電能質量的概念

什么是電能質量？

電能質量是指通過公用電網供給用戶端的交流電能的品質。理想狀態的公用電網應以恒定的頻率、正弦波形和標準電壓對用戶供電。同時，在三相交流系統中，各相電壓和電流的幅值應大小相等、相位對稱且互差120°。但由于系統中的發電機、變壓器和線路等設備非線性或不對稱，負荷性質多變，加之調控手段不完善及運行操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想的狀態并不存在，因此產生了電網運行、電力設備和供用電環節中的各種問題，也*產生了電能質量的概念。圍繞電能質量含義，從不同角度理解通常包括：

（1）電壓質量：是以實際電壓與理想電壓的偏差，反映供電企業向用戶供應的電能是否合格的概念。這個定義能包括大多數電能質量問題，但不能包括頻率造成的電能質量問題，也不包括用電設備對電網電能質量的影響和污染。

（2）電流質量：反映了與電壓質量有密切關系的電流的變化，是電力用戶除對交流電源有恒定頻率、正弦波形的要求外，還要求電流波形與供電電壓同相位以保證高功率因素運行。這個定義有助于電網電能質量的改善和降低線損，但不能概括大多數因電壓原因造成的電能質量問題。

（3）供電質量：其技術含義是指電壓質量和供電可靠性，非技術含義是指服務質量。包括供電企業對用戶投訴的反映速度以及電價組成的合理性、透明度等。

（4）用電質量：包括電流質量與反映供用電雙方相互作用和影響中的用電方的權利、責任和義務，也包括電力用戶是否按期、如數交納電費等。

目前針對電能質量問題研究的主要內容有哪些？

目前，研究和解決電能質量問題已成為電力發展的當務之急。主要研究課題包括：

（1）研究諧波對電網電能質量污染的影響并采取相應的對策。由于鋼鐵等金屬熔煉企業的發展，化工行業整流設備的增加，大功率晶閘管整流裝置及電力電子器件的開發應用，使公用電網的諧波影響日趨嚴重，電源的波形產生了嚴重的畸變，影響了電網安全可靠運行。

（2）研究諧波對電力計量裝置的影響并采取相應的措施。由于波形畸變，使電力計量的準確度與*度到影響，致使計量誤差，產生附加的功率損耗，造成不必要的經濟損失。

（3）研究電能質量污染對高新技術企業的影響并采取相應的技術手段。由于計算機系統和基于微電子技術控制的自動化生產流水線以及新興的IT產業、微電子芯片制造企業等，對電能質量的要求和敏感程度比一般電力設備要高得多，任何暫態和瞬態的電能質量問題都可能造成設備的損壞或運行異常，影響正常的生產，給電力用戶造成經濟損失。

（4）加強電能質量控裝置的研制。電能質量控制裝置的基本功能即使要在任何條件，甚至是極為惡劣的供電條件下改善電能質量，保證供電電壓、電流的穩定、可靠，在諧波干擾產生的瞬間能立即將其抑制或消除。

我國對電網的電能質量制定了哪些*標準？

（1）GB 12325－1990《供電電壓允許偏差》。

（2）GB/T 14549－1993《公用電網諧波》。

（3）GT/T 15543－1995《三相電壓允許不平衡度》。

（4）GB/T 15945－1995《電力系統頻率允許偏差》。

（5）GB 12326－2000《電壓允許波動和閃變》。該標準是在GB 12326－1990《電冶允許波動和閃變》的基礎上，參考了國際電工委員會IEC電磁兼容IEC6100-3-7等文件和標準修訂后重新頒布實施的。

（6）GB/T 18481－2001《電能質量 暫時過電壓和瞬態過電壓》。

國際電工委員會IEC對電能質量是怎樣分類的？

國際電工委員會IEC從電磁兼容及相互干擾的角度考慮，對引起電磁干擾的基本現象進行了分類，見表1－1。

表1－1 IEC對電能質量根據電磁干擾現象的分類方式

國際電力電子工程師協會IEEE對電能質量問題是怎樣分類的？

國際電力電子工程師協會IEEE根據電壓擾動的頻譜特征、持續時間、幅值變化等將其進行了細分，并對供電系統典型的電磁干擾現象進行了特征分類，為準確地區分電壓暫態現象提供了依據，見表1－2。

