安防之家讯：cript>文　摘　论述了公用电网电能质量的指标，影响电能质量的电力污染源，改善电能质量的意义，进而提出了改善电能质量的措施。
关键词　电能质量　电力污染


随着现代工业技术的发展，电力负荷的种类越来越多，特别是非线性、冲击性负荷在容量上、数量上日益增大，使公用电网中的各种干扰成分不断增加，电能质量日益恶化。近年来，由于电能质量引发的事故和问题呈上升趋势，对电能质量的管理和对电力污染的治理工作势在必行。目前，我国已颁布了电能质量的系列标准。然而，要保证我国电网的电能质量，不仅要靠电力部门的努力，同时，也需要广大电力用户和社会各界充分认识电能质量问题，密切配合。

1　电能质量的指标

理想的三相交流供电系统的三相交流电压是平衡的，其幅值和频率都是恒量，电压和电流的波形为正弦无畸变波形。电能质量通常用电网的实际状况与理想系统的差距来衡量。主要有五个指标：(1)电压偏差；(2)频率偏差；(3)谐波含量；(4)电压波动和闪变；(5)三相电压不平衡。
指标1为电网电压相对于额定电压的偏离程度。用下式表示：

式中　ΔU——电压偏差；
U——实际电压；
UN——额定电压。
《电能质量　供电电压允许偏差》(GB12325—90)对电压偏差的限值规定为35kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过10。10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7。220V单相供电电压允许偏差为 7～-10。
指标2为电网频率对于额定频率的偏离程度。用下式表示：

式中　Δf——频率偏差；
f——实际频率；
fN——额定频率，50Hz。
《电能质量　电力系统频率允许偏差》(GB／T15945—95)对电压偏差的限值规定为电力系统正常频率偏差允许值±0.2Hz。当系统容量较小时，偏差值可放宽到±0.5Hz。用户冲击负荷引起的系统频率变动不得超过±0.1Hz。
指标3为电网电压、电力波形的畸变程度。由于畸变波形可分解成基波和高次谐波，因此可用谐波含量的大小来表征波形的畸变程度。谐波含量包括各次谐波的含量和总畸变量。
指标4为电网电压的变动程度和因此引起的灯光对人眼的视觉影响。
电压波动Ut用下式表示：

式中　Umax、Umin——工频电压调幅波的相邻两个极值电压(均方根值)。
为了使电压波动与电压偏差(电压的慢变化)相区别。规定电压变化率大于每秒0.2时为电压波动，否则视为电压偏差。
电压变动而引起人眼对灯闪的感觉称闪变。闪变不仅与电压波动的大小有关，而且与波动的频率以及人的视感等因素有关。用下式表示：cript>

式中　af——电压调幅波中频率为f的正弦
分量的视感度加权系数，它用来反映人眼对电压调幅波中各种频率成分的敏感程度；
ΔUf——电压调幅波中频率为f的正弦分量的幅值。
国标《电能质量　供电电压允许电压波动》(GB12326—90)对电压偏差的限值规定为：
电压波动　10kV及以下为2.5；
35～110kV为2；
220kV及以上为1.6。
电压闪变　0.4～0.6。
指标5是三相电压不平衡度的度量，用下式表示：

式中　U2——三相电压用对称分量分解后的
负序分量的幅值；
U1——三相电压用对称分量分解后的正序分量的幅值。
《电能质量　三相电压允许不平衡度》(GB／T15543-1995)中规定，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。
由此可见，电能质量的五项指标围绕着理想正弦波的三要素从不同的方面描绘电网的实际状况与理想系统的差距。

2　影响电能质量的电力污染

电能从生产到消耗是一个整体，发供用始终处于动态平衡中，因此，发、输、供、用各个环节都会对电能质量产生影响。相对而言，电压偏差和频率偏差主要决定于电网的结构、系统无功补偿设备和调压、调频手段以及电网调度的合理性。而电力污染(包括电力谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡)主要由各种非线性负荷、冲击性负荷和不对称负荷引起的。
传统上，对电能质量关注的指标是频率偏差和电压偏差，而对电力污染的重视不够，致使这些指标不断恶化，严重威胁着电力系统的安全经济运行。近年，已有多起电力污染引起的事故，逐渐引起重视。但是，应该看到电力污染在很多方面类似于环境污染，需要全社会共同努力，从治理污染源入手，才能取得较好的效果。以下介绍几种主要的污染源。

2.1　整流装置

整流装置是典型的谐波源，电力负荷中的整流设备很多，如电解槽、电池充电器、直流电动机等。应用最广的三相六脉动整流装置的主要谐波发生量如表1所列。表1　整流装置各次谐波含量

谐波次数571113含量23753

2.2　炼钢电弧炉

炼钢电弧炉既是电压波动、闪变的肇事者，也是谐波源，同时是不对称负荷。在电弧炉的熔化期，由于电弧燃烧极不稳定，电极经常短路和断路，因而它的基波电流和谐波电流变化都很大，三相不平衡很严重。
电弧炉产生的电压波动可用下式估算：

式中　Sk——电弧炉最大短路容量；
SC——公共供电点上系统最小短路容量。
电压闪变估算式为：

电弧炉通常是33kV用电负荷，我国钢厂50t以上电弧炉的33kV母线电压的电压波动在治理前为6～12，电压闪变为2～3，严重超标。cript>
电弧炉产生的谐波统计平均值见表2。

表2　电弧炉产生的各次谐波含量

谐波次数23456789含量5.05.83.04.21.21.11.10.8

由于在电弧炉的熔化期，经常出现短路和断路，所以电弧炉电流的不平衡度最大可达100。2.3　电力机车

电力机车采用单相整流供电，所以它既是谐波源，又产生不平衡电流。由于电气化铁道的容量很大，目前大约占总负荷的10以上，而且分布很广，因此，电力机车是影响面较大的污染源。
国产的韶山系列型机车产生的谐波统计值如表3所示。
电力机车电流不平衡度最大达60。

