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一、電能質(zhì)量的定義

一個理想的電力系統(tǒng)應(yīng)以恒定的頻率(50Hz)和正弦的波形，按規(guī)定的電壓水平對用戶供電。在三相交流電力系統(tǒng)中，各相電壓的電流都應(yīng)該處于幅值大小相等、相位互差2/3的對稱狀態(tài)。由于系統(tǒng)各元件(發(fā)電機(jī)、變壓器、線路等)參數(shù)并不是理想線性對稱，加之調(diào)控手段的不完善、負(fù)荷性質(zhì)各異且其變化的隨機(jī)性以及運(yùn)行操作、各種故障等原因，這種理想狀態(tài)實(shí)際并不存在，因此產(chǎn)生了電能質(zhì)量的概念。

電能質(zhì)量可以定義為:導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差,其內(nèi)容涉及頻率偏差、電壓偏差、電磁暫態(tài)、供電可靠性、波形失真、三相不平衡以及電壓波動和閃變等。

人們對電能質(zhì)量問題的重視并非近幾年的事情，而是伴隨著電力系統(tǒng)發(fā)展的全過程。早期的內(nèi)容比較簡單，主要局限在頻率偏差和電壓偏差兩個方面。自20世紀(jì)80年代以來，隨著新型電力負(fù)荷的出現(xiàn)以及它們對電能質(zhì)量不斷增加的要求，電能質(zhì)量才逐漸引起電力公司和電力用戶的普遍重視。其主要原因有以下幾個方面：

1.為了提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平

投入的大量基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備和電子裝置對電能質(zhì)量非常敏感。一個計(jì)算中心失去電壓2s就可能破壞幾十個小時的數(shù)據(jù)處理結(jié)果或者損失幾十萬美元的產(chǎn)值。當(dāng)今自動化生產(chǎn)設(shè)備的連續(xù)精密加工生產(chǎn)，不論是變速拖動還是機(jī)器人，工作母機(jī)還是自動化生產(chǎn)線，例如柔性制造系統(tǒng)(FMS)或計(jì)算機(jī)綜合制造系統(tǒng)(CIMS)，它們對配電系統(tǒng)中的干擾和異常非常敏感，甚至幾分之一秒的不正常就可能在工廠內(nèi)部造成混亂。這些用戶對不合格電力的容許程度嚴(yán)格到只有持續(xù)工頻1～2個頻率周期。

2.現(xiàn)代電力系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大的變化

諸如半導(dǎo)體整流器、晶閘管調(diào)壓及變頻調(diào)整裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路和家用電器等負(fù)荷的迅速發(fā)展，由于其非線性、沖擊性以及不平衡的用電特性，使電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變，或引起電壓波動和閃變以及三相不平衡，甚至引起系統(tǒng)頻率變動，這些對供電電能質(zhì)量會造成嚴(yán)重的干擾，并由此引起污染。

3.電能作為商品，在電力市場運(yùn)行機(jī)制下，不同的發(fā)電公司，包括獨(dú)立電能生產(chǎn)商，在發(fā)電側(cè)實(shí)行競爭，輸配電系統(tǒng)(即電力公司)與發(fā)電分離，獨(dú)立經(jīng)營管理，為發(fā)電公司和用戶提供轉(zhuǎn)送電能服務(wù)，用戶側(cè)也可以作為獨(dú)立實(shí)體參加價格控制。這樣一個開放和鼓勵競爭的運(yùn)行環(huán)境，必然對電能質(zhì)量提出越來越高的要求，并促使電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展和不斷完善。

