葛露萍

（新時(shí)代國際工程公司 陜西西安 710000）

淺議電能質(zhì)量及其提高

葛露萍

（新時(shí)代國際工程公司 陜西西安 710000）

本文簡(jiǎn)要介紹了影響電能質(zhì)量的因素，并從頻率和電壓兩個(gè)衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)入手，一一做出了論述，并給出了提高電能質(zhì)量的方案。

電能質(zhì)量；頻率；電壓；電壓偏差；電壓波動(dòng)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)過程的高度自動(dòng)化，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也逐步提高，在這樣的環(huán)境下，探討電能質(zhì)量領(lǐng)域的相關(guān)理論及其提高的方式，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電能質(zhì)量的影響因素

電能質(zhì)量會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)供電安全與供電質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，電能質(zhì)量的影響因素主要包含以下幾個(gè)方面：

（1）自然現(xiàn)象的影響，如雷擊、雨雪、風(fēng)暴等對(duì)于電能質(zhì)量狀況的影響，使電網(wǎng)出現(xiàn)事故，降低供電的可靠性。

（2）電力裝置及設(shè)備的自動(dòng)保護(hù)的影響，如大型電力裝置的停止與啟動(dòng)、自動(dòng)開關(guān)跳閘、重合閘等對(duì)于電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響，可暫時(shí)降低額定電壓，并引發(fā)波動(dòng)和閃變等。

（3）電力用戶沖擊性負(fù)載、非線性負(fù)載等大量投運(yùn)的影響，如電氣化機(jī)車、煉鋼電弧爐等運(yùn)行對(duì)于電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響，使得公用電網(wǎng)出現(xiàn)大量諧波干擾，引起電壓擾動(dòng)，造成電壓波動(dòng)和閃變。

2 電能質(zhì)量衡量指標(biāo)分析

電力系統(tǒng)中的所有設(shè)備，都是在一定的電壓和頻率下工作的。頻率和電壓是衡量電能質(zhì)量的兩個(gè)基本參數(shù)。

2.1 頻率對(duì)電能質(zhì)量的影響

電力系統(tǒng)頻率是指電力系統(tǒng)統(tǒng)一的一種運(yùn)行參數(shù)，國家標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》（CB/T15945-1995）規(guī)定以50Hz正弦波作為我國電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率（工頻），且規(guī)定電力體系的正常頻率標(biāo)準(zhǔn)是50±0.2Hz。在系統(tǒng)容量相對(duì)較低時(shí)，能放寬至50±0.5Hz。然而《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》（CB/T15945-1995）內(nèi)并未對(duì)系統(tǒng)的容量大小界限進(jìn)行說明，全國供用電標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定供電局的允許供電頻率偏差：當(dāng)電網(wǎng)容量為3000MW及較高時(shí)是0.2Hz；當(dāng)電網(wǎng)容量低于3000MW時(shí)是0.5Hz。在實(shí)際運(yùn)行過程中，國內(nèi)各跨省電力體系頻率允許偏差均要保持于+0.1～-0.1Hz范圍內(nèi)。因此，電壓頻率目前在電能質(zhì)量中最有保障。

當(dāng)電力系統(tǒng)處于低頻率運(yùn)行中時(shí)，將產(chǎn)生下面不利的影響：低壓級(jí)汽輪機(jī)葉片將因振動(dòng)增大而引起裂紋，甚者將導(dǎo)致斷落故障；電廠中的所有交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)相應(yīng)下降，使風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)、給水泵等輔助型機(jī)械出力降低，從而對(duì)火力發(fā)電廠出力產(chǎn)生嚴(yán)重影響，使得頻率進(jìn)一步降低，引發(fā)惡性循環(huán)；并且所有用戶交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也將降低，從而工農(nóng)業(yè)質(zhì)量和產(chǎn)量將得到不同程度的降低。

當(dāng)電力系統(tǒng)處于高頻率運(yùn)行狀態(tài)時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)電壓增大，危害電力裝置絕緣，增大用戶與系統(tǒng)損耗等。

避免電力系統(tǒng)出現(xiàn)頻率偏差的措施主要包括：提升日負(fù)荷曲線的預(yù)測(cè)精確度，使得計(jì)劃開機(jī)發(fā)電出力和實(shí)際負(fù)荷偏差相對(duì)較少；應(yīng)充分發(fā)揮出AGC功能，并嚴(yán)格要求其在正常運(yùn)行下系統(tǒng)的頻率偏差不超過規(guī)定值。當(dāng)處于故障狀態(tài)，系統(tǒng)的頻率降低時(shí)，通過系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的備用容量，實(shí)施減負(fù)荷低頻率，對(duì)部分次要性負(fù)荷自動(dòng)切除；當(dāng)升高頻率時(shí)，會(huì)迅速降低發(fā)電機(jī)的出力，甚至在高頻率進(jìn)行切機(jī)，以使得系統(tǒng)頻率得以盡快恢復(fù)到額定值范圍。

2.2 電壓對(duì)電能質(zhì)量的影響

電壓質(zhì)量是按照國家標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范對(duì)電力系統(tǒng)電壓的偏差、波動(dòng)、波形及其三相的對(duì)稱性等的一種質(zhì)量評(píng)估。

