衡量电网中电能质量的指标以及研究电能质量的意义

摘要：本文概述了衡量电网中电能质量的指标以及研究电能质量的意义

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一.衡量电网中电能质量的指标

    为了保证用户用电设备正常工作，除保证供电不间断外，还要使供电电压波形符合要求，因此提出了电能质量的概念。电能质量，指供应到用户受电端电能的品质，通常指供电电压幅值及其波形的质量。

    配电网用电设备一般都是按照额定频率（中国规定是50 Hz）和额定电压的标准正弦波设计的，并且要求三相电压和电流对称，即各相电压、电流幅值相等，相位相差120o。如果供电电压幅值、波形以及三相对称性出现偏差，将影响用电设备的运行性能和效率，缩短用电设备寿命，同时也会影响由这些设备生产的产品质量和数量，在严重情况下可能造成停工停产、危害人身安全、影响社会秩序等严重后果。

    电能质量是由一系列指标来量度的。按照中国1990年以后颁布、修订的电能质量标准，电能质量指标包含电压偏差、频率偏差、电压波动与闪变、谐波、三相不平衡、电压暂降等方面的指标内容。在电力走向市场化的今天，研究电能质量问题，要把用户“感受”到的电能质量不合格，或者说电能质量扰动是否会给用户带来不良影响，作为考虑电能质量问题的重要方面。例如，电压暂降或供电瞬时中断极易使一些高科技用电设备出现异常，引起严重后果，应该引起重视并予以解决。

1.电压偏差

  电压偏差指某一时段内，电压幅值（指电压有效值）缓慢变化而偏离额定值的程度，以电压实际值与额定值之差或其百分比值来表示，即式中：U为检（监）测点的电压实际值，V；UN为检（监）测点系统电压额定值，V。

  电压偏差超过一定范围，用电设备会由于过电压或过电流而损坏。电网电压过低或无功功率远距离流动，会使电网线损（有功功率损耗）增加，导致电网运行的经济性降低。中国规定，供电电压与额定电压的允许偏差：35kV及以上的供电电压，正负允许偏差的绝对值之和小于10％的额定电压；10kV及以下的用户端三相供电电压，允许偏差为额定电压的±7％；220V单相用户端供电电压，正负允许偏差为额定电压的+7％与-10％。

2.频率偏差

  频率偏差指电力系统实际频率与额定频率的差值或其差值与额定值的百分比，即式中：f为电力系统运行实际频率值，Hz；fN为额定频率，Hz。

  如果频率过高或过低，则动力设备的转速将随频率的高低而改变，因而会影响对速度敏感的工业产品的质量；系统内一些与频率有关的损耗也将升高，影响运行的经济性。中国规定频率允许偏差为±0.2 Hz，系统容量较小时，允许偏差为±0.5 Hz。中国大区域电力系统实际运行频率偏差都在±0.1 Hz之内。

3.电压波动与闪变

电压波动指某一段时间内电压急剧变化而偏离额定值的现象。通常电压变化速率大于每秒1％时，即为电压急剧变化。电压波动以电压急剧变化过程中相继出现的电压最大值与最小值之差或其与额定值的百分比来表示，即式中：UN为额定电压，V；Umax与Umin分别为某段时间内电压波动的最大、最小值，V。

  电压波动与电压偏差概念不一样，电压偏差主要指电压有效值的缓慢变化，而电压波动反映的是电压有效值的快速变化。电压波动通常是由配电网中冲击性大负荷引起的。中国国家标准规定电压波动允许值δU％：10kV以下系统为2.5％，35～110kV为2％。

  如果电压有效值波动呈周期性，将会引起照明灯、电视机闪烁，造成人眼视觉主观感觉不舒适，这种现象称为闪变。日光灯和电视机等设备对电压波动的敏感程度远低于白炽灯，因此，一般选白炽灯的工况作为判断电压波动值是否被接受的依据。

  一般情况下，电压波动的主要危害是闪变，但电压波动并不等同于闪变，因为闪变是人对照度波动的主观视觉。不同人的视感是有差异的，因此，需要对观察者的闪变视感进行抽样调查。为了解人的视觉对闪变的反映程度，国际电工委员会（IEC）推荐采用不同的波形、频度、幅值的调幅波和工频电压作为载波向工频230V、60 W的白炽灯供电，经观察者抽样（＞500人）调查闪变觉察率F（％）的统计公式为 ，式中：A为没有觉察的人数；B为略有觉察的人数；C为有明显感觉的人数；D为不能忍受的人数。

