电能质量的概论及其分析小论文

电能质量的概论及其分析

什么是电能质量？

电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差120°。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。围绕电能质量含义，从不同角度理解通常包括：

（1）电压质量：是以实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向用户供应的电能是否合格的概念。这个定义能包括大多数电能质量问题，但不能包括频率造成的电能质量问题，也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染。

（2）电流质量：反映了与电压质量有密切关系的电流的变化，是电力用户除对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，还要求电流波形与供电电压同相位以保证高功率因素运行。这个定义有助于电网电能质量的改善和降低线损，但不能概括大多数因电压原因造成的电能质量问题。

（3）供电质量：其技术含义是指电压质量和供电可靠性，非技术含义是指服务质量。包括供电企业对用户投诉的反映速度以及电价组成的合理性、透明度等。

（4）用电质量：包括电流质量与反映供用电双方相互作用和影响中的用电方的权利、责任和义务，也包括电力用户是否按期、如数交纳电费等。

目前针对电能质量问题研究的主要内容有哪些？

目前，研究和解决电能质量问题已成为电力发展的当务之急。主要研究课题包括：

（1）研究谐波对电网电能质量污染的影响并采取相应的对策。由于钢铁等金属熔炼企业的发展，化工行业整流设备的增加，大功率晶闸管整流装置及电力电子器件的开发应用，使公用电网的谐波影响日趋严重，电源的波形产生了严重的畸变，影响了电网安全可靠运行。（2）研究谐波对电力计量装置的影响并采取相应的措施。由于波形畸变，使电力计量的准确度与精确度到影响，致使计量误差，产生附加的功率损耗，造成不必要的经济损失。（3）研究电能质量污染对高新技术企业的影响并采取相应的技术手段。由于计算机系统和基于微电子技术控制的自动化生产流水线以及新兴的IT产业、微电子芯片制造企业等，对电能质量的要求和敏感程度比一般电力设备要高得多，任何暂态和瞬态的电能质量问题都可能造成设备的损坏或运行异常，影响正常的生产，给电力用户造成经济损失。

（4）加强电能质量控装置的研制。电能质量控制装置的基本功能即使要在任何条件，甚至是极为恶劣的供电条件下改善电能质量，保证供电电压、电流的稳定、可靠，在谐波干扰产生的瞬间能立即将其抑制或消除。

我国对电网的电能质量制定了哪些国家标准？

（1）GB 12325－1990 《供电电压允许偏差》。

（2）GB/T 14549－1993 《公用电网谐波》。

（3）GT/T 15543－1995 《三相电压允许不平衡度》。

（4）GB/T 15945－1995 《电力系统频率允许偏差》。

（5）GB 12326－2000 《电压允许波动和闪变》。该标准是在GB 12326－1990 《电冶允许波动和闪变》的基础上，参考了国际电工委员会IEC电磁兼容IEC6100-3-7等文件和标准修订后重新颁布实施的。

（6）GB/T 18481－2001 《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》。

6. 主要电能质量指标

对电能质量，除经济性指标外，目前没有统一的指标可以用来描述表2中提到的全部电能质量问题，而是根据不同扰动或扰动组的特征制定了一些具体的量化指标。

6.1 谐波

谐波(Harmonics)污染是电能质量的一个基本问题。谐波问题并不新鲜，对谐波的研究可以追溯到电力系统形成初期。1916年，电气工程师Steinmetz就撰文探讨三相系统中的谐波问题；在近期研究人员提出了谐波组的概念用于进一步研究谐波问题。

描述谐波的一般指标：各次谐波幅值和相位、各次谐波含有率(HR)、总谐波畸变率(THD)、谐波功率和谐波阻抗，以及部分演化指标如K因子等。通常THD定义为谐波分量(h≥2)有效值相对于基波分量(h=1)的百分比。

间谐波又称分数谐波, 顾名思义它指非工频频率整数倍的周期性电流或电压。间谐波往往由较大的电压波动或冲击性非线性负荷所引起的。非线性的波动负荷如电弧炉、电焊机、各种变频调速装置等都是间谐波源。

间谐波的主要危害是：会放大电压闪变，对音频干扰，影响电视机画质，对收音机产生噪声污染，并在一定程度上造成感应电动机的震动，特别对采用电容电感和电阻构成的无源滤波器电路以及间谐波可能会被放大，严重时会使滤波器因谐波过载而不能投运，甚至造成设备的损坏。据统计其含有率超过0.3%便能引起灯光闪变，引起无线通讯的干扰。

6.2 电压骤降

IEEE给出电压骤降(Sag)的一种定义是供电系统中某点的工频电压有效值突然下降至额定值的10%～90%，并在随后的10ms到1min的短暂持续期后恢复正常。IEC的有关标准与匝EE 的一个较大的区别在于电压骤降的电压幅值规定为正常值的1%～90%。