表1－2 IEEE電力系統電磁現象的特性與分類

什么是電力系統頻率？

電力系統頻率是指電力系統統一的一種允許參數，*標準GB/T 15945－1995《電力系統頻率允許偏差》規定以50Hz正弦波作為我國電力系統的標準頻率（工頻），并規定電力系統正常的頻率標準為50Hz±0.2Hz。當系統容量較小時，可放寬到50Hz±0.5Hz。但GB/T 15945－1995《電力系統頻率允許偏差》中并沒有說明系統容量大小的界限，全國供用電規則中規定了供電局供電頻率的允許偏差：電網容量在3000MW及以上者為0.2Hz；電網容量在3000MW以下者為0.5Hz。實際運行中，我國各跨省電力系統頻率的允許偏差都保持在＋0.1~－0.1Hz。因此，電壓頻率目前在電能質量中*有保障。

什么是供電電壓允許偏差？

供電電壓允許偏差是指電力系統各處的電壓偏離其額定值的百分比。目前，GB12325－1990《供電電壓允許偏差》中規定：電壓允許偏差是在正常運行條件下應保持電網各點電壓在額定的水平上。其中：35kV及以上供電和對電壓質量有特殊要求的用戶為額定電壓的＋5~－5％；10kV及以下高壓供電和低壓電力用戶為額定電壓的＋7%~－7％；低壓照明用戶為額定電壓的＋5％~－10％。

由于電網各點的電壓調節不同于頻率的調節，可由電網統一進行，又由于電網各點電壓主要反映了該點無功功率的供需關系，因此電壓調節一般采取了無功*地平衡的方式進行無功功率補償，并及時調整無功功率補償量，以從源頭上解決問題。也有采取調整同步發電機勵磁電流的方式，以產生超前或滯后的無功功率，從而達到改善網絡負荷的功率因數和調整電壓偏差的目的。還有利用有載調壓變壓器，采取對電壓偏差及時調整的方式。因為從總體上考慮，無功負荷只宜補償到功率因數0.90～0.95，但仍然有一部分變化無功負荷要電網供給，從而產生電壓偏差，這*需要分區采取一些有效的技術手段，而有載調壓變壓器*是有效而經濟的措施之一。

什么是三相電壓不平衡度？

三相電壓不平衡度是指三相系統中三相電壓的不平衡度程度，用電壓或電流負序分量與正序分量的均方根百分比表示。三相電壓不平衡（即存在負序分量）會引起繼電保護誤動、電機附加振動力矩和發熱。額定轉矩的電動機，如長期在負序電壓含量4％的狀態下運行，由于發熱，電動機絕緣的壽命將會降低一半，若某相電壓高于額定電壓，其運行壽命的下降將更加嚴重。

我國目前執行的GB/T 15543－1995《三相電壓允許不平衡度》規定了電力系統公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2％，同時規定了短時的不平衡度不得超過4％，其短時允許值的概念是指任何時刻均不能超過的限制值，以保證繼電保護和自動裝置正確動作。對接入公共連接點的每個用戶引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為1.3％。

什么是電壓波動和閃變？

電壓波動和閃變是指電壓幅值在一定范圍內有規則變動時，電壓*大值與*小值之差相對額定電壓的百分比，或電壓幅值不超過0.9p.u.~1.1p.u.的一系列隨即變化。這種電壓變化被稱為閃變，以表達電壓波動對照明燈的視覺影響。因此，閃變是說明對不同頻率電壓波動引起燈閃的敏感度及引起閃變刺激性程度的電壓波動值，是人眼對燈閃的一種主觀感覺。

對用戶負荷引起的閃變限制，是根據用戶負荷的大小、協議用電容量占供電容量的比例及系統電壓等級規定的。電力系統公共供電點由沖擊負荷產生的電壓波動允許值的百分數，分三級作不同的規范和限制。

（1）10kV及以下為2.5

（2）35～110kV為2.0

（3）220kV及以上為1.6

GB 12326－2000《電壓允許波動和閃變》特別規定了各級電壓下的閃變限制值，它適用于由波動負荷引起的公共連接點電壓的快速變動及由此可能造成人對燈閃明顯感覺的場合。

什么是電壓諧波？

電壓諧波是指電力系統各公共連接點的電壓諧波含有率允許值。國際電工委員會文件IEC61000－3－6《中、高壓電力系統畸變負荷發射限制的評估》提出了決定畸變負荷接入電網時所作評估的一些基本原則和評估程序。其目的是將電網的諧波電壓限制到對所有用電設備不致造成有害影響的水平（兼容水平），保證對接入電網的用戶都有合適的供電質量，并提出了電網諧波的兼容水平、規劃水平和發射水平三個方面的標準。我國目前執行的電壓諧波標志是GB/T 14549－1993《公用電網諧波》，標準中對電網0.38，6，10，35，66，110kV電壓等級公共連接點的電壓諧波含有率允許值做了明確的規定。

