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文檔簡介
電能質(zhì)量分析與控制基本信息學時數(shù):
36
學分數(shù):2開課學期:第二學期(春)
授課對象:碩士研究生
授課方式:講授與自學
考核方式:考試(70%)、報告(20%)、作業(yè)(10%)預修課程:電力系統(tǒng),電力電子,微機原理,控制理論,信號處理
適應專業(yè):電力系統(tǒng)自動化,電力電子技術,高電壓與絕緣技術參考書目及相關網(wǎng)站書目:
1.肖湘寧主編,電能質(zhì)量分析與控制,中國電力出版社
2.電能質(zhì)量技術叢書,中國電力出版社,19983.吳竟昌主編,供電系統(tǒng)諧波,中國電力出版社,1998Websites:
目錄第一章電能質(zhì)量概論第二章電能質(zhì)量的數(shù)學分析方法第三章傳統(tǒng)電能質(zhì)量分析與改善第四章電壓波動和閃變第五章電壓暫降與時間中斷第六章波形畸變與電力諧波第七章電能質(zhì)量控制技術第一章電能質(zhì)量概論1-1電力供應和電能質(zhì)量問題1-2電能質(zhì)量的定義和分類1-3電能質(zhì)量現(xiàn)象1-4電能質(zhì)量的監(jiān)視和管理1-1電力供應和電能質(zhì)量問題電能是電力供應的終端商品
---電能的商品特性
---電能生產(chǎn)、傳輸、分配、消費的同時性
---電能與國民經(jīng)濟、生活的密切性
---電能流通的快速性電能質(zhì)量問題
---古老問題:質(zhì)量問題是任何商品固有的特性
---成為新問題的原因:用戶側系統(tǒng)側
外界電能質(zhì)量問題大量半導體設備PQ計算機為基礎的設備PQ電力市場自由化PQ系統(tǒng)安全運行的目的PQ分散型電源的導入國際化PQ電能質(zhì)量構成要素電壓合格頻率合格連續(xù)供電
合格的電能質(zhì)量是合格三要素的交集---電產(chǎn)品的質(zhì)量要素:頻率電壓供電連續(xù)性1-2電能質(zhì)量的定義和分類IEEEStd11591995
合格電能質(zhì)量的概念是指給敏感設備提供的電力和設置的接地系統(tǒng)是均適合于該設備正常工作的.TheconceptofpoweringandgroundingsensitiveequipmentinamannerthatissuitabletotheoperationofthatequipmentIEC
電能質(zhì)量是指描述電能特性的參數(shù)的集合,與供電的連續(xù)性和電壓特性相關.SetofparametersdefiningthepropertiesofthepowersupplyasdeliveredtotheuserInormaloperatingconditionintermsofcontinuityofthesupplyandcharacteristicsofthevoltage.
EN50160
系統(tǒng)頻率互聯(lián)系統(tǒng)年間的99%頻率偏差±1%以內(nèi)年間的1%±6%以內(nèi)孤立系統(tǒng)年間的95%頻率偏差±2%以內(nèi)年間的5%±6%以內(nèi)電壓波動慢一周間的95%電壓偏差±10%以內(nèi)快(無閃變)電壓偏差±5%以內(nèi)閃變一周間的95%Pst=1Pet=0.8電壓瞬降
年間數(shù)十—千回0.5s以內(nèi)電壓低下60%以內(nèi)瞬停
年間數(shù)回—數(shù)百回70%是1s以內(nèi)停電
年間10-50回3m以上三相不平衡負序電壓一周間的95%正序的2%以內(nèi)諧波
一周間的95%THD8%以內(nèi)過渡過電壓異常電壓系統(tǒng)事故時數(shù)秒程度1.5kV以下沖擊波us-ms6kV以下低壓配電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量EN50160
---一般分類:
IEC分類——頻率特性