不同原因引发的电压骤降在主要PCC点观察到的外在电压波形差异较大。电压骤降波形的差异，与扰动时刻系统的不对称有较大关系。故障导致的电压骤降表现出明显的、较为严重的不平衡性态，随故障类型和配电变压器绕组连接形式的不同所呈现的不对称情况也不一致。

现有的统计数据和研究成果表明最严重的电能质量问题就是电压骤降(也包括短时电压完全中断)。

6.3 电压闪变

电压闪变(Flicker)是指人眼对由一定频率(最高可达l0Hz)的电压波动所引起的照明异常而产生的直观视觉感受，闪变的低频调制信号一般认为从1～10Hz，也是人眼视觉最为敏感的频率范围。根据扰动原因不同，电压闪变可分为周期性和非周期性之分。闪变往往需要对波动波形进行频谱分析。

6.4 电压闪变

电压中断(Interruption，又称供电中断)是指供电侧电压接近于零的状态。电压接近零在IEC中定义为小于指定电压(一般是额定电压)的1％，而IEEE中定义为小于10％，两者略有区别。持续时间长于3min的成为长电压中断，反之称为短电压中断。

类似前面电压骤降的SARFI指标，电压中断的评价指标一般也是基于统计的。此外，还有MAIFI、CumProb95％、RMB等多个指标。上面的指标在实际应用中从系统角度、用户角度得到的结果区别不大，这些指标往往作为系统或用户（更多的是用户）对供电的期望水平之一。

电压中断一般是由故障后保护的动作（在故障发生和保护动作之间，电压骤降发生；而对于故障馈线上的用户，在电压骤降之后就是电压中断），有时是因保护误动作等原因造成的。目前而言长电压中断还是最为严重的电能质量扰动之一，故非常有必要对电压中断的发

生频率和持续时间做相应的规定。从目前国际组织的官方文件中很难找到对应的限制，只有欧洲的标准中这样规定：视地区不同，持续时间在3min以上的电压中断次数在10～50次。

6.5 电压突升

电压突升(Swell)是指工频电压的暂态升高，其典型的幅值波形如图6所示，电压突升一般由故障或开关动作引发，该现象常常发生在中性点不接地系统中，如当发生瞬时单相接地故障时，其余两相对地电压会突升至额定电压的压，这就是电压突升。

一般借鉴电压骤降的部分指标，如SARFI统计指标、时间电压积分的面积指标和能量指标作为电压突升的指标。

6.6 电压裂痕

电压裂痕(Notches，又称电压凹陷、电压缺口等)是指一种持续时间短于半个周波，起始时刻与原波形极性相反的工频电压开关性(或其他的)扰动。因为进行相反，故与正常波形相比总使得扰动电压的峰值降低。持续时间短于半个周波的电压跌落和完全失压也可以划分为电压裂痕。

三相整流设备在换相过程有非常短暂(小于1ms)的短路过程，该短暂短路过程引起的供电电压跌落一般就是电压裂痕。电压裂痕的最主要影响就是高次谐波，由三相整流设备引起的电压凹陷一般是周期性的。

一般描述电压裂痕一般需要综合裂痕缺口深度、裂痕持续时间和每个正弦波上凹陷的个数三个性质。因为电压裂痕发生时刻通常伴随着高频暂态过程，需要一些暂态分析的方法也被用来分析电压裂痕。

6.7 暂态冲击和暂态振荡

暂态(Transient)一般是指系统电压、电流的快速变化。暂态的学术定义是指那些系统电压／电流快速简短的不连续性的次周波扰动。电力系统波动分析中往往遇到的不符要求但

本质上呈瞬态特性的事件就可以认为是暂态。暂态的另一个常用定义是：在一个稳态到另一稳态的过渡过程中出现的部分变化，该定义范围很宽且较简洁。一般分为脉冲型(Impulsive)和振荡型(Oscil1atory)两种。

冲击暂态是指电压和／或电流的突然的、非工频、单一极性方向的变化。引发冲击暂态的最普遍的因素就是雷击。因冲击暂态所表现的高频特性，冲击暂态的波形随电路元件不同差异非常大，且随观察地点的不同形状也不同。相比照，振荡型暂态是指电压和／或电流在稳定状态下的突发的、非工频的、具有双向极性的变化。通常情况下，冲击型暂态无法沿输电线长距离传播，但冲击型暂态可能引发系统的自然频率下的振荡型暂态。目前出利用暂态分析的原理和方法外，还没有具体统一的描述暂态扰动的指标。

