4電壓波動與閃變

1、4電壓波動與閃變4.1 基本概念一、均方根值電壓的變動特性電壓變動：凡不保持電壓均方根值恒定不變的現(xiàn)象，或者說，實際電壓偏離系統(tǒng)標稱電壓的現(xiàn)象。電壓均方根值： 其離散計算公式： “均方根值電壓” 要與“瞬時值電壓”區(qū)分：電壓瞬時值的改變可以用以下表達式描述 均方根值電壓變動特性U（t），簡稱電壓特性，是指沿基波半個周期及其整數(shù)倍求取的電壓均方根值隨時間變化的函數(shù)關系。 7/25/202214電壓波動與閃變圖41（a）中電動機啟動結束后的穩(wěn)態(tài)電壓均方根值與額定電壓之間的差 為穩(wěn)態(tài)電壓變動值。啟動過程中相鄰兩點極值電壓之差 為動態(tài)電壓變動值。7/25/202224電壓波動與閃變在電能質(zhì)量標準中，通

2、常以標稱電壓的相對百分數(shù)來表示電壓變動值，即相對穩(wěn)態(tài)電壓變動值相對動態(tài)電壓變動值 相對最大電壓變動值二、典型電壓變動現(xiàn)象 1.電壓偏差 （欠電壓與過電壓）7/25/202234電壓波動與閃變 2.電壓波動 3.電壓暫降與暫升 4.短時間電壓中斷 5.長時間電壓中斷 4.2電壓波動 一、電壓波動的含義電壓波動（Voltage Flactuation）：電壓均方根值一系列相對快速變動或連續(xù)改變的現(xiàn)象，其變化周期大于工頻周期。配電系統(tǒng)運行中，這種電壓波動現(xiàn)象有可能多次出現(xiàn)，變化過程可能是規(guī)則的、不規(guī)則的，亦或是隨機的。 7/25/202244電壓波動與閃變導致原因舉例：(a)單一阻性負荷投切；(b)

3、多重負荷投切；(c)非線性電阻負荷運行；(d)隨機的功率波動負荷運行。7/25/202254電壓波動與閃變?yōu)榉治龇奖闱矣植皇б话阈?，常抽象地將恒定不變的工頻電壓看作載波，將波動電壓看作調(diào)幅波。僅含單一頻率的調(diào)幅波對工頻載波的調(diào)制，調(diào)制波解析式的一般表達式為： 若調(diào)幅波電壓為單一頻率的正弦波形，則有： 7/25/202264電壓波動與閃變電壓變動頻度r單位時間內(nèi)電壓變動的次數(shù)（單位：時間的倒數(shù)）。國家電能質(zhì)量標準規(guī)定：電壓由大到小或由小到大的變化各算一次變動。同一方向的若干次變動，如果變動間隔時間小于30ms，則算一次變動。 （圖4-4（b）所示的l0Hz正弦調(diào)幅波電壓波形曲線，其電壓波動值為調(diào)

4、幅波的峰谷差值，變動頻度為20 次/s ）連續(xù)電壓波動的頻度為調(diào)幅波基波頻率的2倍，常用的關系式為 次/s 或 次/mis 7/25/202274電壓波動與閃變 二、波動性負荷對電壓特性的影響引起電壓波動的主要原因：功率沖擊性波動負荷（頻繁發(fā)生且持續(xù)時間較長的電壓波動 ）其它：短路故障或開關操作，或者是無功功率補償裝置、大型整流設備的投切。波動性負荷可分為兩大類型：（1）電壓按一定規(guī)律周期變動的負荷（由于頻繁啟動和間歇通電引起）。例如，軋鋼機和絞車、電動機、電焊機等。（2）連續(xù)的不規(guī)則的隨機電壓變動的負荷。例如，煉鋼電弧爐等。7/25/202284電壓波動與閃變電壓波動值的簡化計算方法：考慮三