什么是間諧波？

間諧波是指不是工頻頻率整數倍的諧波。間諧波往往由較大的電壓波動或沖擊性非線性負荷所引起，所有非線性的波動負荷如電弧爐、電焊機，各種變頻調速裝置，同步串級調速裝置及感應電動機等均為間諧波源，電力載波信號也認為是一種間諧波。

間諧波源的特點是放大電壓閃變和對音頻干擾，影響電視機畫面及增大收音機的噪聲，造成感應電動機振動及異常。對于采用電容、電感和電阻構成的無源濾波器電路，間諧波可能會被放大，嚴重時會使濾波器因諧波過載而不能投運，甚至造成損壞。間諧波的影響和危害等同整數次諧波電壓的影響和危害已成共識，IEC 61000－3－6對間諧波的發射水平作出了明確的說明，如間諧波電壓水平應低于鄰近諧波水平，并規定為（0.5%~1%）UN。我國目前還沒有制定相應的*標準給出限制規定。

什么是暫時過電壓和瞬時過電壓？

（1）暫時過電壓是指在給定安裝點上持續時間較長的不衰減和弱衰減的（以工頻或其一定的倍數、分數）振蕩的過電壓。

（2）瞬態過電壓是指持續時間數毫秒或更短，通常帶有強阻尼的振蕩或非振蕩的一種過電壓。它可以疊加于暫時過電壓上。

暫時過電壓和瞬態過電壓使由于電力系統運行操作，或遭受雷擊，或發生故障等因素引起的，是供電特性之一。新頒布的*標準GB/T 18481－2001《電能質量 暫時過電壓和瞬態過電壓》，規定了作用于電氣設備的暫時過電壓和瞬態過電壓要求、電氣設備的絕緣水平及過電壓保護方法，并對過電壓的相關術語、定義做了比較詳盡的論述。

什么是電壓暫降和電壓上升？

（1）電壓暫降是指由于系統故障或干擾造成用戶持續時間0.5周波至1min內下降到額定電壓或電流的10％～90％。即幅值為0.1p.u.~0.9p.u.時系統頻率仍為標稱值，然后又恢復到正常水平。國際上普遍認為，電壓幅值低于0.1p.u.或大于0.5個周波的供電中斷對敏感用戶和嚴格用戶而言都屬于斷電故障。電壓暫降可能造成某些用戶的生產停頓或次品率增加，而供電恢復時間取決于自動重合閘或自動功能轉換裝置的動作時間，因此傳統的機械式斷路器已不能滿足對敏感和嚴格用電負荷的要求，目前主要采取的方案是利用高速固態切換開關SSTS、動態電壓恢復器DVR或利用不間斷電源UPS作后備電源并配合固態電子開關等措施。

（2）電壓上升是指電壓的有效值升至額定值的110％以上，典型值為額定值的110％～180％稱為電壓上升，即暫時性超過標稱值10％以上，系統頻率仍為標稱值，持續時間為0.5周波～1min，幅值為1.1p.u.~1.8p.u.。

什么是斷電和電壓中斷？

（1）斷電是指由于系統發生故障，造成用戶在一定時間內一相或多相失去電壓，低于0.1p.u.稱為斷電。斷電按持續時間分為三類：其一，0.5~3s稱為瞬態斷電；其二，3~60s稱為暫時斷電；其三，大于60s稱為持續斷電。

（2）電壓中斷是指斷電的持續時間大于3min。斷電和電壓中斷往往是由于電力系統故障引起的，如供電線路遭受雷擊、對地閃絡，或是系統線路發生外力破壞致使保護動作等。由于短時失電后又重合閘，致使電壓突然跌到零或接近零。電壓中斷將致使一些用戶生產停頓，造成重大的經濟損失或產生嚴重的后果。

什么是電壓瞬變？

電壓瞬變又稱為瞬時脈沖，是指在一定時間間隔內，兩個連續穩態之間的一種在極短時間內發生的現象或數量變化。

這種瞬時脈沖可以是任一極性的單方向脈沖，也可以是*個峰值為任意極性的衰減振蕩波，即發生在任一極性阻尼振蕩波的*個尖峰。

什么是過電壓和欠電壓？

（1）過電壓是指電壓幅值超過了標稱電壓，且持續時間大于1min。過電壓的幅值為1.1p.u.~1.2p.u.

（2）欠電壓是指電壓幅值小于標稱電壓，且持續時間大于1min。欠電壓的幅值為0.8p.u.~0.9p.u.

