第5章电能质量指标
5.1电能质量指标概述
电能质量问题涉及多学科不同的领域，主要和发生在电网中的电磁现象相关，因而与电磁兼容领域有着较大的知识交叉。
关于电能质量，目前还没有一个被各方普遍接受的定义。
美国电气电子工程师协会IEEE采用“Power quality”这一术语描述电能质量,定义为：合格电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设备的接地系统是均适合于该设备正常工作的。
这一定义主要基于敏感设备进行的。
通俗地，可以这样认为：电能质量是与电力系统安全经济运行相关的、能够对用户正常生产工艺过程及产品质量产生影响的电力供应的综合技术指标描述。
它涉及电压电流波形形状、幅值及其频率这三大基本要素。
电能质量指标的下降是继发电环节以后理想电能在输配供这一延续环节中被“污染”造成的。
相当于在理想电能载体上所依附的其它“坏”信息，其主要影响因素包括电网结构缺陷、电气设备可靠性指标及维护缺陷、继电保护缺陷、环境气候及外来因素如雷电等因素、供电设备非线性特性、不同用户的负荷用电特性等。
一般来说，描述电能质量的技术参数位该具有明确的物理意义，要能够进行监测、评判，并能够根据相关理论研制出有效的控制产品。
目前所认识的电能质量问题以电网运行方式而言可以粗略地分为稳态电能质量问题及暂态电能质量问题，但这两类问题在许多方面又相互交织在一起，因此应正确对待。
稳态电能质量参数刻划了电力系统稳态运行方式下的运行状态，主要参数包括电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波电压电流、电压波动闪变等5类电能质量指标。
稳态电能质量影响范围广，程度深，并且具有累积效应。
目前，对稳态电能质量的研究已趋于深入．IEC及我国均有严格的限值标准，针对稳态电能质量的监测方法、监测设备及其监测系统、专业的分析仿真软件、控制手段及其控制设备均较成熟，发挥着越来越重要的作用。
所谓暂态电能质量即电力系统暂态事件或局部暂态事件所引起的运行参数
的变化以有效值为出发点。
目前，主要技术参数有电压暂降、电压暂升、电压短时中断等，值得关注的是，基于峰值的过电压指标也已经纳入电能质量的技术参数范畴。
暂态电能质量问题其实质就是暂态电压质量问题，往往伴随系统内部故障、雷电侵袭、操作冲击等现象发生。
因而从广泛意义上而言，电力系统安伞、稳定、可靠性均属于广义的电能质量问题，随着研究的逐步深入．将会有更广泛更具经济价值的物理指标被提出。
虽然基于种种原因其监测、分析、控制手段在电能质量领域还不破重视．阻伍传统的电力系统运行概念中．过电压问题已经是一个相对老生常谈的问题．类似于电压偏差顿率偏差一样很受重视．其主要原因在于过电压的防护是维护电力系统安全稳定运行的基本要求.相信从电能质量分析的角度出发．过电压的监测技术、控制手段的研究将会赋予新的含义，具有广阔的前景。
5.2供电电压允许偏差（GB/T 12325—2003）
5.2.1. 供电电压允许偏差概述及定义
电压偏差是电能质量的重要指标之一。
电能系统及用电设备都是依据标准电压规划、设计、运行和管理的。
电压偏差会给电力系统及用电负荷带来一系列影响。
因此，电能质量相关标准中，电压偏差允许限值成为最基本的内容。
《电能质量供电电压允许偏差》（GB/T 12325—2003）对电压偏差定义如下:供电系统在正常运行条件下，某一节点的实测电压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分数成为改节点的电压的偏差。
其数字表达式为：
（5—1）
式中δU是电压偏差；U re、U N分别为运行电压和额定电压。
供电系统正常是指系统中所有电气元件均按预定工况运行，供电系统在正常运行时，负荷时刻发生着变化，系统的运行方式也经常改变，系统中各节点的电阻随之发生改变，偏离系统电压标称值。
电压的这种变化是缓慢的，因此，电压偏差电能质量标准属于电能质量问题的范畴，是针对电力系统正常运行方式下，机组或负荷的投切所引起的系统电压的偏差。