2.2.1 電壓偏差

（1）電壓偏差又稱為電壓偏移，是指給定瞬間設(shè)備的端電壓U與設(shè)備額定電壓UN之差對(duì)額定電壓UN的百分比值，即：

（2）電壓偏差對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響

①對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的影響

當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)端電壓較其額定電壓低10％時(shí)，由于轉(zhuǎn)矩M與端電壓U的平方成正比，因此實(shí)際轉(zhuǎn)矩將只有額定轉(zhuǎn)矩的81％，而負(fù)荷電流將增大5～10％以上，溫升將增高10～15％以上，絕緣老化程度將比規(guī)定增加一倍以上，從而明顯地縮短電動(dòng)機(jī)的適用壽命。

由于轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速下降，不僅會(huì)降低生產(chǎn)效率，減少產(chǎn)量，而且還會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，增加廢次品。當(dāng)其端電壓較其額定電壓偏高時(shí)，負(fù)荷電流和溫升也將增加，絕緣相應(yīng)受損，對(duì)電動(dòng)機(jī)同樣不利，也要縮短其使用壽命。

②對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的影響

當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的端電壓偏高或偏低時(shí)，由于轉(zhuǎn)矩也要按電壓平方成正比變化，因此同步電動(dòng)機(jī)的電壓偏差，除了不會(huì)影響其轉(zhuǎn)速外，其他如對(duì)轉(zhuǎn)矩、電流和溫升等的影響，均與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同。

③對(duì)電光源的影響

電壓偏差對(duì)熒光燈及其他氣體放電燈的影響在于，當(dāng)其端電壓偏低時(shí)，燈管不易啟燃。如果多次反復(fù)啟燃，則燈管壽命將大受影響。而且電壓降低時(shí)，照度下降，影響工作。

（3）改善電壓偏差的措施

①合理選擇變壓器的變壓比和電壓分接頭。選擇分接頭的目的是通過改變變壓器的變壓比，使最大負(fù)荷引起的電壓負(fù)偏差與最小負(fù)荷引起的電壓正偏差得到調(diào)整，使之保持在各自的合理范圍內(nèi)，但不能縮小正負(fù)偏差之間的范圍。

②合理減少配電系統(tǒng)阻抗。例如盡量縮短線路長(zhǎng)度，采用電纜代替架空線，加大電纜或?qū)Ь€的截面等。

③合理補(bǔ)償無功功率，并調(diào)整并聯(lián)補(bǔ)償電容器組接入容量。

④盡量使三相負(fù)荷平衡。

⑤改變供配電系統(tǒng)運(yùn)行方式。如切、合聯(lián)絡(luò)線或?qū)⒆儔浩鞑?、分列運(yùn)行，以借助配電系統(tǒng)阻抗的改變，來調(diào)整電壓的偏差。

2.2.2 電壓波動(dòng)

（1）電壓波動(dòng)是指電網(wǎng)電壓有效值連續(xù)快速地變動(dòng)。

電壓波動(dòng)值，以用戶公共供電點(diǎn)的在時(shí)間上相鄰的最大與最小電壓有效值Umax與Umin之差對(duì)電網(wǎng)額定電壓UN的百分比值來表示，即：

（2）電壓波動(dòng)的產(chǎn)生與危害

電壓波動(dòng)是由于負(fù)荷急劇變動(dòng)的沖擊性負(fù)荷所引起的。負(fù)荷急劇變動(dòng)，使電網(wǎng)的電壓損耗相應(yīng)變動(dòng)，從而使用戶公共供電點(diǎn)的電壓出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。

電網(wǎng)電壓波動(dòng)可影響電動(dòng)機(jī)的正常起動(dòng)；會(huì)引起同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子振動(dòng)；可使電子設(shè)備和電子計(jì)算機(jī)無法正常工作等?？墒拐彰鳠艄獍l(fā)生明顯的閃變，嚴(yán)重影響視覺。

（3）抑制電壓波動(dòng)的措施

①對(duì)負(fù)荷變動(dòng)劇烈的大型電氣設(shè)備，采用專用線路或?qū)Ｓ米儔浩鲉为?dú)供電。

②設(shè)法增大供電容量，減小系統(tǒng)阻抗。

③在系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重電壓波動(dòng)之時(shí)，切除或減少引發(fā)電壓波動(dòng)的電網(wǎng)負(fù)荷。

④對(duì)大容量的電弧爐變壓器，適合以較大短路容量的電網(wǎng)進(jìn)行供電，通常是選用電壓等級(jí)更高的電網(wǎng)進(jìn)行供電。

⑤對(duì)于大型沖擊負(fù)荷，若采取以上措施仍然無法達(dá)到要求，則可以安裝對(duì)沖擊性無功功率進(jìn)行“吸收”的靜止式無功補(bǔ)償設(shè)備（SVC）。

