丹東華通測控有限公司 王偉 曲娓

引言

在目前我國的工業(yè)領(lǐng)域中，電力系統(tǒng)存在著大量非線性、沖擊性和波動性負荷，這些負荷造成了電網(wǎng)發(fā)生波形畸變、電壓波動、閃變、三相不平衡、非對稱性，使得電網(wǎng)電能質(zhì)量的嚴重降低。同時，基于計算機，微處理器控制的精密電子儀器在國民經(jīng)濟企業(yè)中大量使用，對供電質(zhì)量的敏感程度越來越高，對電能質(zhì)量提出了更高的要求，從而使電能質(zhì)量問題及其解決措施逐漸成為研究的熱點。要對電網(wǎng)的電能質(zhì)量進行改善，首先要對電能質(zhì)量做出精確的檢測和分析，測量電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，并分析和判斷造成各種電能質(zhì)量問題的原因，為電能質(zhì)量的改善提供依據(jù)。

一、電能質(zhì)量

電能質(zhì)量(Power Quality)：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、暫時或瞬態(tài)過電壓、波形畸變（諧波）、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續(xù)性等。

電能質(zhì)量是衡量電網(wǎng)是否造成污染的指標體系，它直接影響著供、用電雙方的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。在工業(yè)領(lǐng)域的電力系統(tǒng)當中，常見的電能質(zhì)量問題主要有以下幾種：

1.頻率偏差

系統(tǒng)頻率的實際值與標稱值之差大于0.2HZ時稱為系統(tǒng)的頻率偏差，其產(chǎn)生的根本原因是由系統(tǒng)有功功率不平衡。

2.電壓波動與閃變

又稱為電壓瞬變或突波，是指兩個連續(xù)的穩(wěn)態(tài)之間的電壓值發(fā)生快速的變化，其持續(xù)時間很短。按照電壓波形的不同分為兩類：一是電壓瞬時脈沖，是指疊加在穩(wěn)態(tài)電壓上的任一單方向變動的電壓非工頻分量；二是電壓瞬時振蕩，是指疊加在穩(wěn)態(tài)電壓的同時包括兩個方向變動的電壓非工頻分量。電壓瞬變可能是由閃電引起的，也可能是由于投切電容器組等操作產(chǎn)生的開關(guān)瞬變。

3.三相不平衡

在電力系統(tǒng)中，各種不平衡工業(yè)負荷以及各種接地短路故障都會導(dǎo)致三相電壓的幅值或相位不對稱，不平衡的程度通常用不平衡度來表示。

4.過電壓

通常持續(xù)時間大于1分鐘，幅值大于標稱值的電壓被稱為暫時過電壓，而持續(xù)時間為數(shù)毫秒或更短，帶有強阻尼振蕩或非振蕩的過電壓稱為瞬態(tài)過電壓，瞬態(tài)過電壓可疊加于暫時過電壓之上。過電壓主要是由于負載的切除和無功補償電容器組的投入等過程引起，另外，變壓器分接頭的錯誤設(shè)置也是過電壓產(chǎn)生的原因。

5.波形畸變

是指穩(wěn)定狀態(tài)偏離了理想的工頻正弦波形(主要由偏離的頻譜量表征)。主要有：諧波、間諧波、陷波、直流偏置和噪聲五種基本形式。在工業(yè)領(lǐng)域中，最主要的為諧波形式。而諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。

6.電壓暫降及暫升

電壓暫降（暫升）是指在工頻下，電壓的有效值短時間內(nèi)下降（上升）。電壓暫降及暫升產(chǎn)生的原因主要有電力系統(tǒng)發(fā)生故障，如系統(tǒng)發(fā)生接地短路、單相接地等故障；大容量電機的啟動、停止和負載突增、突降也會導(dǎo)致的重要原因。

7.電壓中斷

在一段時間內(nèi)，系統(tǒng)的一相或多相電壓低于0.1倍標稱值。分為瞬時中斷、短時中斷和持久停電三種。瞬時中斷為持續(xù)時間在0.5個周期到3秒之間的供電中斷，短時中斷的持續(xù)時間在3~60 秒之間，而持久停電的持續(xù)時間大于60秒。

此外，還有欠電壓、電壓切痕等其它一些情況，也會對電能質(zhì)量產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

二、電能質(zhì)量標準

電能質(zhì)量的好壞主要表現(xiàn)為頻率的偏差、電壓的變化以及諧波分量的大小。所以電能的質(zhì)量標準也有頻率、電壓以及電壓的不對稱性和非正弦性標準。

1.頻率質(zhì)量

頻率是整個電力系統(tǒng)統(tǒng)一的運行參數(shù)，一個電力系統(tǒng)只有一個頻率。我國電力系統(tǒng)的額定頻率為50Hz。在電力系統(tǒng)內(nèi)，發(fā)電機發(fā)出的功率與用電設(shè)備及送電設(shè)備消耗的功能不平衡，將引起電力系統(tǒng)頻率變化。當系統(tǒng)負荷超過或低于發(fā)電廠的出力時，系統(tǒng)頻率就要降低或升高，發(fā)電廠出力的變化同樣也將引起系統(tǒng)頻率變化。