通常，这一偏差的绝对值不大于标称电压的10%。
5.2.2电压偏差产生的原因:
电压偏差问题属于基波无功的范畴，主要与电能传输的导线线径、供电距离、潮流分布、调压手段、无功补偿方式及其容量、负茼用电特性等因素有关。
电压偏差产生的实质是电流流经传输网在其内阻抗上产生的压降所致。
设供电系统由如图5—1所示的简化等效电路表示，Ẻ为电源空载电
势．Zs=Rs+jXs为系统阻抗。
电网给综合负荷S=P+jQ供电后其母线运行电压为v，
d=△Vr+j △Vx=+j,则负荷电流流经系统阻抗后产生的电压降落为
U
图5-1 供电系统简化等效电路
d的作用在于使供电电压V相对于电源电压产生一相位偏移 (即功角)．电U
压幅值的偏差主要由△Vr。
决定。
在满足R<<Xs高压系统)情况下，电压偏差主要由传输的无功功率决定。
同时考虑到有功消耗是所必须的．因而电压偏差的控制主要从无功的角度进行。
5.2.3 电压偏差的主要控制措施
目前，电压偏差的主要控制措施有：优化电网结构、.采取有载调压措施、加装并联无功补偿装置．例如电容器、电抗器、应用电力电子装置/采用柔性交流输电技术(及定制电力技术，例如SVS、、STATCOM、可控串补等
电网分布广，节点数目多。
系统运行时．电网随节点位置、负荷水平不断发生变化。
可以说，电压水平的控制既有局域性，又有全局性；既与网络规划有关，又与运行控制密不可分。
保证电力系统各节点电压在正常水平的充分必要
条件是系统具备充足的无功功率电源，同时采取必要的调压手段。
5.3频率允许偏差
5.3.1频率允许偏差概述及定义
国家标准GB／T 15945—1995《电能质量电力系统频率允许偏差》对电力系统正常运行情况下的稳态频率偏差进行了规定，同时也规定了冲击负荷引起系统频率变化的允许偏差，标准还对频率测量仪器进行了规定。
①频率偏差允许值规定如下：
---电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz。
当系统容量较小时．偏差值可以放宽到±0.5Hz。
--用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过±0.2Hz．根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值．但应保征近区电力网、发电机组和用户安全,稳定运行以及正常供电。
②测量仪表规定：用于频率偏差指标评定的测量，须用具有统计功能的数字式自动记录仪表，其绝对误差0.1Hz。
所谓频率偏差指标如下
频率偏差=|实际值频率—标称值频率|
5.3.2电力系统动态频率的定义
电力系统在稳态运行时整个系统处于相对静止的状态，其电压与电流都近似标准的正弦，即为标准周期信号，而定义
f=1/T (5-2)
f为信号u(t)的频率。
若按此方法，得出各个节点电压与各支路电流的频率就会发现测得的频率都相等，即此时电力系统具有统一的频率，而频率测量的方法称为周期法即先测量信号的最小正周期，然后计算出信号的频率。
但是实际的电力系统始终处于动态变化的过程中，特比是当电力系统受到较大的干扰时，系统处于较剧烈变化的动态过程中，此时，电压或电流信号已不满足周期信号的定义，因此也无法按照上述定义测量出频率。
为此，我们一般采用下面的步骤来测量电压或电流的频率：
①测量电压或电流的瞬时值；
②对测量得到的数值进行滤波，通常情况下滤除信号中的高次谐波分量和直流分量；
③对滤波后的信号进行测量即测量信号连续两个正向或反向过零点之间的
时间长度T，并认为该时间T为信号的周期，并计算得到数值f，认为f即电压或电流的频率。
以上介绍的测量的方法实际上是一种近似的方法，因为每次测量到信号连续两个正向或反向过零后（假定时间间隔为T），对信号进行了周期延拓,即认为将来的信号也会按照当前变化的规律周期变化，因此可以根据式5-1计算得到信号频率f。
但是在动态过程中测得的信号，其连续两个正向或反向过零点之间的时间间隔T是变化的，因此按照式5-2计算得到信号频率f也是变化的。
