电能质量技术讲座

1. 电能质量技术讲座 电气设计标准专家系列讲座 中国电力科学研究院 教授 国家电能质量标准主要起草人 林海雪

2. 电能质量基本概念与影响 电能质量的治理措施与监控 电能质量标准解析

3. 电能质量基本概念与影响 • 电能质量定义 Power Quality——电能质量（电源质量、电力质量、电力品质） • 导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差 • 合格电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是都适合于该设备正常工作的 • 在电力系统中某一指定点上电的特性，这些特性可根据预定的基准技术参数来评价 • 电压质量、电流质量、供电质量、用电质量 实际上电能质量就是供电电压特性，即关系到用电设备工作（或运行）的供电电压各种指标偏离理想值（额定值或标称值）的程度

4. 电能质量基本概念与影响 • 电能质量问题的由来 • 随电力工业诞生而存在的一个传统问题 • 现代用电负荷结构发生了质的变化。电力电子技术广泛应用，家用电器普及，炼钢电弧炉和轧机的发展等，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性引起电能质量的恶化 • 计算机的普及、IT产业的发展、微电子控制技术应用导致对电能质量要求越来越高 • 例如：一个计算中心失电2s就可能破坏几十个小时数据处理结果，导致几十万美元产值损失 • 1～2周波供电电压暂降，就可能破坏半导体生产线，导致上百万美元损失 • 据统计美国因电能质量问题造成的损失每年高达260亿美元 • 最近由国际铜业协会（中国）的一次“中国电能质量行业现状与用户行为调研报告”中，调查了32个行业，共92个企业中有49个企业，因电能质量问题，在经济上损失2.5～3.5亿元RMB，每个企业年经济损失约10万～100万RMB（其中有四家年损失1000万元以上）

5. 电能质量基本概念与影响 • 电力系统中的电磁现象 与不良电能质量有关的几个最重要的波形畸变

6. 电能质量基本概念与影响 • 电能质量指标 • 电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度、暂时过电压和瞬态过电压、电压暂降、波形缺口、…… • 电能质量指标特点 • 空间上、时间上不断变化 • 需要供、用电双方共同合作维护

7. 电能质量基本概念与影响 • 超标的危害 • 谐波 • 降低电力设备的利用率，使电气设备（如旋转电机、电容器、变压器）以及导线（如低压中性线、电缆、母排等）过载运行（发热、振动、异常声响等），缩短使用寿命、增加线损；降低断路器遮断容量.例如，馈供给整流负荷的普通电力变压器，其出力应相应的降低。降低值和变压器的杂损比（即附加损耗与基本损耗之比）有关，如表3所列 • 干扰继电保护、自动装置和计算机系统；使电子设备工作不正常；使测量和计量仪器（感应式电度表）、仪表误差加大；降低信号传输质量，干扰通信系统；增加电力网中谐振可能性，诱发过电压或过电流的危害；减少白炽灯使用寿命 馈供整流负荷时变压器容量降低（%）

8. 电能质量基本概念与影响 • 超标的危害 • 电压波动和闪变 • 照明灯光闪烁，引起人的视觉疲劳；电视机屏幕图像失真、摆动翻滚和亮度变化；电动机转速不均匀、振动、异响，影响产品质量；电子计算机、监测和控制设备等工作不正常（见图4） 图4 某些用电设备允许电压波动与其允许波动频度的关系 1区—调节设备用的泵、剧院照明、喷油器等； 2区—独立升降机、提升机、桥式起重机、X光设备等； 3区—电弧炉、手动点焊、落锤、电弧焊、锯、成组升降机等； 4区—活塞泵、空压机、自动点焊机等 图4 照明允许电压波动与其允许波动频度之间的关系曲线

9. 电能质量基本概念与影响 • 超标的危害 • 暂时过电压和瞬态过电压 • 使设备绝缘破坏，引发事故 • 电压暂降（包括短时中断） • 引起变速驱动装置（ASD）跳闸、程序逻辑控制器（PLC）损坏、各种数字式自动控制装置误动、计算机系统失常，数据丢失；导致相关加工生产线（例如塑料、玻璃、石化、纺织、造纸、半导体以及橡胶等）停顿，大型场所照明失电（例如镝灯，灯灭后需冷却好几分钟后才能启动）等等。图6为国外统计的一次电压暂降对不同行业可能造成的经济损失。表5为电压暂降对一些设备的危害