人的主观视觉对电压波动引起照度波动的反应称为瞬时闪变视感度。通常以闪变觉察率F为50％的情况下的瞬时闪变视感度S作为1个觉察单位来进行衡量。

4.谐波

  在理想情况下，电力系统供电电压波形应是正弦波形，但由于配电系统中存在大量的具有铁芯结构的电力设备、电力电子设备和整流装置或电弧炉等，即存在大量的谐波源，实际供电波形已不再是理想的正弦波，这种现象称为电压正弦波形畸变。根据傅里叶分析原理，一个畸变的正弦波形可以分解为基波和若干个频率是基波频率整数倍的谐波之和。电压正弦畸变程度以电压正弦波形的畸变率DFU表示。

DFU为各次谐波电压的均方根值与基波电压有效值之比的百分数，即式中：Un为第n次谐波的电压有效值，V；U1为基波电压有效值，V。

  谐波的存在将使配电系统中的功率损耗增加，配电设备过热、寿命缩短；会引起系统内某些继电保护误动，造成供电中断；使电动机损耗增加、效率下降，运转发生振动而影响工业产品的质量；此外，还影响电能表（主要是感应式电能表）的准确计量。为避免或减少谐波的不良影响，需要对允许的谐波含量作出规定。中国国家标准规定的公用电网谐波电压（相电压）限值如表

   配电系统大部分谐波源产生的谐波电流波形具有对称于时间轴的特点，所以电压中所含的谐波分量以奇次谐波为主。为了控制公用电网的谐波，必须限制每个谐波源注入电力系统的谐波电流，因此，规定了限制用户非线性设备注入电力系统的谐波允许值。

5.三相电压不平衡

   在理想的三相交流系统中，三相电压值应相同，且相位按A、B、C相的顺序互成120°相角，这样的系统叫作三相平衡（或对称）系统。但由于故障（如断线）、负荷不对称等因素的影响，实际电力系统并不是完全平衡的。三相电压不平衡意味着存在负序分量，这将使电动机产生振动力矩并发热，严重时会引起继电保护误动。

   电力系统三相电压不平衡的程度用不平衡度来表示，其值用电压负序分量与正序分量的均方根之百分比εU表示，即式中：U1为三相电压的正序分量的均方根值，V；U2为三相电压负序分量的均方根值，V。

   中国标准规定，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％。实际电力系统电压不平衡度指标，在空间和时间上均处于动态变化之中，从整体上表现出统计的特性，因此标准中规定用95％概率值作为衡量值，就是说，标准中规定的“正常电压不平衡度允许值为2％”是在测量时间95％内的限值，而剩余5％时间可以超过2％，但最大不得超过4％。标准规定了对每个用户电压不平衡度一般限值为1.3％。

6.电压暂降

   电压暂降指供电电压的有效值短时间暂时下降的现象，又称电压骤降。目前，国际上还没有统一的电压暂降标准。美国电气与电子工程师协会推荐标准IEEE Std 1159—1992 IEEE Recom mended Practice for Monitoring Electric Power Quality对电压暂降的定义为：供电电压有效值突然降至额定电压的90％～10％（0.9p.u.～0.1p.u.），然后又恢复至正常电压，这一过程的持续时间为10 ms～60s。中国电压电流等级和频率标准化委员会2012年发布的标准G B/T 30137—2013《电能质量电压暂降与短时中断》给出电压暂降的定义为：电力系统中某点工频电压方均根值暂时降低至0.01p.u.～0.9p.u.，并在短暂持续10 ms～1 min后恢复正常的现象。

   引起电压暂降的原因主要是电网发生短路故障。一些用电设备（如电动机）起动或突然加荷，也会造成电网电压短时下降。实际系统中，电压暂降发生的频率非常大，往往数倍于停电事件。与停电相比，电压暂降有发生频度高、经历时间短、事故原因不易觉察的特点，处理起来也比较困难。

   电压暂降会引起敏感控制设备跳闸，造成计算机系统失灵、自动化控制装置停顿或误动、变频调速器停顿等；引起接触器跳开或低压保护启动，造成电动机、电梯等停顿；引起金属卤化物类光源（碘钨灯）熄灭，造成公共活动场所失去照明。因此，电压暂降会给工商业带来很大的经济损失，甚至会危害人身及社会安全。