因此按照信号和频率的定义，上述测得的f严格意义上不能称之为信号的频率，因为信号不是周期的，没有频率的概念。
但人们还是习惯将上述f称之为信号的频率，因为f是变化的，所以信号的频率也是在变化，因此理解动态过程中信号的频率时要特别注意。
5.3.3频率偏差的产生及其控制
频率偏差属于有功功率平衡问题(主要从有功角度进行控制)，主要与系统有功储备、发电机调速手段有关。
电力系统在以下情况下可能出现频率异常：1.故障后系统失去大量电源，或系统解列，且解列后的局部系统有功功率失去平衡；2．气候变化或意外灾害使负荷发生突变；3．在电力供应不足的系统中缺乏有效控制负荷的手段；4．高峰负荷期间，发电出力的增长速度低于负荷的增长速度。
低谷负荷期间，发电最小出力大于总负荷。
电力系统频率一旦产生偏差，就应该加以控制。
当系统频率异常时,一般采取以下频率控制措施：1．电力系统应当具有足够的负荷备用和事故备用容量。
一般分别按最大负荷的5～10％和10～15％配备系统的负荷备用和事故备用容量。
2．在调度所或变电站装设直接控制用户负荷的装置，并备有事故拉闸序位表。
3．在系统内安装按频率降低自动减负荷装置（又称自动低频减载装置）和在可能被解列而导致功率过剩的地区装设按频率升高自动切除发电机（又称自动高频切机）等装置。
当系统出现事故引起系统频率降低到超出允许偏差值时，通
常最有效的措施是按频率自动减负荷。
5.4三相电压不平衡度
5.4.1三相不平衡度概述及定义
电力系统即使正常运行时三相电压仍经常出现不平衡状态，这是由于构成三相电力系统的元件参数三相不对称所致，其中三相负荷的不对称是造成系统长时间三相不平衡的重要原因。
系统处于三相不平衡运动时，其电压、电流含有大量负序分量，对电气设备产生不同程度影响，因此将三相不平衡度的允许值及其计算、测量和取值方法进行了规定。
三相不平衡度= 根值
三相电压负序分量方均均根值三相电压的正序分量方× 100%。
5.4.2 三相不平衡度的产生及危害
三相不平衡产生的原因及处理方法见表5-2。
表5-2 产生三相不平衡的原因
三相不平衡就是在三相供电情况下，由各相负荷的不平衡用电特性所造成的。
一般说的三相不平衡度主要指电压不平衡度，需要时也可以分析三相电流不平衡度。
对称分量法是理解与分析不平衡三相系统的基础。
若三相供电电压平衡(即
只有正向电压)．对于一个变化缓慢的三角形接线的三相不对称负荷(*接线可以等效成三角行)，理论上可将其变换为一个平衡的三相纯有功负荷，同时其电源与负荷的有功功率交换并不改变。
系统处于三相不平衡运行时，三相电压电流含有大量负序分量。
由于负序分量的存子会对各种电气设备产生不同方面的不良影响。
①步发电机：电动机在不对称运行时负荷电流在气隙中产转子生逆转的旋转磁场，增加了转子的损耗。
这些损耗包括在励磁绕组里感应的二倍频电流所引起的附加损耗以及在转子表面由于感应的涡流所产生的附加表面损耗。
这些损耗都属于铜损耗性质，从而造成转子温升的提高。
至于温升（发热）的分布，与转子的结构有关。
另外在不对称负荷时，由负荷电流产生的气隙旋转磁场与转子励磁磁势及由正序气隙旋转磁场与定子负序磁势所产生的二倍频交变电磁力矩，将同时作用在转子转轴以及定子机座上，引起二倍频振动。
②感应电动机：在不平衡电压作用下，负序电流产生制动转矩，使感应电动机的最大转矩和输出功率下降，正反c磁场的相互作用，产生脉动转矩，肯能引起电动机的振动。
由于电动机负序电抗很小，负序电压可能产生过大的负序电流从而使电动机定子、转子的铜损增加，是电动机过热并导致绝缘老化过程加快。
③变压器：变压器处于不平衡负载下运行时（如变压器供给照明负荷、电焊负荷等单相负荷），如果控制最大相电流为额定容量，就会造成局部过热。
另外还会由于磁路不平衡、大量漏磁通经箱壁使其发热。
研究表明，变压器在额定负荷人下，电流buph 度为10%时，其绝缘寿命约缩短16%。
④换流装置：三相电压不平衡使换流装置的触发角不对称，从而产生一系列的非特征谐波。