10. 电能质量基本概念与影响 • 案例 • 上海某高层大厦一台变压器设计为全部带空调负荷，但投运后由于大量谐波的存在，使得变压器根本就没有办法正常运行 • 90年亚运会期间网球中心电压暂降造成照明失电10余分钟（照明灯为镝灯，需冷却启动），使场内照明黑了一半，这次事故在国际上造成了非常不好的影响 • 某商厦工程大量采用日光灯，全部采用电子镇流器，正常情况下，零线中产生很大电流，造成电缆发热，变压器温升过高（典型的谐波问题） • 某证券公司由于谐波使得网络速度变慢、数据出错，实时交易的动态信息显示屏幕出现大片空白，数据刷新和交易的速度都极慢，且经常中断，根本无法进行交易 • 某宽带运营商由于突然断电造成宽带网络客户不能正常上网，客户索赔几百万元

11. 电能质量基本概念与影响 • 结论 • 电能质量涉及国民经济各行各业和人民生活用电，优质电力可以提高用电设备效率，增加使用寿命，减少电能损耗和生产损失，电能质量关系到电力可持续发展，也关系到国民经济总体效益，是实现节约型社会的必要条件之一

12. 电能质量基本概念与影响 电能质量的治理措施与监控 电能质量标准解析

13. 电能质量的治理措施与监控 • 概述 • 电能质量的治理应优先对干扰源本身或在其附近采取适当的技术措施。主要措施见表1

14. 电能质量的治理措施与监控 • 电容器无功补偿及谐波放大原理 • 电容器无功补偿 • 作用：提高功率因数（力率）、节能降耗、改善电压

15. 电能质量的治理措施与监控 • 电容器无功补偿及谐波放大原理 • 谐波放大原理 • 非线性负荷产生谐波电流，一般称为谐波源 • 电网中主要谐波源一般可以视为恒流源 图中： Ih、Ish、Ich分别为谐波源、系统、电容器回路h次谐波电流 图13 谐波电流放大的分析电路 （a）电路图 （b）等效电路

16. 电能质量的治理措施与监控 • 电容器无功补偿及谐波放大原理 • 谐波放大原理 • 采用纯电容补偿，L=0，xL=0 • 当 时， • 此时 ， • 工程近似估计公式： • ， ——母线短路容量； ——电容器容量。 • 一般 ，所以谐振只可能 发生在高次谐波。

17. 电能质量的治理措施与监控 • 防止电容器谐波放大的措施 在电容器回路加串联电抗器，就能改变谐振频率，从而避免谐波放大

18. 电能质量的治理措施与监控 • 防止电容器谐波放大的措施 • 因此，电容器上加串联电抗器，可以防止电容器对特定次数谐波的放大作用（注意：凡是高于特定次数的谐波，也不会放大）

19. 电能质量的治理措施与监控 • 有源电力滤波器 • 随着电力电子技术的发展，以及对于非正弦条件下无功功率补偿理论的深入研究，特别是基于坐标变换原理的瞬时无功功率和瞬时无功电流理论的提出，为有源电力滤波器（Active Power Filter，缩写为APF）的实用化提供了必要的条件 • 有源电力滤波器（APF）根据与补偿对象连接的方式不同而分为并联型和串联型两种，实际应用中多为并联型。并联型APF是一种向电网注入补偿谐波电流，以抵消负荷所产生的谐波电流的滤波装置，其主电路由静态功率变流器（逆变器）构成，故具有半导体功率变流器的高可控性和快速响应性。对于APF，为了能与交流侧交流能量，以达到补偿的目的，逆变器的直流侧必须具有储能元件，该元件既可以是直流电容也可以是电感。因此APF的主电路也就分为直流侧采用电容的电压型[图15(a)]和直流侧采用电感的电流型[图15（b）]两种。图16为APF补偿原理说明。图17所示是一个典型的电流波形补偿例子。由于电压型APF在输出功率容量较小时，其自身损耗较小，效率较高，故目前国内外大多数APF采用了电压型结构

20. 电能质量的治理措施与监控 • 有源电力滤波器 • 两种类型的有源电力滤波器 • APF补偿原理接线 （a）电压型 （b）电流型

21. 电能质量的治理措施与监控 • 有源电力滤波器 • 谐波电流的补偿 （a）负荷电流；（b）高次谐波分量；（c）APF产生的电流；（d）补偿后的电流

22. 电能质量的治理措施与监控 • 有源电力滤波器 • 为了实现上述功能，APF应由高次谐波电流的检测、调节和控制器、脉宽调制（PWM）的逆变器和直流电源等主要环节组成，其原理结构如图18所示 • APF特点 • 滤波效果不受系统方式的影响 • 可以专门完成滤波功能，不受制于功率因数 • 建立在时域补偿基础上，响应快，对多次谐波、间谐波同时起补偿（滤波）作用 • 占地小 图18 有源电力滤波器结构图