IEEE分類——屬性特征(如頻譜、幅值、持續(xù)時間等)
---特殊分類:
變化型:連續(xù)出現(xiàn)的現(xiàn)象。電壓或/和電流的幅值、頻率、相位差等在時間軸上的任一時刻總是在發(fā)生著小的變化。事件型:突然發(fā)生的現(xiàn)象。電壓或/和電流短時間嚴重偏離其額定值或理想波形。
分類
現(xiàn)象分類現(xiàn)象分類傳導型低頻現(xiàn)象
諧波,間諧波輻射型低頻現(xiàn)象工頻電磁場信號系統(tǒng)(電力線載波)幅射型高頻現(xiàn)象磁場
電壓波動電場電壓暫降(凹陷)和間斷電磁場電壓不平衡連續(xù)波工頻變化瞬變感應低頻電壓靜電放電現(xiàn)象(ESD)
交流電網(wǎng)中的直流成分核電磁脈沖(NEMP)傳導型高頻現(xiàn)象感應連續(xù)波電壓或電流
單方向瞬變振蕩性瞬變IEC電能質(zhì)量干擾(電磁兼容)分類IEEE制定的電力系統(tǒng)電能質(zhì)量特性參數(shù)及其分類類別典型頻譜典型持續(xù)時間典型電壓幅值瞬變現(xiàn)象沖擊脈沖納秒級5ns上升<50ns微秒級1s上升50ns~1ms毫秒級0.1ms上升>1ms振蕩低頻<5kHz0.3~50ms0~4pu中頻5~500kHz20s0~8pu高頻0.5~5MHz5s0~4puIEEE制定的電力系統(tǒng)電能質(zhì)量特性參數(shù)及其分類短時間變動瞬時暫降(凹陷)0.5~30周波0.1~0.9pu凸起0.5~30周波1.1~1.8pu暫時間斷0.5周波~3s<0.1pu暫降(凹陷)30周波~3s0.1~0.9pu凸起30周波~3s1.1~1.4pu短時間斷3s~1min<0.1pu暫降(凹陷)3s~1min0.1~0.9pu凸起3s~1min1.1~1.2puIEEE制定的電力系統(tǒng)電能質(zhì)量特性參數(shù)及其分類長時間變動持續(xù)間斷>1min0.0pu欠電壓>1min0.8~0.9pu過電壓>1min1.1~1.2pu電壓不平衡穩(wěn)態(tài)0.5~2%IEEE制定的電力系統(tǒng)電能質(zhì)量特性參數(shù)及其分類波形畸變直流偏置穩(wěn)態(tài)0~0.1%諧波0~100thH穩(wěn)態(tài)0~20%間諧波0~6kHz穩(wěn)態(tài)0~2%陷波穩(wěn)態(tài)噪聲寬帶穩(wěn)態(tài)0~1%電壓波動<25Hz間歇0.1~7%工頻變化<10s---電壓質(zhì)量包括的內(nèi)容:電壓偏差、電壓頻率偏差、電壓不平衡、瞬變現(xiàn)象、波動與閃變、暫降(暫升)與間斷、電壓諧波、電壓陷波、欠電壓、過電壓等。---電流質(zhì)量包括的內(nèi)容:電流諧波、間諧波、次諧波、相位超前與滯后、噪聲等。---波形質(zhì)量包括的內(nèi)容:畸變波形或非正弦波形。主要有諧波電壓、諧波電流、陷波等。電能質(zhì)量分類小結1-3電能質(zhì)量現(xiàn)象
電能質(zhì)量這個概念實際上描述的是電力系統(tǒng)中在給定時間和地點上發(fā)生的各種電磁現(xiàn)象(包括電壓和電流).IEEEStd1159-1995中從電磁兼容的角度(IEC-TC77同)出發(fā)對有關電能質(zhì)量方面的各種電磁現(xiàn)象進行了分類.這有利于針對不同性質(zhì)的電能質(zhì)量問題進行測量、分析并提出不同的合理的解決方案.低頻振蕩高頻振蕩瞬變脈沖電力諧波噪聲干擾電壓暫降電壓暫升短時中斷電能質(zhì)量現(xiàn)象部分波形圖(1)暫降SAGS,DIPS中斷INTERRUPTIONS暫升SWELLS瞬變TRANSIENTS諧波HARMONICS,DISTORTIONS陷波NOTCHES波動FLUCTUATIONS頻率FREQUENCYDEVIATIONS電能質(zhì)量現(xiàn)象部分波形圖(2)類別圖示描述瞬變現(xiàn)象沖擊性瞬變現(xiàn)象沖擊性瞬變是一種在穩(wěn)態(tài)條件下,電壓、電流非的工頻、單極性(即主要為正極性或負極性)的突然變化現(xiàn)象。通常用上升和衰減時間來表現(xiàn)沖擊性瞬變的特性,也可以通過其頻譜成分表示。起因:雷電沖擊。振蕩瞬變現(xiàn)象