系統(tǒng)低頻率運行時電廠中所有的交流電動機的轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，使給水泵、風機、磨煤機等輔助機械的出力相應(yīng)降低，促使頻率進一步下降，引起惡性循環(huán)，甚至可能造成全廠停電的嚴重事故；同時，所有用戶的交流電動機的轉(zhuǎn)速也要降低，產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量將不同程度地降低，例如頻率降到49Hz以下時，紡織品、紙張將發(fā)生毛疵和厚薄不勻的質(zhì)量問題。高頻率運行對系統(tǒng)本身和用戶也將產(chǎn)生不利影響，如使系統(tǒng)電壓升高對絕緣不利，增加用戶和系統(tǒng)的損耗；對測量、控制和計時等電子設(shè)備精度和性能也會產(chǎn)生影響；使感應(yīng)式電能表計量誤差加大等。

2.電壓質(zhì)量

電力通過變壓器和線路輸送將產(chǎn)生電壓降，使受電端電壓較送電端電壓低一定數(shù)值。一般情況下，離電源越近，負荷越小的用戶，電壓降越?。环粗?，電壓降越大。用戶消耗的功率包括有功和無功，如果用戶所需無功經(jīng)變壓器和線路送來，則會產(chǎn)生較大的電壓降，使用戶電壓偏低，用戶吸收的無功越大，則用戶端的電壓越低。用戶的用電功率因數(shù)將直接影響用戶本身的電壓質(zhì)量。

用電設(shè)備低電壓運行時，不但使線路損耗增加，而且將使電動機的電流過大，線圈溫度過高，甚至使電動機拖不動或無法起動，進而燒壞電動機。引起變速驅(qū)動裝置跳閘、程序邏輯控制器（PLC）損壞、各種數(shù)字式自動控制裝置誤動、計算機系統(tǒng)失常，數(shù)據(jù)丟失；導(dǎo)致相關(guān)加工生產(chǎn)線停頓，大型場所照明失電等等。另外，在電網(wǎng)樞紐變電所和受電地區(qū)的電壓降低到額定電壓的70%左右時，將可能發(fā)生電壓崩潰事故，進一步造成線路電壓降增加，如此循環(huán)下去，將造成大面積停電。

用電設(shè)備高電壓運行可使用戶設(shè)備絕緣破壞，壽命降低，電動機發(fā)熱，損耗增加，引發(fā)事故。電壓波動和閃變會造成電動機轉(zhuǎn)速不均勻、振動、異響，影響產(chǎn)品質(zhì)量；電子計算機、監(jiān)測和控制設(shè)備等工作不正常。

3.電壓的不對稱性和非正弦性

在現(xiàn)代的用電設(shè)備中，出現(xiàn)了變頻設(shè)備、電弧爐、電氣機車、電視機等非線性負荷。它們不但引起電壓波動而且造成電壓的不對稱性和非正弦性。電壓的不對稱性系指三相電壓間的不對稱。

根據(jù)對稱分量法，不對稱的三相電壓可分解為對稱的正序、負序和零序分量。三相電壓不平衡將會引起電機附加發(fā)熱，并引起二倍頻的附加振動力矩使電機負載能力降低，并引起以負序分量為啟動元件的多種保護誤動作；換流設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流；變壓器負載能力下降；在低壓配電線路中，引起照明燈的壽命縮短或燒損、中性線過負荷等；引起線損及線路電壓損失增大；影響正常通信質(zhì)量。

電壓的非正弦性是指電壓波形的畸變。根據(jù)傅立葉變換。非正弦的電壓可分解為基波電壓和一系列高次諧波電壓?？傊C波電壓是所有高次諧波電壓的均方根值之和。電網(wǎng)諧波將導(dǎo)致電氣設(shè)備及導(dǎo)線過載運行、壽命縮短、網(wǎng)損增加、儀表指示不準、干擾通信線路；降低斷路器遮斷容量，甚至引起繼電保護和自動裝置誤動；使電子設(shè)備工作不正常；使測量和計量儀器、儀表誤差加大；降低信號傳輸質(zhì)量，干擾通信系統(tǒng)；增加電力網(wǎng)中諧振可能性，誘發(fā)過電壓或過電流的危害。

三、電能質(zhì)量管理概況

目前國外內(nèi)的電能質(zhì)量管理主要是使用能源管理系統(tǒng)中的電能管理子系統(tǒng)來進行管理。電能管理系統(tǒng)通過大量高端的檢測設(shè)備，實時采集相關(guān)的各種能源參數(shù)，并建立專家?guī)?，用大量信息來全面的管理配電系統(tǒng)每一個節(jié)點的能耗，有效地控制和優(yōu)化各種能源的消耗。該類型能源管理系統(tǒng)以西門子、施耐德等國際企業(yè)為代表。

該系統(tǒng)在進行電能質(zhì)量管理的同時，需要配合大量各種可與該系統(tǒng)進行通訊的檢測設(shè)備，而且需要系統(tǒng)進行大量的數(shù)據(jù)處理，則需要配置性能極高的系統(tǒng)配置來實現(xiàn)。所以，該類型電能質(zhì)量管理雖然功能強大，但并不適合廣泛推廣。