通常情况下，因电容器(组)上电激励引起的振荡暂态频率呈现一种较低频率的振荡，小于5kHz；但当电容器在上电投运时刻，若附近有正在运行的电容器组，则形成背靠背形式的投切方式，此时引起的振荡频率则较高，最高能够达5MHz。

6.8 过电压／欠电压

过电压是指系统工频电压有效值上升到至指定电压(一般为额定)的110％以上、持续时间超过1min的电压升高。相反，欠电压是指系统工频电压低于指定电压的90％、持续时间超过1min的电压降低。过电压／欠电压一般非系统故障所致，但可能会因负荷波动或者系统的开断操作引发。过电压在电压调节能力薄弱或缺少电压控制的区域时常发生。

6.9 三相电压不对称

电压不对称(又称不平衡)一般有两种可能，一种是结构性因素，二是使用性因素。EHV 输电线路的不循环换位就属于前者，电气牵引机车等大容量不对称或单相负荷的接人就属于后者；三相不平衡不仅与电力系统有关，更多的受用户负荷性质影响。电压不平衡对电力系统三相制设备会造成巨大影响，比如感应电机、电能转换器、变压器和输电线路损耗等，这

方面有较多文章论述。

通常电压不平衡使用不平衡因子(Unbalance Factor，VSF)指标来描述，但目前各类标准中对不平衡因子给出的定义也不尽相同。美国国家设备制造商协会(National Equipment Manufacturer’s Association，NEMA)对电压不平衡是针对线电压定义的，称为线电压不平衡率LVUR。IEEE有关电压不平衡的定义与NEMA相仿，只是对相电压（对地）而言，故又称相电压不平衡率PVUR。无论是线电压不平衡或者相电压不平衡，从本质上看是属于幅值不平衡。

6.10 电磁兼容性

国际电工委员会标准对电磁兼容(EMC)的定义是：设备或系统在所处的电磁环境中能正常运行，同时不对其他系统和设备造成干扰。

系统内或系统间能电磁兼容意味着无论是在系统内部，还是对其所处的环境，系统都能如预期的那样工作。电磁兼容性包括两个方面的含义：①电力系统、电子系统或电工设备之间在电磁环境中相互兼顾和兼容；②电力系统、电子系统或电工设备在自然界电磁环境中，能承受干扰源的作用，按照设计要求正常工作。

一方面，随着电子技术日益向高频率、高速度、宽频带、高精度、高可靠性、高灵敏度、高密度( 小型化、大规模集成化)、大功率、小信号运用和复杂化方向发展，电磁干扰已成为系统和设备正常工作的突出障碍。

另一方面, 电磁场、电磁波对人体生态的影响程度及危害, 已经成为全世界的电力工作者和社会民众都在关注的热点。有关资料表明, 我国目前共有各种先天性畸形者约3000万人, 我国新生儿有3%～5%是先天畸形, 每年出生畸形儿38 万以上。而各种电磁波是疑凶。

一些国家成立了专门机构制订了专门标准，对此进行管理，一切电子设备必须经过专门机构的鉴定和批准才能进入市场, 电力系统和电力设备的设计需要考虑电磁兼容问题。一些国际组织制订并推荐有关的标准或建议，一些学术机构，如国际大电网会议增设电磁兼容专

业组，开展科研和交流，以推进电磁兼容的研究。我国在电磁兼容方面也有相应的标准，但是在电能质量领域中没有涉及到该指标。随着电网的不断复杂化、各种精密设备的层出不穷、生态学的发展，电磁兼容性问题应该会成为电能质量领域需要考虑的一个问题。

电能质量问题的性质、产生原因及解决方法

用电负荷的分类与电能质量的敏感度有哪些对应关系？

根据用电设备负荷的特性及不同的用电负荷对电能质量的要求与敏感度，一般将用电负荷分为三大类。

（1）普通负荷（Common Load）

普通负荷对电能质量的要求不太高，只有在发生持续断电或电压波动幅度过大，持续时间较长才会受到影响。同时，本身对电网的电能质量基本不形成影响和危害。如照明设备、加热器、通风机、一般家用电器等。

（2）敏感负荷（Sensitive Load）

敏感负荷对电能质量有一定的要求，电能质量不好可能对此类负荷会造成一定的影响和危害。同时，本身对电网的电能质量也可能造成一定的影响和污染。因此，需要采取一定的措施和对策。如电动机控制器、UPS电源、变速调速装置等。

（3）负荷（Critical Load）

严格符合对电能质量的要求非常高，电能质量出现问题对秧严格负荷会造成严重的后果，可能损坏设备，影响生产。同时，对电网的电能质量也会造成一定的影响和危害。因此，对严格负荷必须确保电能质量符合应用要求。如集成电路芯片制造流水线、微电子产品的智能化流水线、银行及证券交易中心的计算机系统等，均属于严格用电负荷。