振蕩瞬變是一種在穩(wěn)態(tài)條件下,電壓、電流的非工頻、有正負極性的突然變化現(xiàn)象。對于迅速改變瞬時值極性的電壓和電流振蕩問題,常用其頻譜成分(主頻率)、持續(xù)時間和幅值大小來描述其特性。起因:電容器沖能,鐵磁諧振和變壓器增能。電能質(zhì)量現(xiàn)象圖示描述(1)
電能質(zhì)量現(xiàn)象圖示描述(2)
短時間變動電壓中斷
當供電電壓降低到0.1p.u.以下,且持續(xù)時間不超過1分鐘時,我們認為出現(xiàn)了電壓中斷現(xiàn)象。起因:系統(tǒng)故障、用電設備故障或控制失靈等。電壓暫降
“暫降”是指工頻條件下電壓均方根值減小到0.1~0.9p.u.之間、持續(xù)時間為0.5個周期至1分鐘的短時間電壓變動現(xiàn)象。起因:重負荷或大型電機啟動、系統(tǒng)故障。電壓暫升“暫升”的含義是指在工頻條件下,電壓均方根值上升到1.1~1.8p.u.之間、持續(xù)時間為0.5個周期到1分鐘的電壓變動現(xiàn)象。起因:與暫降伴隨出現(xiàn),是同系統(tǒng)故障相聯(lián)系的。長時間變動過電壓過電壓是指工頻下交流電壓均方根值升高,超過額定值的10%,并且持續(xù)時間大于1分鐘。起因:負荷投切,變壓器分接頭的不正確調(diào)整。欠電壓欠電壓是指工頻下交流電壓均方根值降低,小于額定值的90%,并且持續(xù)時間大于1分鐘。起因:某一負荷的投入或某一電容器組的斷開,過負荷。持續(xù)中斷當供電電壓下降為0,且持續(xù)時間超過1分鐘,這一長時間的電壓變動現(xiàn)象稱為持續(xù)中斷。起因:系統(tǒng)檢修,線路或設備永久性故障,以及供需不平衡。電壓不平衡電壓不平衡,時常被定義為與三相電壓(或電流)的平均值的最大偏差。并且用該偏差與平均值的百分比表示。起因:主要是負荷不平衡(如單相運行)所致,或者是三相電容器組的某一相熔斷器熔斷造成的。電能質(zhì)量現(xiàn)象圖示描述(3)
電能質(zhì)量現(xiàn)象圖示描述(4)
波形畸變直流偏置在交流系統(tǒng)中出現(xiàn)直流電壓或電流稱為直流偏置。起因:可能是由于地磁干擾或半波整流產(chǎn)生的。諧波把含有供電系統(tǒng)設計運行頻率(即簡稱工頻,通常為50Hz或60Hz)整數(shù)倍頻率的電壓或電流定義為諧波。電力系統(tǒng)中的非線性負荷是造成波形畸變的源頭。起因:電力系統(tǒng)中的非線性負荷,特別是電力電子設備。間諧波把含有供電系統(tǒng)設計運行頻率非整數(shù)倍頻率的諧波定義為間諧波。起因:靜止頻率變換器、循環(huán)換流器、感應電機和電弧設備等。陷波陷波是電力電子裝置在正常工作情況下,交流輸入電流從一相切換到另一相時產(chǎn)生的周期性電壓擾動。起因:換流器相控換流時造成的。電能質(zhì)量現(xiàn)象圖示描述(5)
噪聲噪聲,是指帶有低于200kHz寬帶頻譜,混迭在電力系統(tǒng)的相線、中性線或信號線中的有害干擾信號。起因:電氣設備高頻投換電路過程產(chǎn)生的。電壓波動電壓波動是一種隨機電壓變動過程。通常,其幅值并未超過ANSIc84.1-1982規(guī)定的0.9~1.1p.u.范圍。起因:由電弧爐、電氣機車等功率波動性負荷電流快速變化引起的。工頻變化把電力系統(tǒng)基波頻率偏離規(guī)定正常值的現(xiàn)象定義為頻率變化。工頻頻率的值與向系統(tǒng)供應電能的發(fā)電機的轉子速度直接相關。起因:負荷與發(fā)電機間出現(xiàn)能量動態(tài)平衡變化。1-4電能質(zhì)量的監(jiān)視和管理必要性:要求對系統(tǒng)中的某些地點的電能質(zhì)量進行監(jiān)視和管理的原因是多方面的。其中最主要的一點是經(jīng)濟方面的。無論是系統(tǒng)設備還是用電設備,不合格的電能將直接威脅到設備運行壽命、設備的正常工作以及產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。因此,監(jiān)視和管理PQ是十分必要的?;緝?nèi)容:
---監(jiān)視地點的選擇,監(jiān)視目標的確定以及監(jiān)視記錄儀器設備的配置---日常的和專門的電能質(zhì)量監(jiān)測、數(shù)據(jù)的收集、整理,并為制定電能質(zhì)量標準提供實踐依據(jù)
---電能質(zhì)量事故的分析處理
---新用電設備接入電網(wǎng)可能產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題的審定
---現(xiàn)有電網(wǎng)電能質(zhì)量的評定
---提高電能質(zhì)量措施的制定、實施以及措施的有效性的評價電能質(zhì)量國家標準摘要(1)標準編號標準名稱允許限值GB12325—1990供電電壓允許偏差(1)35kV及以上為正負偏差絕對值之和不超過10%;(2)10kV及以下三相供電為±7%;(3)220V單相供電為+7%,-10%GB/T14549—1993公用電網(wǎng)諧波各級電網(wǎng)諧波電壓限值GB/T15543—1995三相供電電壓允許不平衡度
(1)正常允許2%,短時不超過4%;(2)每個用戶一般不得超過1.3%電壓(kV)THD奇次偶次0.3854.02.06、1043.21.635、6632.41.2
11021.60.8電能質(zhì)量國家標準摘要(2)GB12326—2000電壓波動和閃變電壓變動d的限值和變動頻度r(h-1)有關:當r≤1000時,對于低壓(LV)和中壓(MV),d=1.25%~4%;對于高壓(HV),d=1%~3%;對于隨機不規(guī)則的變動,d=2%(LV、MV)和d=1.5%(HV)10kV及以下2.5%,閃變限值如下表GB/T15945—1995電力系統(tǒng)頻率允許偏差
(1)正常允許±0.2Hz,根據(jù)系統(tǒng)容量可以放寬到±0.5Hz;(2)用戶沖擊引起的頻率變動一般不得超過±0.2Hz系統(tǒng)電壓等級LVMVHVPst1.00.9(1.0)0.8Plt0.80.7(0.8)0.6第二章電能質(zhì)量的數(shù)學分析方法2-1概述2-2傅里葉變換與波形的數(shù)學分析方法2-3小波變換與電能質(zhì)量擾動識別2-1概述電能質(zhì)量問題分析方法時域:利用各種時域仿真程序對供電系統(tǒng)電能質(zhì)量擾動現(xiàn)象進行研究頻域:主要用于電能質(zhì)量中諧波問題的分析,包括頻譜分布、諧波潮流計算等基于數(shù)學變換傅里葉變換方法短時傅里葉變換方法矢量變換方法小波變換方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡分析方法2-2傅里葉變換與波形的數(shù)學分析方法
傅立葉級數(shù)分解---
傅氏級數(shù)展開結果是離散項的函數(shù)之和。因其頻譜也是離散的(而傅立葉變換頻譜是連續(xù)的)。因此,對于周期電力畸變波形而言,所含高頻諧波是基頻整數(shù)倍次的。---結合工程實際發(fā)生的情況,引出了廣義諧波的概念間諧波(即含有非整數(shù)倍次分量)。---非正弦周期函數(shù)的傅氏分解項,其幅值通常是隨頻率升高而衰減的。因此,在電力諧波濾波技術中更多是對含量比重較大的低次諧波采取濾除措施。
傅立葉變換特點---傅立葉變換是對時間函數(shù)信號的全頻域轉換,其統(tǒng)計頻譜將散布于整個頻帶。它是整個時間域內(nèi)的積分,沒有局部化分析的功能,完全不具備時域信息。---數(shù)字化過程產(chǎn)生的問題:頻譜混疊效應,泄漏效應(應滿足奈魁斯特定理)。---傅里葉算法滿足的基本性質(zhì)之一是,正弦和余弦函數(shù)(波形)滿足正交性。由此,可根據(jù)其性質(zhì)及函數(shù)的周期性推導出求解傅立葉系數(shù)(an,bn)的簡要公式和高效算法(FFT等)。短時傅立葉變換基本思想是:在傅里葉變換的框架中,把非平穩(wěn)過程看成是一系列短時平穩(wěn)信號的疊加,而短時性則是通過一個參數(shù)的平移來覆蓋整個時域,也就是說采用一個窗函數(shù)g(t-τ)對信號f(t)作乘積運算來實現(xiàn)在τ附近的開窗和平移,然后再進行傅里葉變換。缺點:①一旦窗函數(shù)g(t)選定,其時頻分辨率就已確定,并且不隨頻率ω和時間而變化。