而在工業(yè)領(lǐng)域中，大多數(shù)項目只針對于目前的主要能源——電能進行管理，那么則不必配置能源管理系統(tǒng)，工業(yè)領(lǐng)域中通常會有低壓配電系統(tǒng)，對于電能的管理也可以通過低壓配電系統(tǒng)來實現(xiàn)，從而達到簡化系統(tǒng)構(gòu)成、節(jié)約成本的目的，因此該方式在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛推廣。

四、低壓配電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量管理

1.頻率質(zhì)量管理

頻率本身為低壓配電系統(tǒng)所采集的基本監(jiān)控電量之一，可以實時監(jiān)控頻率的變化情況，并將其數(shù)據(jù)存儲在歷史數(shù)據(jù)庫中，形成相應(yīng)的歷史曲線及實時曲線?？梢允褂玫蛪号潆娤到y(tǒng)的越限報警功能，對其上下限值進行設(shè)定，當其發(fā)生越限時發(fā)出聲光報警信號，同時將報警信息存入歷史數(shù)據(jù)庫，便于故障的查詢分析。

在故障情況，系統(tǒng)頻率下降時，可以使用低壓配電系統(tǒng)的遙控操作功能，進行低頻率減負荷，自動切除部分次要負荷；當頻率升高時，為了快速減少發(fā)電機出力，同樣使用遙控或遙調(diào)功能，進行高頻率切機，使系統(tǒng)頻率盡快恢復(fù)在額定值附近。完全滿足頻率質(zhì)量管理的要求。

2.電壓質(zhì)量管理

電壓為低壓配電系統(tǒng)所采集的基本監(jiān)控電量，可以對每個回路的電壓以及三相電壓不平衡度進行數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)存儲、曲線生成、越限報警等多種功能。

提高電壓質(zhì)量的措施主要是采取在就地無功功率補償，主要設(shè)備為無功補償控制器和有載調(diào)壓變壓器，用低壓配電系統(tǒng)可以方便的遙控無功補償控制器和有載調(diào)壓變壓器，提高用戶的功率因數(shù)在0.9以上。

同時無功功率、功率因數(shù)、電容器投切狀態(tài)等變量也是低壓配電系統(tǒng)所采集的基本監(jiān)控電量，可以實時檢測無功補償?shù)姆答佇Ч?，適時調(diào)整無功補償量的大小，對電壓質(zhì)量進行有效而經(jīng)濟的實時調(diào)整。

3.諧波質(zhì)量管理

諧波分量并非低壓配電系統(tǒng)所采集的基本監(jiān)控電量，但也可以使用低壓配電系統(tǒng)對諧波進行采集。但是測量的諧波次數(shù)一般為第2到第19次，根據(jù)諧波源的特點可以適當變動諧波次數(shù)測量的范圍。而對于負荷變化快的諧波源(例如：煉鋼電弧爐、電力機車等)，一般不少于31次，部分回路要求測量63次諧波分量。因此，諧波測量的數(shù)據(jù)量通常很大。

低壓配電系統(tǒng)對系統(tǒng)的實時性要求很高，如果將每個回路的所有諧波畸變率數(shù)據(jù)實時上傳處理，不但會大量耗費系統(tǒng)資源，而且會嚴重影響整個低壓配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時性。因此，所以低壓配電系統(tǒng)中的諧波質(zhì)量通常使用重要回路實時采集、一般回路分批定時采集和召喚采集相結(jié)合的方式的進行管理。

重要回路（例如：進線、變頻回路等）對于整個系統(tǒng)的電能質(zhì)量有較大的影響，所以采取實時采集，實時關(guān)注諧波信息的方式，因為該種類回路數(shù)量較少，雖然單個回路數(shù)據(jù)量較多，但進行合理分配后，對整個系統(tǒng)的實時性影響不大。一般回路對于整個系統(tǒng)的電能質(zhì)量影響相對較小，所以采取分批定時讀取的方式，錯開系統(tǒng)資源利用高峰，分批定時進行數(shù)據(jù)讀取，定時時間可根據(jù)回路性質(zhì)和系統(tǒng)規(guī)模確定，可以提高系統(tǒng)的利用率；同時對于發(fā)生了故障的回路，可以進行召喚采集，在發(fā)生故障時實時采集其諧波數(shù)據(jù)，有助于分析故障原因。

五、結(jié)束語

電能質(zhì)量涉及國民經(jīng)濟各行各業(yè)和人民生活用電，優(yōu)質(zhì)電力可以提高用電設(shè)備效率，增加使用壽命，減少電能損耗和生產(chǎn)損失，電能質(zhì)量關(guān)系到電力可持續(xù)發(fā)展，也關(guān)系到國民經(jīng)濟總體效益，是實現(xiàn)節(jié)約型社會的必要條件之一?；诘蛪褐悄芘潆娤到y(tǒng)上的占用資源少，靈活性高等特點，對提高電能質(zhì)量管理效率起到了顯著作用。

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