電能質(zhì)量和一般產(chǎn)品質(zhì)量不同，它有如下特點(diǎn):(1)不*取決于電力生產(chǎn)企業(yè)，甚至有的質(zhì)量指標(biāo)(例如諧波、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡度)往往是由用戶干擾所造成的；(2)對于不同的供(或用)電點(diǎn)在不同的供(或用)電時刻，電能質(zhì)量的指標(biāo)往往是不同的，也就是說電能質(zhì)量在時間和空間上都處于動態(tài)的變化之中。特點(diǎn)(1)說明:全面保障電能質(zhì)量，既是電力企業(yè)的責(zé)任，也是用戶應(yīng)盡的義務(wù)；特點(diǎn)(2)說明:電能質(zhì)量指標(biāo)宜用概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果來衡量，并且需指明監(jiān)測點(diǎn)。

二、電網(wǎng)諧波的危害

電網(wǎng)中的諧波對電能質(zhì)量的影響是巨大的?，F(xiàn)代電器及電氣設(shè)備產(chǎn)生的各次諧波均會對供電電網(wǎng)造成污染，特別是在大面積集中使用同一種負(fù)載時(如電子節(jié)能燈)，這種污染將十分嚴(yán)重。經(jīng)實(shí)際測量，目前市場上銷售的自鎮(zhèn)流熒光燈(節(jié)能燈)的負(fù)載電流失真度接近甚至超過99%(即諧波電流量接近和超過基波電流)，試想推廣使用1.5億只這類節(jié)能燈，它將向電網(wǎng)排放超過1000萬安培的諧波電流，這將在電網(wǎng)中產(chǎn)生多大的附加損耗，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來多大的安全隱患。

三、電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)簡介

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定的任務(wù)，就是從當(dāng)前(或近期發(fā)展)的技術(shù)水平出發(fā)，確定適當(dāng)?shù)碾娔苜|(zhì)量指標(biāo)偏差的允許值。標(biāo)準(zhǔn)合理與否的判斷準(zhǔn)則有三點(diǎn):(1)基本上能保證電力系統(tǒng)的安全、連續(xù)供電和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；(2)總體上能夠保證用戶電氣設(shè)備的正常用電；(3)電力部門(包括干擾性用戶)在當(dāng)前技術(shù)水平基礎(chǔ)上，作一定的努力應(yīng)能達(dá)標(biāo)。

從20世紀(jì)80年代初開始，國家(現(xiàn)國家質(zhì)檢總局)將制定國家電能質(zhì)量系列標(biāo)準(zhǔn)列為重點(diǎn)項(xiàng)目，至2000年年底已頒布系列標(biāo)準(zhǔn)5個，即GB12325-1990《供電電壓允許偏差》、GB12323-2000《電壓波動和閃變》、GB/T14549-1993《公用電網(wǎng)諧波》、GB/T15543-1995《三相電壓允許不平衡度》、GB/T15495-1995《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》。上述5個標(biāo)準(zhǔn)雖然對供電特性作了一些基本的規(guī)定，但尚不全面。進(jìn)一步完善電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系的工作國內(nèi)外都在進(jìn)行之中。由于不同國家和地區(qū)電力設(shè)備裝機(jī)容量的豐裕程度、輸配電距離的長短、國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度、無功補(bǔ)償與調(diào)壓設(shè)備的滿足程度和用戶生產(chǎn)的性質(zhì)等均不盡相同，所以對電能質(zhì)量的要求也不*一致。

目前，國家對電壓的監(jiān)測作出了規(guī)定，其中電壓有效值的監(jiān)測已經(jīng)成為強(qiáng)制性規(guī)定，電壓諧波的監(jiān)測也日益受到相關(guān)部門的重視，在此給出國家關(guān)于電壓標(biāo)準(zhǔn)的概述。

1990年12月1日開始實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB12325-1990，規(guī)定了我國電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下的供電電壓允許偏差范圍:

1.用戶受電端的電壓允許偏差范圍

在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，供電企業(yè)到用戶端的供電電壓允許偏差:

(1)35kV及以上供電的，電壓正負(fù)偏差的值之和不超過額定電壓的±10%。

(2)10kV及以下三相供電電壓(含380V)允許偏差為額定電壓的±7%。

(3)220V單相供電電壓允許偏差范圍為額定電壓的-10%～+7%。

(4)在電力系統(tǒng)非正常運(yùn)行的情況下，用戶受電端電壓允許偏差不應(yīng)該超過額定值的±10%。

(5)用戶用電功率因數(shù)達(dá)不到規(guī)定要求的，其受電端的電壓偏差不受上述限制。

(6)對電壓有特殊要求的用戶，其供電電壓允許偏差由供電協(xié)議確定。

2.發(fā)電廠、變電所母線電壓允許偏差范圍

(1)500(330)kV母線

正常運(yùn)行方式下，運(yùn)行電壓不得超過系統(tǒng)額定電壓的±10%；運(yùn)行電壓不應(yīng)影響電力系統(tǒng)同步穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、工廠的正常用電以及下一級電壓的調(diào)節(jié)。向空載線路充電，在暫態(tài)過程衰減后，線路末端電壓不應(yīng)超過系統(tǒng)額定電壓的1.15倍，持續(xù)時間不應(yīng)超過20min。

(2)發(fā)電廠和500kV變電所的220kV母線

正常運(yùn)行方式下，電壓允許偏差為系統(tǒng)額定電壓的0%～10%；事故運(yùn)行方式時，為系統(tǒng)額定電壓的-5%～ +10%。

(3)發(fā)電廠和220(330)kV變電所的110～350kV母線

正常運(yùn)行方式下，電壓允許偏差為相應(yīng)系統(tǒng)額定電壓的-3%～+7%；事故后為系統(tǒng)額定電壓的±10%。

(4)發(fā)電廠和變電所的10kV母線

應(yīng)使所帶線路的全部高壓用戶和經(jīng)配電變壓器供電的低壓用戶的電壓，均符合上述用戶受電端的電壓允許偏差范圍。

3.電壓合格率

電壓合格率是指實(shí)際運(yùn)行電壓在允許電壓偏差及電壓變動幅度范圍內(nèi)的累計(jì)運(yùn)行時間與對應(yīng)的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)時間的比值。

1994年3月1日開始實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993規(guī)定了對公用電網(wǎng)諧波的要求，公用電網(wǎng)電壓諧波限制值如表2所示。

表2 公用電網(wǎng)電壓諧波限值

四、改善電能質(zhì)量的意義

改善電能質(zhì)量對于電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、保障工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和科學(xué)試驗(yàn)的正常進(jìn)行以及降低能耗等均有重要意義，電能質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。

良好的電能質(zhì)量無疑對電氣設(shè)備的運(yùn)行是有利的，但是惡劣的電能質(zhì)量對電力系統(tǒng)運(yùn)行的不利影響并沒有引起人們的足夠重視。

從危害程度講，某些電能質(zhì)量問題的危害是破壞性的。例如，雷電波沖擊、電容器和電纜線路投切時因諧波諧振引起的過電壓往往造成電氣設(shè)備的絕緣和機(jī)械損壞，從而影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行；繼電保護(hù)裝置因諧波和負(fù)序干擾引起誤動造成電網(wǎng)大面積停電會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；短時間的供電中斷或電壓跌落可能導(dǎo)致生產(chǎn)混亂和工業(yè)冶金產(chǎn)品的大量報廢甚至危害人身安全。

另一方面，某些電能質(zhì)量問題主要影響電氣設(shè)備的性能指標(biāo)，例如不正常的電壓和頻率偏差會引起異步電機(jī)負(fù)荷的轉(zhuǎn)速和功率變化，導(dǎo)致傳動機(jī)械的效率降低，使紡織、造紙等產(chǎn)品的質(zhì)量受到影響；諧波電流在旋轉(zhuǎn)電機(jī)、輸電線路、變壓器等輸配電設(shè)備中流通使得這些設(shè)備因產(chǎn)生附加損耗而過熱，從而降低設(shè)備的壽命或容量。因此，提高電能質(zhì)量，保證持續(xù)、可靠供電已成為發(fā)電部門、供電部門和電力用戶共同關(guān)注的問題。