②短時傅里葉變換很難實現(xiàn)高效算法,由此大大限制了其應用范圍。小波變換---小波變換是時間和頻率的局域變換,能有效地從信號中提取有用的信息,通過伸縮和平移等運算功能對函數(shù)或信號進行多尺度細化分析,解決了傅里葉變換不能解決的許多困難問題。---小波變換在信號分析、語音合成、圖像識別、數(shù)據(jù)壓縮、CT成像、地震勘探、大氣與海洋波的分析、故障診斷等許多方面都取得了重要成果。---小波變換在電力系統(tǒng)分析中也有廣泛的應用。除了微分方程的求解問題之外,原則上,能用Fourier分析的地方均可用小波分析。---小波變換的重要特點是能表征函數(shù)的奇異性。
2-3小波變換與電能質(zhì)量擾動識別電能質(zhì)量擾動分析小波變換的出現(xiàn)為電能質(zhì)量分析提供了新的數(shù)學工具和研究方向。---對電能質(zhì)量擾動進行檢測和定位上,所采用的小波及相應算法可分為連續(xù)小波變換和離散正交小波變換。連續(xù)小波變換具有檢測精度高、抗噪性能好的優(yōu)點,但計算量太大。離散正交小波變換具有實現(xiàn)簡單、計算效率高等優(yōu)點,但檢測環(huán)境中的背景噪聲較強時,該方法的檢測精度將大大下降。---在電能質(zhì)量擾動識別問題上,可采用小波變換和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)相結合的方法仿真結果表明:信號的局部奇異性可通過信號的小波變換模極大值來表征。信號奇異點對應的小波變換模極大值與檢測噪聲對應的小波變換模極大值在不同的小波變換尺度上的傳遞性質(zhì)是不同的。仿真算例第三章傳統(tǒng)電能質(zhì)量分析與改善3-1電壓偏差3-2頻率偏差3-3電壓三相不平衡3-4供電中斷與供電可靠性電力系統(tǒng)可靠性電力充裕性電力經(jīng)濟性電力安全性電力系統(tǒng)穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定暫態(tài)穩(wěn)定動態(tài)穩(wěn)定設備性能調(diào)節(jié)系統(tǒng)保護與控制
系統(tǒng)規(guī)劃系統(tǒng)改造運行方式單位煤耗,線損,功率因數(shù)節(jié)能增效市場運行3-1電壓偏差
---供電系統(tǒng)在正常運行方式下,某一節(jié)點的實際電壓與系統(tǒng)標稱電壓(通常,電力系統(tǒng)的額定電壓采用標稱電壓去描述,對電氣設備則采用額定電壓的術語)之差對系統(tǒng)標稱電壓的百分數(shù)稱為該節(jié)點的標稱電壓。其數(shù)學表達式為電壓偏差的定義---
電壓的均方根值偏離額定值的現(xiàn)象成為電壓波動,所以電壓偏差屬于電壓變動的范疇。與同屬電壓變動范疇的過電壓和欠電壓相比,電壓偏差僅僅針對電力系統(tǒng)正常運行狀態(tài)而言。
國家標準GB12325—1990《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》---35KV及以上供電電壓的正、負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%。如供電電壓上下偏差同號時(均為正或負),按較大的偏差絕對值作為衡量依據(jù)。---10KV及以下三相供電電壓允許偏差為標稱電壓的%。---220V單相供電電壓允許偏差為標稱電壓的+7%、-10%。電壓偏差的限值---系統(tǒng)無功功率不平衡是引起系統(tǒng)電壓偏離標稱值的根本原因。系統(tǒng)無功功率不平衡意味著將有大量的無功功率流經(jīng)供電線路和變壓器,由于線路和變壓器存在阻抗,造成線路和變壓器首末端電壓出現(xiàn)差值。