肖美玲 陳根根

摘 要：隨著經(jīng)濟和技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)中接入越來越多的電力電子設(shè)備和其他非線性負(fù)荷，這些設(shè)備和負(fù)荷的接入給系統(tǒng)的電能質(zhì)量帶來了嚴(yán)重的干擾，為了確保電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，對電能質(zhì)量進行研究和分析愈顯重要。文章重點論述了電能質(zhì)量的主要問題來源及其影響。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；污染來源；影響

中圖分類號：TM711 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）17-0113-02

隨著我國電力工業(yè)的飛速發(fā)展，新能源發(fā)電廣泛接入電網(wǎng)以及發(fā)電機本身制作工藝的原因，電網(wǎng)電源出現(xiàn)了非線性干擾。此外，大量的非線性負(fù)荷和不對稱負(fù)荷接入電網(wǎng)，也導(dǎo)致了電能質(zhì)量不斷惡化。電能質(zhì)量的惡化及其所帶來的問題已經(jīng)引起電力運行部門和對電能質(zhì)量敏感用戶的關(guān)注，因而對電能質(zhì)量的研究尤為重要。

1 電能質(zhì)量的定義及其主要評價指標(biāo)

1.1 電能質(zhì)量定義

由于看待問題的角度和對電能質(zhì)量的具體要求不同，電力企業(yè)和電力用戶對電能質(zhì)量的定義往往會產(chǎn)生很大的區(qū)別。為了方便監(jiān)管和控制，電力企業(yè)更傾向于認(rèn)為：電能質(zhì)量問題是各種電力系統(tǒng)干擾問題的總稱，其實質(zhì)是電壓和頻率質(zhì)量問題。電力用戶是以生產(chǎn)為目標(biāo)的，他們認(rèn)為合格的電能質(zhì)量是指電源特性能夠完全滿足生產(chǎn)的需要。

1.2 電能質(zhì)量主要評價指標(biāo)

1.2.1 電壓偏差

電壓偏差是指供電系統(tǒng)在正常運行條件下，某一節(jié)點的實際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之間的差值，一般也表示為節(jié)點的運行電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)，數(shù)學(xué)表達式為：電壓偏差=（實際電壓-系統(tǒng)標(biāo)稱電壓）/系統(tǒng)標(biāo)稱電壓×100%，電力系統(tǒng)的正常運行要求電壓偏差在允許的范圍內(nèi)。

1.2.2 頻率偏差

頻率偏差是對頻率質(zhì)量的全網(wǎng)要求。其定義為：電力系統(tǒng)在正常運行條件下，系統(tǒng)頻率的實際值與標(biāo)稱值之差，表達式為：頻率偏差=實際頻率-標(biāo)稱頻率。頻率偏差小于標(biāo)準(zhǔn)值時，系統(tǒng)才能夠穩(wěn)定、安全運行。

1.2.3 三相不平衡

三相不平衡可以從兩個角度來看，三相平衡是指三相電量（電壓或電流）數(shù)值相等，頻率相同，相位互差120°的情況，不同時滿足這三個條件即為三相不平衡。另外，三相不平衡也定義為在電力系統(tǒng)中三相電流（或電壓）幅值不一致，且幅值差超過規(guī)定范圍。為了充分利用系統(tǒng)資源，降低不對稱運行對系統(tǒng)的干擾，一般不允許電力系統(tǒng)長期運行在三相不對稱狀態(tài)。

1.2.4 諧波和間諧波

諧波一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解，頻率是基波頻率整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流。頻率是基波頻率非整數(shù)倍的正弦電壓或電流稱為間諧波，小于基波頻率的分?jǐn)?shù)次諧波也屬于間諧波。諧波將對系統(tǒng)各設(shè)備產(chǎn)生干擾，因而要求系統(tǒng)諧波控制在一定的范圍內(nèi)。

2 電能質(zhì)量污染主要來源及其影響

導(dǎo)致電能質(zhì)量產(chǎn)生問題的原因是多種多樣的，但歸納起來主要有以下兩點：

①變動幅度大、變化周期長的用電設(shè)備，目前，我國電力系統(tǒng)中存在著大量快速變化的負(fù)荷，如電爐、壓延機械、電氣機車等，它們的電力負(fù)荷具有沖擊性而且是難以準(zhǔn)確預(yù)測的，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不對稱運行和電壓、頻率偏差等問題。