23. 电能质量的治理措施与监控 • 电能质量的监控 • 根据电力生产和供应的特点，随着生产的发展和科技水平的不断提高，电力成本以及和电力相关的运营成本所占的比重正大幅度增加。同时电能质量问题给生产生活带来的影响日趋严重，已受到供电企业和广大用电用户的广泛关注。为了提高效率、减少损失、缩小运营成本，供电企业和用户对电能质量和电力系统运行管理的要求也越来越高。科学的做法应该对供用电系统的关键点和主要用电负荷进行全面的实时监督 • 专业的监控解决方案应基于先进的现场总线方式（FCS）实现电力系统信息的交换和管理，对传统电力系统中变电站、配电室内二次设备（安全自动装置、操作控制、信号系统）的功能进行重新组合，系统集控制、测量、信号采集、故障录波、谐波分析、电能量管理、负荷控制和运行管理为一体，取消了常规的仪表盘、操作控制屏和中央信号系统等二次设备，通过计算机和通讯网络使电力系统成为透明化和高管理水平的智能化系统。 • 当发生电能质量异常或事故时，应有完善的测试手段，找出问题的根源，为电能质量的改善或治理提供可靠的依据。

24. 电能质量基本概念与影响 电能质量的治理措施与监控 电能质量标准解析

25. 电能质量标准解析 • 电能质量国家标准 • 电能质量指标国家标准 • 供电电压允许偏差（GB/T 12325—2003） • 电压波动和闪变（GB 12326—2000） • 公用电网谐波（GB/T 14549—93） • 三相电压允许不平衡度（GB/T 15543—1995） • 电力系统频率允许偏差（GB/T 15945—1995） • 暂时过电压和瞬态过电压（GB/T 18481—2001） • 电能质量测量国家标准 • 供电系统及相连设备的谐波、谐间波的测量和测量仪器导则（GB/T 17626.7—1998） • 电能质量监测设备——通用要求（GB/T 19862—2005）

26. 电能质量标准解析 • 电能质量国家标准 • 相关的设备国家标准 • 低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流≤16A）（GB 17625.1—1998） • 对额定电流不大于16A设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制（GB 17625.2—1999） • 对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制（GB/Z 17625.3—2000） • 半导体变流器与供电系统的兼容及干扰防护导则（GB/T 10236—2007） • 中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估（GB/Z 17625.4—2000） • 电能质量治理设备（装置）国家标准 • 输配电系统静止无功补偿器用晶闸管阀的试验（待批） • 静止型无功功率补偿装置（SVC）功能特性（GB/T 20298—2006） • 静止型无功功率补偿装置（SVC）现场试验（GB/T 20297—2006）

27. 电能质量标准解析 • 电能质量国家标准摘要 • GB/T 12325—2003电能质量 供电电压允许偏差 • 允许限值 • 35kV及以上为正负偏差绝对值之和不超过10% • 10kV及以下三相供电为±7% • 220V单相供电为+7%，-10% • 说明：衡量点为供电产权分界处或电能计量点

28. 电能质量标准解析 • 电能质量国家标准摘要 • GB 12326—2000电能质量 电压波动和闪变 • 允许限值 • 电压变动d的限值和变动频率r有关；对于随机不规则的变动，d=2%（LV，MV）和d=1.5%（HV） • 注：低压（LV）、UN≤1kV；中压（MV），1kV＜UN≤35kV；高压（HV），35kV＜UN≤220kV。 • 注：①括号中的值仅适用于所有用户为同电压等级场合；②Pst为短时间闪变值（10min）；Plt为长时间闪变值（2h） • 说 明：①衡量点为公共连接点PCC；②限值分三级处理原则；③提供预测计算方法，规定测量仪器并给出典型分析实例。 表2 闪变限值

29. 电能质量标准解析 • 电能质量国家标准摘要 • GB/T 14549—1993电能质量 公用电网谐波 • 允许限值 • 注：①220kV电网参照110kV执行 ②表中THD为总谐波畸变率 • 说 明：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做出规定； ④对同次谐波随机性合成提供算法

30. 电能质量标准解析 • 电能质量国家标准摘要 • GB/T 15543—1995电能质量 三相电压允许不平衡度 • 允许限值 • 正常允许2%，短时不超过4%； • 每个用户一般不得超过1.3% • 说 明： • 各级电压要求一样； • 衡量点为PCC，取实测95%概率值或日累计超标不许超过72min，且每30min中超标不许超过5min； • 对测量方法和测量仪器做出基本规定； • 提供不平衡度算法。