什么是電壓切痕？

電壓切痕（也稱為電壓缺口）是指一種持續時間小于0.5周波的周期性電壓擾動。電壓切痕主要是由于電力電子裝置在有關兩相間發生瞬態短路時，電流從一相轉換到另一相而產生的。電壓切痕的頻率會非常高。用常規的諧波分析儀器很難測量出電壓切痕，這*是過去從未有過的此項電壓擾動的內容，直到*近才被國際電力電子工程師協會IEEE列入的主要原因。

什么是穩態電壓擾動？

穩態電壓擾動是指以電源電壓波形畸變為特征而引起電能質量污染的各種穩態電能質量問題。穩態電壓擾動主要包括：

（1）諧波。其特征指標是出現諧波頻譜電壓和諧波頻譜電流的波形。

（2）陷波。其特征指標是陷波的持續時間及幅值大小。

（3）電壓閃變。其特征指標是波動幅值、調制頻率等。

（4）三相電壓不對稱。其特征指標是不平衡因子，產生的主要原因是三相負載不平衡。

什么是暫態（瞬態）電壓擾動？

暫態（瞬態）電壓擾動是指電源電壓的正弦波形受到暫態（瞬態）的電壓擾動而發生畸變，引起電能質量的污染的各種問題。暫態電能質量問題是以頻譜和暫態持續時間為特征的，一般分為脈沖暫態和振蕩暫態兩種類型。暫態（瞬態）電壓擾動的主要特征包括：

（1）暫態諧振。其特征指標是波形、峰值和持續時間，產生的原因是由于線路、負載和電容器組的投切，造成的后果是破壞運行設備的絕緣、損壞電子設備等。

（2）暫態脈沖。其特征指標是電壓上升時間、峰值和持續時間，產生的原因是線路遭受雷擊或感性電路分合等，造成的后果是破壞運行設備的絕緣。

（3）瞬時電壓上升或暫降。其特征指標是幅值、持續時間、瞬時值/時間，產生的原因通常是由于大容量電動機啟動、負荷瞬變、電力系統切換操作或遠端發生故障等引起的，這是電力用戶投訴*多的一種電壓擾動，這是因為瞬時電壓上升或暫降可能造成用電設備發生運行故障、敏感負載不能正常運行等后果。

什么是動態電能質量問題？

國際電力電子工程師協會IEEE將電磁系統中典型的暫態現象進行了特征分類，主要列出了暫態和瞬態擾動現象，根據擾動的頻譜特征、持續時間、幅值變化等，將其分為瞬時、短時和長期的電壓變動三大類，在此基礎上又進一步細分出18個子類。其中，短時電壓變動，尤其是電壓中斷和跌落已成為國際上所關注的問題。這些問題對于具有較強慣性距的傳統電機設備也許沒有明顯的影響，但對敏感和嚴格的用電負荷，如集成電路芯片制造和微電子控制的生產流水線等，將可能造成極大的危害，并已成為現代電能質量的重要問題，使電能質量的內涵也發生了較大的變化。

（1）傳統的電能質量問題，如諧波、三相不對稱等繼續存在，而且嚴重性正在增加。

（2）目前，隨著供電可靠性的不斷提高，人們已逐步將注意力轉向新的動態電能質量問題。如持續時間為毫秒級的動態電壓升高、脈沖、電壓跌落和瞬時供電中斷等。

電能質量問題的性質、產生原因及解決方法見表1－4。

表1－4電能質量問題的性質、產生原因及解決方法

用電負荷的分類與電能質量的敏感度有哪些對應關系？

根據用電設備負荷的特性及不同的用電負荷對電能質量的要求與敏感度，一般將用電負荷分為三大類。

（1）普通負荷（Common Load）

普通負荷對電能質量的要求不太高，只有在發生持續斷電或電壓波動幅度過大，持續時間較長才會受到影響。同時，本身對電網的電能質量基本不形成影響和危害。如照明設備、加熱器、通風機、一般家用電器等。

（2）敏感負荷（Sensitive Load）

敏感負荷對電能質量有一定的要求，電能質量不好可能對此類負荷會造成一定的影響和危害。同時，本身對電網的電能質量也可能造成一定的影響和污染。因此，需要采取一定的措施和對策。如電動機控制器、UPS電源、變速調速裝置等。

（3）負荷（Critical Load）

嚴格符合對電能質量的要求非常高，電能質量出現問題對秧嚴格負荷會造成嚴重的后果，可能損壞設備，影響生產。同時，對電網的電能質量也會造成一定的影響和危害。因此，對嚴格負荷必須確保電能質量符合應用要求。如集成電路芯片制造流水線、微電子產品的智能化流水線、銀行及證券交易中心的計算機系統等，均屬于嚴格用電負荷。