②電源的部分非線性和電力負(fù)荷的非線性，非線性電源和設(shè)備在使用過程中會產(chǎn)生非正弦波形電流，非正弦電量經(jīng)傅里葉分解后將給電網(wǎng)引入諧波污染，這就會導(dǎo)致母線連接點的電壓波形發(fā)生畸變，從而影響到電能質(zhì)量。

2.1 電壓偏差問題的來源及其影響

一般來講，引起電壓偏差的原因大致可以分為無功功率不平衡、線路電抗過大、電力負(fù)荷偏離額定負(fù)荷過大等，其中無功功率不平衡是造成電壓偏差的主要原因。

電壓偏差對用電設(shè)備和電力系統(tǒng)都會造成較大的影響。用電設(shè)備是按照額定電壓進行設(shè)計、制造的。當(dāng)用電設(shè)備長期偏離正常工作電壓范圍工作，將降低其運行效率和使用壽命。例如洗衣機、電風(fēng)扇等使用到單相異步電動機的家用電器，電壓過低會影響電動機的起動，使其轉(zhuǎn)速降低、電流增大，增加了線損，嚴(yán)重的甚至?xí)龤Ю@組；電壓過高則有可能損壞絕緣或由于勵磁過大而發(fā)生過電流。

根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性理論，在單機無窮大系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)的靜態(tài)極限功率也與電網(wǎng)電壓水平有很大關(guān)系。三相功率：

P=■sinδ

其中E代表發(fā)電機電動勢，U為系統(tǒng)線電壓，δ代表E、U之間的相位角，X■是線路總阻抗。

可以看出在其他條件保持不變的情況下，系統(tǒng)功率和系統(tǒng)電壓成正比關(guān)系，電壓偏低時，靜態(tài)穩(wěn)定極限功率將降低，電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性也隨之降低。

此外，如果電壓偏差類型為電壓跌落，將不利于電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。在傳輸功率一定的情況下，電壓越小，流過線路的電流就越大，電力線路和變壓器繞組的損耗也會隨之大大增大，實際可輸送到用戶端的功率減少，電力系統(tǒng)運行效率下降，供電成本上升。

2.2 頻率偏差的產(chǎn)生原因及其影響

引起電力系統(tǒng)頻率偏差的主要原因是負(fù)荷的波動，負(fù)荷波動主要有三種類型，第一種是變動幅度小，變化周期短，偶然性很大的負(fù)荷；第二種是變化幅度大，周期也較長的負(fù)荷；第三種負(fù)荷變動幅度最大，周期也最長。第二種負(fù)荷變動變化周期一般在10 s～3 min，它是引起系統(tǒng)頻率偏差的最主要因素，一般包括電爐、壓延機械、電氣機車等帶有沖擊性的負(fù)荷變動。

用戶使用的電動機轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)頻率有關(guān)。頻率偏差將引起電動機轉(zhuǎn)速的變化，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定甚至?xí)斐呻娮釉O(shè)備無法工作。頻率偏低時，對變壓器而言，為保持電壓不變，磁通密度將增大，變壓器的鐵芯損耗和勵磁電流相應(yīng)增大。頻率偏高時，發(fā)電機將高于額定轉(zhuǎn)速運行，降低了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。高頻運行還將增加汽輪機葉片所受的應(yīng)力，引起葉片的共振，縮短葉片的使用壽命，甚至是葉片斷裂。因此，電力系統(tǒng)的頻率偏差必須控制在一個合理的范圍內(nèi)。

2.3 三相不平衡問題的來源及其影響

現(xiàn)在電力系統(tǒng)都是三相運行的，盡管電力部門在裝接單相用戶時已充分考慮到負(fù)荷的均衡分布，但在實際工作及運行中，由于大功率單相負(fù)載的接入以及單相負(fù)載用電的不同時特性等，都有可能造成三相負(fù)載的不平衡。