以6脉冲换流装置为例，在三相电压不平衡时除产生6k+1次等特征谐波外，还会产生6k+3次非特征谐波.研究表明,随着三相电压不平衡程度的增加，非特征谐波电流的数值也加大。
可能导致换流装置的滤波成本加大。
⑤继电保护和自动装置：如果三相不平衡系统中有较大的负荷分量，则可能导致一些作用于负荷电流的保护和自动装置误导动作。
从而威胁电力系统的安全运行。
包括：发电机的负荷电流保护、变电站主变压器的复合电压起动过电流保护、母线差动保护、线路的各种距离保护震荡闭锁装置。
线路相差高频保护以及
故障时动作的可靠性。
⑥线路：三相不平衡系统中，负序电流会产生附加损耗，增大线损，同时使配电线路电压损失增加。
另外，沿线会增大对通信系统的干扰，影响正常通信质量。
⑦计算机等电子设备：在低压三线四线制配电系统中，三相不平衡必然引起中线上出现不平衡电流，产生零电位漂移，产生影响计算机等电子设备的电噪声干扰，可能使设备无法正常工作。
5.5公用电网谐波(GB／T 14549一1993)
5.5.1谐波概述及定义
20世纪80年代以来，各种电力电子装置的应用日益广泛。
然而，这些装置工作时不可避免地会向电网注入谐波电流，使公共连接点的电压波形畸变，对电力系统的安全、优质、经济运行构成潜在的威胁，给周围电气环境带来极大的污染。
具体来说，谐波将使电能的生产、传输和利用效率降低，使电气设备过负荷、发热甚至烧毁，引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现误差等，严重干扰和危害电子设备和保护控制设备的性能及正常工作。
非线性负荷从电网吸收非一弦电流，引起电网电压畸变．因此通称为谐波源。
谐波对各种电气设备，对继电保护、自动装置、计算机、测量和计量仪器以及通信系统均有不利的影响。
目前，国际上公认谐波“污染”是电网的公害，必须采取措施加以限制。
谐波：对周期性交流量进行博立叶级数分解．得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。
5.5.2谐波的产生
本章所讨论的谐波频率是与基波相关的，因此各种暂态现象中的高频谐波分量并不属于谐波的范畴；且谐波定义“整数倍”，因而间谐波、次谐波均不属于目前所说的谐波范畴。
正常情况下，对于一个线性负倚Z，若施加供电电压为纯正弦量；其中电流
幅值A／z为常量，相位差&恒定,因此,U、I具有相同的波形形状．仅相位上存在差异,，如果一个纯正弦电压供电给非线性负荷,也就是说，负荷等值阻抗幅值、角度都随时间在变化，这样，可见其负荷电流瞬时值的幅值及其相位在时刻随着负荷的波动而变化着，其电流波形与供电电压波形完全不相同，亦即电流的波形发生了畸变中有些已采用为国标)，以供对比和参考。
5.5.3谐波的危害
谐波的污染与危害主要表现在对电力与信号的干扰影响方面。
可大致概括为在电力危害方面：①旋转电机（换流变压器过载）等的附加谐波损耗与发热，使用缩短寿命；②谐波谐振过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏；③电能计量错误。
在信号干扰方面：①对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降；②重要的和敏感的自动控制、保护装置不正确动作；③危害到功率处理器自身的正常运行。
5.5.3.1 对电力设备的影响
谐波对并联电容器组影响最为显著。
据统汁，大约有70%的谐波故障是发生在电容器组中。
研究指出，对矿物油浸绝缘的电容器，在电压总畸变率为5%条件下运行两年介损系数约提高一倍。
在谐波怍用下，电力电缆的损坏也显著增多。
前苏联曾经对比了阳条同时敷设在相似环境温度下的电缆，其中一条在基本正弦电压下运行．另一条电压总畸变率为6%～8.5%。
经2.5年运行．后者的泄漏电流平均增加36%，比前者经3.5年运行还大43%。
由于高次谐波旋转磁场产生的涡流，使旋转电机的铁损增加，使同步电饥的阻尼线圈过热，或使感应电机定子和转予产生附加损耗。
另外，高次喈波电流还会引起振动力矩，使电机转速发生周期性的变化。