   与电压波动等电能质量问题一样，电压暂降并不是一个新问题。但由于以往的绝大多数用电设备对电压的短时突然变化不敏感，该问题没有引起人们的重视。20世纪80年代以来，随着计算机、可编程逻辑控制器、变频调速设备等数字设备的应用和工业生产过程自动化程度的提高，对供电质量提出了更高的要求，该问题才引起了有关部门和科研人员的广泛关注。实际上，目前造成用电设备不正常运行的主要电能质量问题是电压暂降引起的。据国外统计，用户电能质量问题投诉中，由于电压暂降原因造成的占80％以上［12］。因此，电压暂降已成为国际上电能质量研究的首要问题。

   用于评估电压暂降的一个基本指标是SARFI（x），通过对被评估系统的所有用户在单位时间（一般为1年）进行监测，统计各用户感受到电压暂降次数及每一次电压暂降时的电压有效值，从而得出用户平均经受的电压有效值在x％以下的电压暂降次数，即式中：x是电压有效值的阈值，取值范围在90～10之间；Ni是经受电压暂降的用户1年中感受到的电压有效值小于x％的电压暂降次数；NT为被评估系统的用户总数。例如用户1年中平均经受了3次电压有效值低于70％的电压暂降，则S A R FI（70）=3。

   SARFI（x）与反映用户平均停电次数的指标SAIFI类似。SAIFI用来评价供电中断的次数，SARFI（x）将电压暂降发生的频次与幅值下降严重程度统一考虑，反映电压暂降到某种电压值以下的频度（概率），能够确切地反映电压暂降对用电设备的影响。

   电压暂降对敏感负荷的影响取决于其暂降幅值与历时。为减少危害，要求对电压暂降敏感的用电设备具有一定的耐受能力（又称免疫力），即遭受一定幅值与历时的电压暂降时不会出现异常。美国半导体制造行业协会制定的SE MI F47-0200标准规定：半导体制造设备耐受的电压暂降历时在电压为50％标称值时为0.05s～0.2s，电压为70％标称值时为0.2s～0.5s，电压为80％标称值时为0.5s～1.0s，SE MI F47-0200特性曲线如图1-4所示。

二.研究供电电能质量的损失意义

   现代社会的生产、生活，几乎一刻也离不开电，供电中断等供电质量的扰动，将给社会带来巨大的经济损失。据报道，美国每年因供电中断造成的经济损失达1500亿美元［13］。根据国际上普遍采用的估算方法，中国每年因供电中断造成的损失也有数千亿元。

   供电质量取决于供电系统的电网结构、技术装备与运行管理水平。提高供电质量可以减少用户损失，同时也需要增加电网投入，包括设备投资与运行管理费用。电网的投入与供电质量损失之和称为供电总成本。供电企业在进行电网建设或技术改造决策时，需要综合考虑电网投入与减少的供电质量损失，本着供电总成本最低的原则，确定实施方案。

   配电网继电保护与自动化方案对供电质量有着决定性的影响，而在研究配电网继电保护与自动化问题时，必须考虑用户的供电质量损失，否则难以对一个具体的解决方案的技术经济可行性进行准确、合理的论证。例如，在推广应用配电网自动化的过程中，不少人认为其投资巨大而回报率比较低；之所以有这种想法，主要是对配电网自动化减少用户停电损失的作用认识不足。

   国际上对供电质量损失，特别是停电损失方面，做了大量研究工作，取得了一系列研究成果。目前，国内对供电质量损失问题的研究还相对不够，对供电质量损失的严重性还缺少共识，导致对实施配电网自动化的经济效益认识不足。

 三.电能质量在线监测装置的应用

   ZRR-8001数字式电能质量监测装置，主要用于监测、分析、评估监测点的电能质量，主要包括电能质量实时监测、电能质量事件告警、录波、数据统计、评估分析5个主要功能。实时监测分析的主要指标为：基本电气参量，电压偏差，谐波电压、谐波电流、间谐波、频率偏差、三相电压不平衡度、电压波动与闪变等，所有实时监测的参量和电能质量指标均可长时间存储检索。针对电能质量越限、电压暂升和电压暂降、装置提供事件告警和录波分析功能。

   ZRR-8001数字式电能质量监测装置适用于用户侧电能质量或者发电侧电能质量的监测，满足风电场电能质量监测、配电网电能质量监测、输电电压中枢电能质量监测等多种监测需要。