三相不平衡運行的主要影響體現(xiàn)在以下幾個方面：

①電能損耗增加。在三相四線制供電網(wǎng)絡(luò)中，三相不平衡運行時，中性線上將有電流流過，由于中性線阻抗的存在，中性線電流將產(chǎn)生電能損耗，輸電效率也相應(yīng)降低。此外，三相不對稱運行還會增加配電變壓器的電能損耗，配電變壓器的繞組結(jié)構(gòu)是按負(fù)載平衡運行工況設(shè)計的，三相不平衡時，對于超出單相額定值的相，流過繞組的電流將超出額定范圍，從而造成配變損耗的增加。

②影響用電設(shè)備的安全運行。在三相負(fù)載不平衡時，三相輸出電流也不再保持平衡，根據(jù)基爾霍夫電流定律，中性線上也會有電流流過，由于線路阻抗的存在，中性線電流將在中性線上產(chǎn)生壓降，中性點將偏離三相電壓構(gòu)成的三角形的中心，向負(fù)載重的相所代表的點移動，即中性點將產(chǎn)生位移，各相相對于中性點的相電壓也隨之發(fā)生變化。一般來說，負(fù)載重的相電壓降低，而負(fù)載輕的相電壓升高。電力系統(tǒng)在這樣的條件下運行很容易造成負(fù)載有的相電壓高于用電設(shè)備額定電壓而損壞設(shè)備，而有的相電壓可能遠低于額定電壓而不能正常工作。

2.4 諧波的產(chǎn)生及其影響

諧波一般是由設(shè)備和負(fù)荷的非線性產(chǎn)生的。設(shè)備和負(fù)荷的非線性是指流過的電流和所產(chǎn)生的電流不成正比，即使輸入的波形為正弦，輸出波形仍將偏離正弦波形。

電力系統(tǒng)中，設(shè)備的非線性主要包括發(fā)電機和變壓器的非線性導(dǎo)致電動勢波形偏離正弦波形，在穩(wěn)態(tài)運行時，他們產(chǎn)生的諧波干擾只占系統(tǒng)諧波的一小部分。電力系統(tǒng)中的諧波更多來源于包括變頻調(diào)速設(shè)備、整流器、不間斷電源UPS、直流電源等在內(nèi)的電力電子設(shè)備，這些設(shè)備在工作時會產(chǎn)生大量的諧波并注入到電網(wǎng)中。由于本身的工作特性，無論給這些設(shè)備提供怎樣標(biāo)準(zhǔn)的正弦電壓，他們都會對電網(wǎng)產(chǎn)生比較可觀的諧波干擾，在進行電力系統(tǒng)諧波分析時，一般把他們看作諧波源，諧波源的存在將導(dǎo)致電流和電壓波形產(chǎn)生畸變，電能質(zhì)量也隨之下降。

諧波對電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)都有可能造成危害。在發(fā)電部分，諧波的存在會使電力變壓器和發(fā)電機損耗增大，電纜過熱，產(chǎn)生過熱損壞，絕緣老化等損害；在輸配電環(huán)節(jié)，諧波則會造成電網(wǎng)的品質(zhì)變壞，波形失真增大，頻率發(fā)生改變，過度地消耗電網(wǎng)中的無功功率和電流有效值，電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)也將加重，可用容量下降；電能的生產(chǎn)和輸配都是為用戶服務(wù)的，電能質(zhì)量的好壞也是有用戶決定的，因此在用電環(huán)節(jié)諧波表現(xiàn)出來的影響最大，諧波會造成敏感性負(fù)載受干擾，計算機出錯甚至死機；保護裝置異常動作，開關(guān)誤跳閘；伺服電機產(chǎn)生脈動，交流電機產(chǎn)生振動，噪音增大；產(chǎn)生線路傳導(dǎo)電磁干擾，數(shù)字傳輸故障；照明設(shè)備和顯示器產(chǎn)生閃爍等。

3 結(jié) 語

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進步和生產(chǎn)過程的高度自動化，電網(wǎng)電源存在非線性，各種非線性負(fù)荷不斷增長，電能質(zhì)量的干擾因素越來越多。各種復(fù)雜的、精密的，對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備不斷接入電網(wǎng)，電能用戶對電能質(zhì)量的要求也越來越高，因此系統(tǒng)運行人員必須采取有效措施分析和監(jiān)控電力系統(tǒng)電能質(zhì)量。

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