5、相平衡負荷，用戶側(cè)供電電壓波動量近似表達式：供電母線相對電壓波動值d的計算公式： 電壓波動值與負荷的無功功率變動量Q成正比，與公共連接點的短路容量成反比。它從物理意義上反映了供電電壓發(fā)生變動的根本原因。7/25/202294電壓波動與閃變在工程實際應用中，可進一步利用簡化計算結果對將要連接到供電系統(tǒng)中的波動性負荷對公共連接點（PCC）的電壓反作用進行預測估算。具體方法如下： PCC處的短路容量計算公式：假定系統(tǒng)阻抗電壓降相對于系統(tǒng)標稱電壓很小時，供電電流變化量也可用接入的負荷容量（視在功率）的變化量來表示，可以寫出： 7/25/2022104電壓波動與閃變?nèi)?、電壓波動限?在波動性負荷中，以電

6、弧爐引起的電壓波動最為嚴重。多數(shù)國家在制定的電壓波動與閃變標準中的條款通常是針對電弧爐負荷設定的。表中公共連接點標稱電壓等級劃分為：（1）低壓（LV）： ；（2）中壓（MV）： ；（3）高壓（HV）： 。 7/25/2022114電壓波動與閃變對于隨機性不規(guī)則的電壓波動，國標中規(guī)定電壓波動的限值為：（1）HV： ；（2）MV： ；（3）LV： 。4.3 閃變（Voltage Flicker） 一、基本概念與定義 電光源的電壓波動造成燈光照度不穩(wěn)定的人眼視感反應稱為閃變。換言之，閃變反映了電壓波動引起的燈光閃爍對人視感產(chǎn)生的影響。白熾燈的光功率與電源電壓的平方成正比，所以受電壓波動影響最大。通常

7、選白熾燈光照設備受影響的程度作為判斷電壓波動是否能被接受的依據(jù)。 7/25/2022124電壓波動與閃變閃變的主要決定因素：供電電壓波動的幅值、頻度和波形（頻譜分布）照明裝置類型人對閃變的主觀視感 1、閃變覺察率F 依據(jù)IEC推薦的實驗條件，采用不同波形、頻率、幅值的調(diào)幅波并以工頻電壓為載波向工頻230V、60W白熾燈供電照明，閃變覺察率為 式中 A沒有覺察的人數(shù)；B略有覺察的人數(shù)；C有明顯覺察的人數(shù)；D難以忍受的人數(shù)。7/25/2022134電壓波動與閃變閃變覺察率超過50，則說明半數(shù)以上的實驗觀察者對電壓波動有明顯的或難以忍受的視覺反映。 2、瞬時閃變視感度S（t） 為反映人的瞬時閃變感覺

8、水平，用閃變強弱的瞬時值隨時間變化來描述，即瞬時閃變視感度S（t）。它是電壓波動的頻度、波形、大小等綜合作用的結果，其隨時間變化的曲線是對閃變評估衡量的依據(jù)。通常規(guī)定閃變覺察率F50%為瞬時閃變視感度的衡量單位，對應的稱之為S（t）1覺察單位。若s（t）1覺察單位，說明實驗觀察者中有更多的人對燈光閃爍有明顯感覺，則規(guī)定為對應閃變不允許水平。 7/25/2022144電壓波動與閃變 3、視感度頻率特性系數(shù)K（f）（1）閃變的一般覺察頻率范圍：125Hz； （2）閃變的最大覺察頻率范圍：0.0535Hz（其上下限值稱為截止頻率，上限值又稱為停閃頻率，即高于這一頻率的閃變?nèi)搜凼歉杏X不到的）；（3）閃

9、變的敏感頻率范圍：612Hz；（4）閃變的最大敏感頻率：8 .8Hz。視感度頻率特性系數(shù)K（f）顯然在此條件下，對應閃變的最大敏感頻率8.8Hz有電壓波動值d最小值，所以有 7/25/2022154電壓波動與閃變圖4-8給出了在正弦電壓波動條件下，由試驗數(shù)據(jù)描繪出的視感度系數(shù)的頻率特性曲線。它反映了不同頻率正弦電壓波動所引起的燈光閃爍在人眼和大腦中產(chǎn)生的主觀感覺相對強弱的程度。 7/25/2022164電壓波動與閃變7/25/2022174電壓波動與閃變4.波形因數(shù)R（f） 不同波形的電壓波動引起的閃變反映也是不同的。通過對相同頻率的兩種不同波形（例如，正弦調(diào)幅波和矩形調(diào)幅波）的電壓波動做比較

