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浅谈电网的电能质量
来源: | 作者:综合节电 | 发布时间: 2023-04-03 | 1047 次浏览 | 分享到:

一、电能质量的定义


一个理想的电力系统应以恒定的频率(50Hz)和正弦的波形,按规定的电压水平对用户供电。在三相交流电力系统中,各相电压的电流都应该处于幅值大小相等、相位互差2/3的对称状态。由于系统各元件(发电机、变压器、线路等)参数并不是理想线性对称,加之调控手段的不完善、负荷性质各异且其变化的随机性以及运行操作、各种故障等原因,这种理想状态实际并不存在,因此产生了电能质量的概念。


电能质量可以定义为:导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差,其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不平衡以及电压波动和闪变等。


人们对电能质量问题的重视并非近几年的事情,而是伴随着电力系统发展的全过程。早期的内容比较简单,主要局限在频率偏差和电压偏差两个方面。自20世纪80年代以来,随着新型电力负荷的出现以及它们对电能质量不断增加的要求,电能质量才逐渐引起电力公司和电力用户的普遍重视。其主要原因有以下几个方面:


1.为了提高劳动生产率和自动化水平


投入的大量基于计算机系统的控制设备和电子装置对电能质量非常敏感。一个计算中心失去电压2s就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几十万美元的产值。当今自动化生产设备的连续精密加工生产,不论是变速拖动还是机器人,工作母机还是自动化生产线,例如柔性制造系统(FMS)或计算机综合制造系统(CIMS),它们对配电系统中的干扰和异常非常敏感,甚至几分之一秒的不正常就可能在工厂内部造成混乱。这些用户对不合格电力的容许程度严格到只有持续工频1~2个频率周期。


2.现代电力系统中用电负荷结构发生了重大的变化


诸如半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷的迅速发展,由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性,使电网电压波形发生畸变,或引起电压波动和闪变以及三相不平衡,甚至引起系统频率变动,这些对供电电能质量会造成严重的干扰,并由此引起污染。


3.电能作为商品,在电力市场运行机制下,不同的发电公司,包括独立电能生产商,在发电侧实行竞争,输配电系统(即电力公司)与发电分离,独立经营管理,为发电公司和用户提供转送电能服务,用户侧也可以作为独立实体参加价格控制。这样一个开放和鼓励竞争的运行环境,必然对电能质量提出越来越高的要求,并促使电能质量标准化的发展和不断完善。


电能质量和一般产品质量不同,它有如下特点:(1)不*取决于电力生产企业,甚至有的质量指标(例如谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度)往往是由用户干扰所造成的;(2)对于不同的供(或用)电点在不同的供(或用)电时刻,电能质量的指标往往是不同的,也就是说电能质量在时间和空间上都处于动态的变化之中。特点(1)说明:全面保障电能质量,既是电力企业的责任,也是用户应尽的义务;特点(2)说明:电能质量指标宜用概率统计结果来衡量,并且需指明监测点。


二、电网谐波的危害


电网中的谐波对电能质量的影响是巨大的。现代电器及电气设备产生的各次谐波均会对供电电网造成污染,特别是在大面积集中使用同一种负载时(如电子节能灯),这种污染将十分严重。经实际测量,目前市场上销售的自镇流荧光灯(节能灯)的负载电流失真度接近甚至超过99%(即谐波电流量接近和超过基波电流),试想推广使用1.5亿只这类节能灯,它将向电网排放超过1000万安培的谐波电流,这将在电网中产生多大的附加损耗,给电网运行带来多大的安全隐患。


三、电能质量国家标准简介


电能质量标准制定的任务,就是从当前(或近期发展)的技术水平出发,确定适当的电能质量指标偏差的允许值。标准合理与否的判断准则有三点:(1)基本上能保证电力系统的安全、连续供电和经济运行;(2)总体上能够保证用户电气设备的正常用电;(3)电力部门(包括干扰性用户)在当前技术水平基础上,作一定的努力应能达标。