表3　电力机车产生的各次谐波含量

谐波次数3579111315含量20.110.16.53.73.31.51.2

2.4　家用电器

现代化的家用电器(包括电子计算机)电源多采用二极管整流，会产生很大的谐波。有些家用电器如洗衣机、电视机、电冰箱等工作时的电流变化很大，也影响电压的稳定。家用电器大都是单相负荷，同样产生不平衡电流。3　改善电能质量的意义

电能质量关系着电网的安全经济运行，是工业产品质量的保障，对降低能耗及人类生活环境等产生重要影响。现代工业和科学技术中的精密仪器设备，复杂的控制系统和工艺流程，对电能质量的要求越来越高。电能质量关系着国民经济的总体效益。[FS:PAGE]
电动机是电网的主要用电设备，占总负荷的60以上。电网电压和频率的偏差，谐波含量，三相电压不平衡以及电压波动和闪变均会直接影响输出的力矩，从而影响生产的工效和产品质量。例如电动机机轴端负荷为恒定时，电压减少10，则滑差约增大0.6；负荷率为85的电动机，电压降低10～15时则有可能失去稳定。纺织机、造纸机等一些复杂的生产机组对频率是较敏感的，若频率变化过大，便可能出废品，设备受损。
电网谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，网损加大。高次谐波对电容器的影响很突出，当电容器两端的电压含有高次谐波时，由于电容器对高次谐波的阻抗随频率的增大而减小，因此，谐波电流可能会很大，使电容器不能正常运行或长期过负荷，甚至发生爆炸。谐波还使系统发生谐振的可能性增大，同时可能引起继电保护和自动装置误动，仪表指示和电能计量不准及干扰通讯等一系列问题。即使各级电网的谐波电压不超过标准，由于谐波引起的损耗以及电气设备绝缘寿命的缩短所造成的等值损失电量也很可观，据统计为用电量的0.7。如果电网中的谐波严重超标或发生谐振，则损耗将大大增加。例如陕西安康地区曾因电气化铁道谐波在电网中发生持续5次谐波谐振。cript>
三相电压不平衡(即存在负序分量)会引起电机附加振动力矩和发热。如负序电压含量为4，由于发热其绝缘寿命缩短约一半。如果某相电压高于额定值，则其绝缘寿命缩短更严重。一些保护会因负序和谐波的干扰而发生动作。1990年4月，山西晋东南由于大焦线电气化铁道的谐波和负序干扰，引起漳泽电厂JGX-11A型高频保护动作，使220kV长治变电站及9个35～220kV变电站全部停电，甩负荷100MW以上，使电网和用户均受重大损失。
电压的快速波动会使电动机转速不均匀，不仅危及电动机的安全运行，而且还影响一些产品的质量，并引起照明的闪变，使人眼疲劳而降低工效等。
需要引起重视的是，很多有污染源的用户认为采取措施改善电能质量，只对电网和其它用户有利，将此投资视为额外负担。实际上，由污染源引起的电能质量污染的首先受害者是这些设备的拥有者。

4　改善电能质量的措施

4.1　装设电力无源滤波器(FC)

装设电力无源滤波器就近吸收滤波源所产生的谐波电流是抑制谐波污染的一种有效措施。电力无源滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器组合而成，将它和谐波源并联运行，除起滤波作用外还兼顾无功补偿的需要。这种装置结构简单，运行可靠，维护方便。
电力无源滤波器的主要类型如图1所示。

图1　主要的滤波器类型

(a)为单调谐滤波器；(b)为二阶高通滤波器；
(c)为C型滤波器；(d)为双调谐滤波器

单调谐滤波器利用R、L、C元件串联谐振原理构成；双调谐滤波器相当于2个并联的串联单调谐滤波器；高通滤波器在高于某个频率之后很宽的频带范围内呈低阻抗特性，用以吸收若干较高次谐波；C型滤波器可用来补偿较低次谐波，具有较宽的频带，而基波损耗很小。
实际的滤波装置一般由一组或数组单调谐滤波器组成，有时加一组高通滤波器，有时加一组C型滤波器，也有时由一组双调谐滤波器与一组高通滤波器组成。

4.2　装设静止无功补偿器(SVC)

对于电弧炉、轧钢机等既是谐波源，又是冲击性、不对称性负荷，可装设静止无功补偿器(简称静补)进行综合治理。常用的静补有自饱和电抗器型(SR)和晶闸管控制电抗器型(TCR)，如图2所示

4.2　装设静止无功补偿器(SVC)

对于电弧炉、轧钢机等既是谐波源，又是冲击性、不对称性负荷，可装设静止无功补偿器(简称静补)进行综合治理。常用的静补有自饱和电抗器型(SR)和晶闸管控制电抗器型(TCR)，如图2所示

(a)SR型静补(b)TCR型静补
图2　常用静止无功补偿器

SR利用自饱和电抗器饱和后的自然特性稳定电压、抑制产生不平衡电流。由滤波器组提供固定的容性功率，并滤除污染源发出的和自饱和电抗器产生的谐波。cript>
TCR采用晶闸管控制电抗器投入的点火角，从而发出可变的感性无功，用以稳定电压、抑制不平衡。由滤波器组提供固定的容性功率，并滤除污染源发出的和TCR产生的谐波。
另外，随着电力电子技术的发展，正在研究中的用于改善电能质量的设备还有有源滤波器、SVG等装置。在低压配电系统中也采用TSC装置和滤波器配合的方式。

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