10、，可以計算出波形因數(shù)R（f）1，即在相同頻率下，矩形電壓波動（非正弦波形）比正弦電壓波動對閃變的影響更嚴重。（表4-2） 7/25/2022184電壓波動與閃變二、閃變視覺系統(tǒng)模型 基本思路：通過對電壓波動的響應特性、人眼的感光反映能力和大腦的記憶存儲效應的近似數(shù)學描述，從而得到人的視覺系統(tǒng)模型，即所謂閃變的燈-眼-腦反應鏈傳遞函數(shù)。一個已知的視感度頻率特性系數(shù)K（f），可用拉普拉斯變換復變量s表示成傳遞函數(shù)K（s）的形式，并且多采用幅頻特性。具體：由已知正弦波調(diào)制電壓的視感度頻率特性系數(shù)K（f）及其對應表4-2中的數(shù)據(jù)，作出燈-眼-腦反應鏈的對數(shù)頻率特性曲線。用5條直線和漸近線對該曲線逼近描

11、述，或者說用5個典型控制環(huán)節(jié)的對數(shù)幅頻特性之和表示（推導過程略）。 式中的系數(shù)分別為K1.74802，2 4.05981，129.15494，222.27979，321.22535，4221.9 7/25/2022194電壓波動與閃變4.4閃變的評估方法 一、電壓波動與閃變的起因和危害起因：一方面是由于各種類型的大功率波動性負荷投運引起的；另一方面也會由于配電線路短時間承載過重。危害：（1）照明燈光閃爍，影響人的視覺；（2）電視機畫面不穩(wěn)定； （3）電動機的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定； （4）對電壓波動較敏感的工藝過程或試驗結果產(chǎn)生不良影響；（5）導致電子儀器和設備、計算機系統(tǒng)、自動控制生產(chǎn)線以及辦公自動化設

12、備等工作不正常，或受到損壞。（6）導致以電壓相位角為控制指令的系統(tǒng)控制功能紊亂，致使電力電子換流器換相失敗等。 7/25/2022204電壓波動與閃變 二、閃變水平評估與干擾限制值 1、短時間閃變水平值(10min) 圖4-11所示為某一觀察時間段，如取l0min內(nèi)等間隔采樣時間為測算到的15000個數(shù)據(jù)所描述的瞬時閃變視感度S（t）變化曲線。圖中給出第7級（1.21.4p.u.）統(tǒng)計計算示例 概率分布 7/25/2022214電壓波動與閃變依次對其他9級S（t）進行統(tǒng)計計算，可給出概率分布直方圖，如圖4-12所示。對圖4-12概率分布直方圖進行累加計算，可以得到圖4-13所示的累積概率函數(shù)（

13、CPF）圖形。 7/25/2022224電壓波動與閃變用5個概率分布 測定值計算出短時（10min）閃變平滑估計值 表示實際檢測到的短時間閃變水平嚴重度。其近似計算公式為式中，k0.1=0.0314，k1 =0.0525，k3=0.0657，k10=0.28， k500.08。 式（4-31）中5個測定值p0.1、p1、p3、p10、p50分別為10min內(nèi)超過01、1、3、10%和50%時間比的概率分布水平7/25/2022234電壓波動與閃變2、長時間閃變水平值長時間閃變的統(tǒng)計時間需在1h以上，國標中規(guī)定為2h。在2h或更長時間測得并作出的累計概率統(tǒng)計曲線（CPF）中，將瞬時閃變視感度不超

14、過99 %概率的短時間閃變值 （用符號 表示）或超過1%時間的 值（用符號 表示）作為長時間閃變水平值 ，即UIC/IEC標準：規(guī)定對于已順序測得的N個l0min短時間閃變值 （k=1, 2, 3,，N）數(shù)據(jù)，長時間閃變值可由這N個 的立方和求根得到： 7/25/2022244電壓波動與閃變 3、閃變干擾限制值GB/T12326-2008電壓波動和閃變(2000修訂版）：1）閃變限值中去掉了Pst，只保留Plt 2）各級電壓閃變限值Plt ：110kv及以下：1 110kv以上：0.87/25/2022254電壓波動與閃變4.5電弧爐用電特性分析 由于電弧爐煉鋼在技術經(jīng)濟上的優(yōu)越性，工業(yè)生產(chǎn)采