在畸变电压作用下，电机和变压器的绝缘寿命将缩短。
国内外经验表明，当电压总谐波畸变达10%～20%可以导致电动机在短期内损坏。
馈供给整流负荷的普通电力变压器，其容量应作相应的降低。
降低值和变压器的杂损比(即附加损耗与基本损耗之比)有关。
普通变压器在严重的谐波负荷下往往会产生局部过热，并有噪声增大等现象。
5.5.3.2对继电保护和自动装置的影响
在谐波和负序共同作用下．电力系统中以负序滤过器为起动元件的许多保护及自动装置会发生误动作。
有的保护闭锁装置因频繁误动作不得不解除运行。
电力系统的故障录波器也会误动走纸，影响对实际故障的记录。
5.5.3.3对通信的干扰
谐波通过电磁感应干扰通信。
通常2 000 Hz～5 000 H：的谐波引起通讯噪声，而1000 Hz以上的谐波导致电话回路信号的误动。
谐波通干扰的强度取决于谐波电压、电流、频率的大小以及输电线和通信线的距离、并架长度等。
5.5.4谐波的控制手段
从工作原理上来说，谐波的控制手段主要分为一下两种：一种为有源滤波器，即应用电力电子技术，滤波装置本身为一谐波源，其大小与负荷产生的谐波相等，但方向相反，正好抵消了用户产生的谐波，从而达到了治理的目的；另一种为无源滤波器，它是利用电容电感谐振的原理达到“吸收”谐波的目的，从而限制进入公用电网的谐波，使得公用电网的谐波电压畸变水平维持在较低的水平。
目前公用电网谐波抑制主要采取无源滤波技术，造价低，结构简单，应用成熟；在我国，有源滤波技术在低压、小容量、特殊场合已经有许多应用，其效果还需要实践的进一步检验。
5.6. 电压波动和闪变(GB 12326—2000)
5.6.1. 电压波动和闪变的概述及定义
电压变化不同于电压偏差，它不与电压的额定值直接比较，而是电压有效值变化曲线上两个相邻极值的差相对于额定值的变化。
电压波动属于连续的电压变化在时间轴上的延伸，是一系列电压变化的集合。
在测量上一般以闪变水平表示。
另外,电压波动不仅以幅度为考核指标同时要号虑其波动频度。
在理解电压波动的基础上，再进一步理解闪变这一物理慨念。
在包括中国在内的各个国家、闻际组织电压波动闪变的标准中，该参数的描述是最详细的，
IEC有该参数测量的详细步骤要求。
国内标准几乎等效采纳。
实际上，闪变是从另外一个角度对电压波动的定量描述；是将一种看不见摸不着的物理现象转化为人能感觉到的物理现象，是以白炽灯照度变化依据其电压变化的特征来刻划电压波动。
应该明白，只有0.05Hz～35 Hz频度的电压波动对闪变有直接贡献。
值得一提的是,闪变足电压波动的产物。
其实质是次谐波作用的结果。
也就是说：所有产生次谐波电流的负荷均产生闪变，产生闪变的负荷电流频谱中一定含有次谐波。
针对(GB 12326—2000)《电能质量电压波动和闪变》国家标准指出：标准适用的电力系统运行方式为：“正常运行方式”。
国家标准解释了电压波动、闪变及其相关概念的定义；给出了电压变动、闪变的限值指标；规定了闪变评估的三级原则及其细节；提出了闪变监测的最短周期及其取值方法；给出了电压变动、闪变预测计算的相关方法；介绍了闪变监测的基本原理及其计算公式。
这些内容，对于限制公共连接点电压波动、闪变水平具有不可替代的规范作用，标准发挥了其应有的作用。
规定系统运行方式是非常重要的。
不管是电压波动，还是基于统汁分析的短时长时闪变，特定冲击负荷引起的波动、闪变与供电网的运行方式存在着较大的关系。
对于同一波动负荷，随着运行方式的改变，其干扰发射水平、评定结论可能随之改变。
可见干扰水平实际是一个相对的概念，它是污染源相对于某特定电网结构的干扰水平。
电力系统正常运行方式也存在正常大方式与正常小方式。
因此这里的“正常运行方式”应该包括上述两种方式。
很明显，不包括电网异常运行方式。
5.6.2.电压波动和闪变相关定义分析
5.6.2.1波动负荷
标准对波动负荷的定义为：生产(或运行)过程中从供电网中取用快速变动功率的负荷。
实际生活中，波动负荷又习惯称为冲击负荷或非线性冲击负荷。
它的用电特性一般具有下述典型特点：
①功率的波动(冲击)性：引起电压波动，产生闪变；。