2.2.3 電網(wǎng)諧波

（1）諧波是指對(duì)周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻（50Hz）相同的分量。

（2）諧波的產(chǎn)生與危害

①造成電網(wǎng)功率損耗的增大、縮短設(shè)備壽命、使接地保護(hù)性能和遙控性能失常以及設(shè)備與線路過熱等，尤其是三次諧波將在中性線產(chǎn)生極大的電流，致使配電變壓器零線電流超過相線的電流值，引起設(shè)備運(yùn)行的不安全性。諧波對(duì)于電網(wǎng)可靠性、穩(wěn)定性、安全性的影響，還體現(xiàn)在可能造成電網(wǎng)諧振，使正常供電中斷，擴(kuò)大事故甚至造成電網(wǎng)的解裂等。

②造成變電站的局部串聯(lián)或并聯(lián)諧振，引起電壓互感器設(shè)備的損壞；致使變電站體系中的元件和設(shè)備上出現(xiàn)附加諧波耗損，造成電力電纜和電力變壓器以及電動(dòng)機(jī)等裝置發(fā)熱，損壞電容器，并使絕緣材料加速老化；延長(zhǎng)斷路器熄滅電弧的時(shí)間，并對(duì)斷路器開斷容量產(chǎn)生影響；使得電子元件自動(dòng)裝置或繼電保護(hù)的誤動(dòng)作；同時(shí)，也會(huì)影響通信系統(tǒng)和電子儀表的正常運(yùn)行，使通信質(zhì)量降低；增大了附加磁場(chǎng)干擾等。

（3）抑制諧波的措施

抑制高次諧波主要有以下幾個(gè)方面：

①供各種大功率非線性用電裝置的變壓器通過較大短路容量的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電，且電網(wǎng)短路容量如果越大，則其對(duì)非線性負(fù)載的承受性能會(huì)越高。

②采取多相整流型電路。對(duì)整流變壓器的二次繞組連接方法進(jìn)行變更，可得到多相整流型電路，相數(shù)越多則整流電壓的最低次諧波的頻率將越高，其幅值也越小，從而對(duì)電網(wǎng)的波形影響將會(huì)越小。

③采用Dyn11聯(lián)結(jié)組別的三相配電變壓器，可以消除3次及3的整數(shù)倍次的高次諧波。

④裝設(shè)各種類型的濾波器。在交流裝置附近接入濾波器是抑制和吸收高次諧波的有效措施。

⑤有源諧波濾波補(bǔ)償改善波形畸變。有源諧波濾波補(bǔ)償是消除交流電源側(cè)諧波、改善波形畸變的補(bǔ)償方法。

⑥在大功率的晶閘管變流裝置中采用數(shù)字式等距離觸發(fā)控制方式，可減少非線性諧波的產(chǎn)生。

2.2.4 三相不平衡

（1）三相不平衡的產(chǎn)生與危害

在三相供電系統(tǒng)中，如果三相的電壓或電流幅值或有效值不相等，或者三相的電壓或電流相位差不為120°時(shí)，則稱此三相電壓或電流不平衡。

三相供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下出現(xiàn)三相不平衡的主要原因是三相負(fù)荷的不平衡。

三相電壓的不平衡將引發(fā)繼電保護(hù)的誤動(dòng)、使電機(jī)附加上振動(dòng)力矩并發(fā)熱，額定轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)，若長(zhǎng)期處于負(fù)序4％電壓含量狀況下運(yùn)行，則會(huì)因發(fā)熱而使電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命降低一半，如果某相電壓比額定電壓高，則其運(yùn)行壽命降低將會(huì)更為嚴(yán)重。

（2）改善三相不平衡的措施

①使三相負(fù)荷均衡分配。在進(jìn)行供配電設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使三相負(fù)荷均衡分配。三相系統(tǒng)中各相裝設(shè)的單相用電設(shè)備容量之差應(yīng)不超過15％。

②使不平衡負(fù)荷分散連接。盡可能將不平衡負(fù)荷接到不同的供電點(diǎn)，以減少其集中連接造成電壓不平衡度可能超過允許值的問題。

③將不平衡負(fù)荷接入更高電壓的電網(wǎng)。由于更高電壓的電網(wǎng)具有更大的短路容量，例如電網(wǎng)短路容量大于負(fù)荷容量50倍時(shí)，就能保證連接點(diǎn)的電壓不平衡度小于2％。

④采用三相平衡化裝置。如具有分相補(bǔ)償功能的靜止型無功補(bǔ)償裝置（SVC）。

電能質(zhì)量已成為電力企業(yè)和用戶共同關(guān)心的課題，我們應(yīng)因地制宜，對(duì)癥下藥，在深入調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，改善電能質(zhì)量，以滿足我們的需求。

[1]工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）.中國電力出版社.

[2]電能質(zhì)量.《供電電壓偏差》（GB/T12325-2008）.

[3]電能質(zhì)量.《電壓波動(dòng)和閃變》（GB/T12326-2008）.

[4]電能質(zhì)量.《公用電網(wǎng)諧波》（GB/T14549-1993）.

[5]電能質(zhì)量.《三相電壓不平衡》（GB/T15543-2008）.

TM711

A

1004-7344（2016）02-0238-02

2016-1-4

葛露萍（1980-），女，工程師，本科，主要從事供配電設(shè)計(jì)工作。