15、用交流電弧爐已日益增多，單臺容量也不斷增大，因此電弧爐對供電系統(tǒng)的干擾也愈加突出-交流電弧爐是供電系統(tǒng)各類功率波動性負荷中對電壓特性影響最大的負荷。其不利影響主要包括有功功率和無功功率沖擊性快速變化引起的電壓波動和閃變，電弧電阻的非線性導致的電力諧波畸變，以及三相負荷不對稱帶來的供電系統(tǒng)動態(tài)不平衡干擾等。 普通交流電弧爐的冶煉周期約為38h，通常電弧爐的供電電壓為110kV或35kV，經(jīng)特殊設計的電弧爐變壓器供電，二次側(cè)電極間電壓的典型值在100600V之間。電弧爐的電流控制是通過電弧爐變壓器高壓側(cè)繞組分接頭的切換和電極的升降來實現(xiàn)的。電弧爐所消耗無功功率大，并且無功功率變化量也很大，在電極短

16、路時功率因數(shù)約為0.10.2，在額定運行時約為0.70.85。 7/25/2022264電壓波動與閃變電弧爐的運行周期包括三個階段：熔化期、氧化期和還原期。 (1)熔化期的主要任務是使爐料迅速熔化。熔化期約為0.52h，但在此期間消耗的電能占一個投運周期總耗電量的60% 70%。 (2)氧化期的主要任務是脫磷及去氣、去夾雜。 (3)還原期的主要任務和操作是脫氧、脫硫、調(diào)整溫度和調(diào)整成分。圖4-21給出了電弧爐負荷運行周期示意圖(是一種間歇式?jīng)_擊功率負荷). 7/25/2022274電壓波動與閃變4.6電壓波動和閃變的測量目前國際上有代表性的三種原理類型的閃變測量儀器:日本的閃變儀英國的ERA電

17、弧爐閃變測量儀IEC和UIE推薦的閃變儀。 IEC閃變測量方法 一、電壓波動的同步檢測法調(diào)制波解析式的一般表達式為 若調(diào)幅波電壓為單一頻率的正弦波形，則 7/25/2022284電壓波動與閃變式中，m稱為調(diào)制指數(shù)， m1。按照同步檢測方法，可將調(diào)制波電壓自乘求平方，得到 7/25/2022294電壓波動與閃變?nèi)绻?.0535 Hz的帶通濾波器濾除其中的直流分量和工頻及以上頻率的分量，并且考慮到，由于實際上的調(diào)制指數(shù)m1，因此，濾波后便可實現(xiàn)解調(diào)，獲得近似加權的調(diào)幅波電壓：已知相對電壓變動值為 ，并且假定調(diào)幅波為正弦函數(shù)波形，則有可以得到用相對電壓變動d參量表示的表達式 以上各函數(shù)的變化波形

18、，可參見圖4-28（b）所示的仿真波形。 7/25/2022304電壓波動與閃變7/25/2022314電壓波動與閃變 二、IEC閃變測量環(huán)節(jié)分析 圖4-28（a）我國國家標準在參考了IEC標準后推薦采用的閃變儀簡化原理框圖。圖4-28 （a）給出的閃變測量環(huán)節(jié)總體上可分為三部分： 第一部分為電壓輸人適配調(diào)整，由圖中框1組成，兩個主要部分，即一個輸人電壓適配器和一個自檢信號發(fā)生器。第二部分模擬視覺系統(tǒng)模型，即燈-眼-腦反應鏈的頻率響應特性，主要由圖中框2、框3和框4組成；框2模擬燈的作用和特性。通過平方解調(diào)器分離出與調(diào)幅波幅值成比例的電壓波動量。該量反映了燈照度變化與電壓波動的關系，可采用被測信號自乘求平方來實現(xiàn)。 框3模擬人眼的視覺頻率選擇特性。它由兩個級連濾波器，即帶通濾波器和視感度加權濾波器，以及一個測量范圍選擇器構成。 7/25/2022324電壓波動與閃變其中，帶通濾波器 (通頻帶為0.0535Hz)的功能是