無功功率不平衡越嚴重,電壓偏差越大。---供配電網(wǎng)絡結構的不合理也能導致電壓偏差。供配線路輸送距離過長,輸送容量過大,導線截面過小等因素都會加大線路的電壓損失,從而產(chǎn)生電壓偏差。為此,我國對不同電壓等級的供配電線路規(guī)定了合理的輸送距離和輸送容量。電壓偏差產(chǎn)生的原因1、對用電設備的危害所有用戶的用電設備都是按照設備的額定電壓進行設計和制造的。當電壓偏離額定電壓較大時,用電設備的運行性能惡化,不僅運行效率降低,很可能會由于過電壓或過電流而損壞。
2、對電網(wǎng)的危害輸電線路的輸送功率受功率穩(wěn)定的影響,而線路的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限近似與線路的電壓平方成正比。系統(tǒng)運行電壓偏低,輸電線路的功率極限大幅度降低,可能產(chǎn)生系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象,甚至導致電力系統(tǒng)頻率崩潰,造成系統(tǒng)解列。如果電力系統(tǒng)缺乏無功電源,可能產(chǎn)生系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象,導致電壓崩潰。電壓偏差過大的危害
系統(tǒng)運行電壓過高,可能使系統(tǒng)中各種電氣設備的絕緣受損,使帶鐵芯的設備飽和,產(chǎn)生諧波,并可能引發(fā)鐵磁諧振,同樣威脅電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。電壓偏差不僅對系統(tǒng)的穩(wěn)定造成威脅,而且影響系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。當輸送功率一定時,輸電線路和變壓器的電流與運行電壓成反比,而輸電線路和變壓器的有功損耗與電流平方成正比。因此,系統(tǒng)電壓偏低將使電網(wǎng)的有功損耗、無功功率以及電壓損失大大增加;系統(tǒng)電壓偏高,超高壓電網(wǎng)的電暈損耗加大。所有這些都使供電成本增加。
保證系統(tǒng)各節(jié)點電壓在正常水平的充分必要條件是系統(tǒng)具備充足的無功功率電源,同時采取必要的調(diào)壓手段。電壓偏差的監(jiān)測與考核---
電壓監(jiān)測的方法:在電壓監(jiān)測點安裝具有自動記錄和統(tǒng)計功能的“電壓監(jiān)測儀”。它能直接監(jiān)測電壓的偏差,并能統(tǒng)計電壓合格率和電壓超限率。---電壓監(jiān)測點的設置原則:1、與主網(wǎng)(220kV及以上電力系統(tǒng))直接連接的發(fā)電廠高壓母線。2、各級調(diào)度“界面”處的330kV及以上變電所的一、二次母線,220kV變電所的二次母線或一次母線。3、所有變電所的10KV母線。4、具有一定代表性的用戶電壓監(jiān)測點。---電壓偏差的考核指標:1、A類電壓合格率----城市變電所10KV母線的合格率;2、B類電壓合格率----110KV及以上供電或35KV、63KV專線供電用戶的電壓合格率;3、C類電壓合格率-----其他高壓用戶的電壓合格率;4、D類電壓合格率-----0.4kV用戶的電壓合格率;5、供電(綜合)電壓合格率計算式為式中,A、B、C和D分別代表A、B、C類和D類電壓合格率。改善電壓偏差的措施---
配置充足的無功功率電源無功補償?shù)脑瓌t是盡量做到分區(qū)、分層、分變電所進行補償,實現(xiàn)無功功率的就地平衡,并要留有足夠的事故無功功率備用容量。1、同步發(fā)電機發(fā)電機是電力系統(tǒng)中唯一的有功功率電源,同時也是最基本的無功功率電源。發(fā)電機不僅能發(fā)出無功功率(過勵),同時也能吸收無功功率。發(fā)電機在吸收無功功率的時候成為進相運動。