从20世纪80年代初开始,国家(现国家质检总局)将制定国家电能质量系列标准列为重点项目,至2000年年底已颁布系列标准5个,即GB12325-1990《供电电压允许偏差》、GB12323-2000《电压波动和闪变》、GB/T14549-1993《公用电网谐波》、GB/T15543-1995《三相电压允许不平衡度》、GB/T15495-1995《电力系统频率允许偏差》。上述5个标准虽然对供电特性作了一些基本的规定,但尚不全面。进一步完善电能质量标准体系的工作国内外都在进行之中。由于不同国家和地区电力设备装机容量的丰裕程度、输配电距离的长短、国民经济的发展速度、无功补偿与调压设备的满足程度和用户生产的性质等均不尽相同,所以对电能质量的要求也不*一致。


目前,国家对电压的监测作出了规定,其中电压有效值的监测已经成为强制性规定,电压谐波的监测也日益受到相关部门的重视,在此给出国家关于电压标准的概述。


1990年12月1日开始实施的国家标准GB12325-1990,规定了我国电力系统在正常运行条件下的供电电压允许偏差范围:


1.用户受电端的电压允许偏差范围


在电力系统正常运行的情况下,供电企业到用户端的供电电压允许偏差:


(1)35kV及以上供电的,电压正负偏差的值之和不超过额定电压的±10%。


(2)10kV及以下三相供电电压(含380V)允许偏差为额定电压的±7%。


(3)220V单相供电电压允许偏差范围为额定电压的-10%~+7%。


(4)在电力系统非正常运行的情况下,用户受电端电压允许偏差不应该超过额定值的±10%。


(5)用户用电功率因数达不到规定要求的,其受电端的电压偏差不受上述限制。


(6)对电压有特殊要求的用户,其供电电压允许偏差由供电协议确定。


2.发电厂、变电所母线电压允许偏差范围


(1)500(330)kV母线


正常运行方式下,运行电压不得超过系统额定电压的±10%;运行电压不应影响电力系统同步稳定、电压稳定、工厂的正常用电以及下一级电压的调节。向空载线路充电,在暂态过程衰减后,线路末端电压不应超过系统额定电压的1.15倍,持续时间不应超过20min。


(2)发电厂和500kV变电所的220kV母线


正常运行方式下,电压允许偏差为系统额定电压的0%~10%;事故运行方式时,为系统额定电压的-5%~ +10%。


(3)发电厂和220(330)kV变电所的110~350kV母线


正常运行方式下,电压允许偏差为相应系统额定电压的-3%~+7%;事故后为系统额定电压的±10%。


(4)发电厂和变电所的10kV母线


应使所带线路的全部高压用户和经配电变压器供电的低压用户的电压,均符合上述用户受电端的电压允许偏差范围。


3.电压合格率


电压合格率是指实际运行电压在允许电压偏差及电压变动幅度范围内的累计运行时间与对应的运行统计时间的比值。


1994年3月1日开始实施的国家标准GB/T14549-1993规定了对公用电网谐波的要求,公用电网电压谐波限制值如表2所示。


表2 公用电网电压谐波限值


四、改善电能质量的意义


改善电能质量对于电网的安全经济运行、保障工业产品质量和科学试验的正常进行以及降低能耗等均有重要意义,电能质量直接关系到国民经济的总体效益。


良好的电能质量无疑对电气设备的运行是有利的,但是恶劣的电能质量对电力系统运行的不利影响并没有引起人们的足够重视。


从危害程度讲,某些电能质量问题的危害是破坏性的。例如,雷电波冲击、电容器和电缆线路投切时因谐波谐振引起的过电压往往造成电气设备的绝缘和机械损坏,从而影响电力系统的正常运行;继电保护装置因谐波和负序干扰引起误动造成电网大面积停电会造成巨大的经济损失;短时间的供电中断或电压跌落可能导致生产混乱和工业冶金产品的大量报废甚至危害人身安全。


另一方面,某些电能质量问题主要影响电气设备的性能指标,例如不正常的电压和频率偏差会引起异步电机负荷的转速和功率变化,导致传动机械的效率降低,使纺织、造纸等产品的质量受到影响;谐波电流在旋转电机、输电线路、变压器等输配电设备中流通使得这些设备因产生附加损耗而过热,从而降低设备的寿命或容量。因此,提高电能质量,保证持续、可靠供电已成为发电部门、供电部门和电力用户共同关注的问题。


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