏差限值为±0.2Hz，当系统容量较小时，偏差限值可放宽到±0.5Hz，标准中没有说明系统容量大小的界限。在《全国供用电规则》中规定"供电局供电频率的允许偏差：电网容量在300万千瓦及以上者为±0.2HZ；电网容量在300万千瓦以下者，为±0.5HZ。实际运行中，从全国各大电力系统运行看都保持在不大于±0.1HZ范围内。

电压偏差GB/T12325-2008《电能质量供电电压偏差》中规定：35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%；20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的土7%；220V单相供电电压偏差为标称电压的+7%，-10%。

三相电压不平衡GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》中规定：电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%；低压系统零序电压限值暂不做规定，但各相电压必须满足GB/T12325的要求。接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。

公用电网谐波GB/T14549--93《电能质量公用电网谐波》中规定：6～220kV各级公用电网电压(相电压)总谐波畸变率是0.38kV为5.0%，6～10kV为4.0%，35～66kV为3.0%，110kV为2.0%；用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电网谐波电压在限值范围内，所以国标规定各级电网谐波源产生的电压总谐波畸变率是：0.38kV为2.6%，6～10kV为2.2%，35~66kV为1.9%，110kV为1.5%。对220kV电网及其供电的电力用户参照本标准110kV执行。

公用电网间谐波GB/T24337-2009《电能质量公用电网间谐波》中规定：间谐波电压含有率是1000V及以下