31. 电能质量标准解析 • 电能质量国家标准摘要 • GB/T 15945—1995电能质量 电力系统频率允许偏差 • 允许限值 • 正常允许±0.2Hz，根据系统容量可以放宽到±0.5Hz； • 用户冲击引起的频率变动一般不得超过±0.2Hz。 • 说 明： • 对测量仪器提出了基本要求

32. 电能质量标准解析 • 电能质量国家标准摘要 • GB/T 18481—2001电能质量 暂时过电压和瞬态过电压 • 允许限值 • 说 明： • Um指工频峰值电压 • Um>252kV（Ⅰ）和Um>252kV（Ⅱ）分别指断路器变电所侧和线路侧 表4 系统工频过电压限值

33. 电能质量标准解析 • 电能质量国家标准摘要 • GB/T 18481—2001电能质量 暂时过电压和瞬态过电压 • 允许限值 • 说 明： • 暂时过电压是持续时间较长的不衰减或弱衰减的（以工频或其一定的倍数、分数）振荡的过电压。暂时过电压包括工频过电压和谐振过电压。 • 瞬态过电压为持续时间数毫秒或更短，通常带有强阻尼的振荡或非振荡的一种过电压。它可以叠加于暂时过电压上。瞬态过电压包括操作过电压和雷击过电压； • 工频过电压1.0p.u.=Um/ 。谐振过电压和操作过电压1.0p.u.= Um/ ； • 还对空载线路分闸过电压、断路器开断并联补偿装置及变压器等瞬态过电压限值作出了规定。 表5 空载线路合闸过电压限值 * 表示该过电压为相对地统计操作过电压。

34. 电能质量标准解析 • 电能质量国外标准简介 • 欧盟 1995年欧盟（欧共体）颁布了《公用配电系统供电电压特性》（EN50160），包括5大类13个指标 • 频率 • 互联电网：（50±0.5）Hz • 孤立电网：（50±1）Hz • 电压幅值 • 慢速电压变化：±10%UN • 电压波动：低压系统5% UN；中压系统：4% UN。闪变：Plt=1.0 • 电压暂降：每年可能发生几十至一千次，大部分持续时间小于1s，幅值不大于60% UN。 • 短时断电：每年可发生几十次至几百次，约70%的短时断电小于1s。 • 长时断电：超过3分钟的长时断电，每年在10次以内或不超过50次。 • 暂时工频过电压：低压系统一般不超过1.5倍相电压，中压系统不超过1.7～2.0倍相电压（和中性点接地情况有关）。 • 瞬态过电压：低压系统一般不超过6kV

35. 电能质量标准解析 • 电能质量国外标准简介 • 欧盟 • 电压不平衡 • 负序分量占正序分量RMS（方均根值）的2%。 • 电压波形 • 整数次谐波：40次谐波以下的总畸变率（THD）不超过8%，且各次谐波上限均有明确规定 • 间谐波：缺乏公认的实验数据，未作规定（但IEC 61000-2-4规定一般限值为0.2%） • 电源信号电压 • 指的是工频电压上又叠加的一个正弦传输信号电压。低频段幅值小于10%UN，中频段幅值小于5%UN • 实际上欧盟各国都有相关的国家标准，例如2001年英国颁布《英国电气协会（EA）工程导则G5/4》，就是英国现行的谐波标准

36. 电能质量标准解析 • 电能质量国外标准简介 • 美国 • 计算机和商用设备制造商协会（Computer and Business Enquipment Manufacturers Association，即CBEMA）出于大型计算机及其控制装置对电能质量要求，提出了电压容限曲线（称为CBEMA曲线）。该协会后改称为信息技术工业协会（Information Technology Industry Council，即ITIC），并将电压容限曲线作了一定改进，如图7所示 • 美国的标准相当全面和丰富，基本由美国国家标准局（ANSI）和各个协会（例如IEEE）制定。现行的谐波标准为IEEE Std 519-1992《IEEE关于电力系统中谐波控制的推荐规程和技术要求》 图7 ITIC曲线

37. 电能质量标准解析 • 电能质量国外标准简介 • 电能质量标准和电磁兼容标准的关系 • 电磁兼容的概念 • IEC 61000系列标准 • 六大部分：《总论》、《环境》、《限值》、《试验和测量技术》、《安全装置和抑制导则》和《其他》 • 标准限值的协调 图8 电磁兼容协调中的有关参数 图9 扰动水平和概率密度关系

38. 电能质量标准解析 • 电能质量国外标准简介 • 已采用为国标的与谐波相关的IEC 61000标准文件

39. Thanks T for your attention