一般從電力系統(tǒng)穩(wěn)定角度考慮,在電網(wǎng)無功不是特別過剩的地區(qū)(不考慮220KV變電所無功補償),機組不應或盡量少進相運行。一般只有在負荷低谷且僅靠變壓器和電抗器的感性無功消耗達不到無功平衡時,才可使電力系統(tǒng)中部分機組進相運行。2、同步調(diào)相機同步調(diào)相機實質(zhì)上是不帶機械負載的同步電動機。改變同步調(diào)相機的勵磁,可以使同步調(diào)相機工作在過勵磁或欠勵磁狀態(tài),從而發(fā)出或吸收無功功率。他是最早采用的無功調(diào)節(jié)設備之一。優(yōu)點:當系統(tǒng)故障引起電壓下降時,可以快速動作,輸出大量感性無功功率,起到電壓支撐的作用。缺點:其本身及附屬設備的有功功率損耗大,約為額定容量的2%-3%;它是旋轉機械,運行維護復雜,投資也大。所以同步調(diào)相機已不作為主要的無功功率調(diào)節(jié)設備。3、電容器作為無功功率補償用的電容器以并聯(lián)的方式接入電力系統(tǒng),電容器只能輸出無功功率。優(yōu)點:有功功率損耗小(約為額定容量的0.3%-0.5%)、設計簡單、容量組合靈活、安全可靠、運行維護方便、投資省。缺點:正反饋的電壓調(diào)節(jié)特性不利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定;調(diào)壓不是連續(xù)的。長期以來電容器一直是電力系統(tǒng)優(yōu)先采用的無功功率補償設備。4、電抗器作為吸收容性無功功率的主要設備,電抗器一般不接入220kV以上電壓等級的電網(wǎng)。并聯(lián)電抗器可分為直接接入和間接接入兩種。直接接入式并聯(lián)電抗器具有吸收輕載時線路充電功率,限制線路過電壓的作用。間接接入式并聯(lián)電抗器不但可以限制線路過電壓,而且當它與中性點小電抗配合時,還有利于超高壓長距離輸電線路單相重合閘過程中故障相的消弧,從而保證單相重合閘的成功。
一般情況下,高、低壓并聯(lián)電抗器的總容量不宜低于線路充電功率的90%。高壓并聯(lián)電抗器的優(yōu)點是有功功率損耗小、容量組合靈活、安全可靠,但造價高。并聯(lián)電抗器也可以接到低壓側或變壓器三次側,這種方式的優(yōu)點是造價較低,操作方便。5、靜止無功補償裝置和靜止無功發(fā)生裝置基于電力電子半控器件的靜止無功補償裝置(StaticVarCompensator----SVC)和基于電力電子全控器件的靜止無功發(fā)生裝置(StaticVarGeneration----SVC)具有動態(tài)無功功率補償特性。與同步調(diào)相機一樣,他們既可向系統(tǒng)輸出無功功率,也可吸收系統(tǒng)無功功率。優(yōu)點:動態(tài)特性好,調(diào)壓速度快,調(diào)壓平滑,可實現(xiàn)分相無功補償,有功功率損耗也比較小。運行維護方便、可靠性較高。缺點:設備價格普遍較高,運行經(jīng)驗欠缺。目前主要安裝在有功沖擊負荷的用戶變電所或系統(tǒng)中的樞紐變電所,用來實現(xiàn)電壓控制。---系統(tǒng)調(diào)壓手段1、電壓偏差的調(diào)整方式(1)逆調(diào)壓:在最大負荷時提高中樞點電壓以補償線路上增加的電壓損失,最小負荷時降低中樞點電壓以防止受端電壓過高的調(diào)壓方式。一般中樞點在電壓在最大負荷時較系統(tǒng)標稱電壓升高5%,在最小負荷時下降為標稱電壓。適用于出線線路較長,負荷變化規(guī)律大致相同,且負荷波動較大的中樞點。目前中樞點常用的調(diào)壓方式是逆調(diào)壓。(2)順調(diào)壓:最大負荷時適當降低中樞點電壓,最小負荷時適當加大中樞點電壓。一般要求最大負荷時中樞點電壓不低于系統(tǒng)標稱電壓的102.5%,最小負荷時中樞點電壓不高于系統(tǒng)標稱電壓的107.5%。適用于出線線路不長,負荷變化不大的中樞點。(3)恒調(diào)壓(常調(diào)壓):無論負荷如何變動,中樞點電壓基本保持不變的電壓調(diào)整方式。一般保持中樞點電壓在102%~105%標稱電壓。使用范圍介于逆調(diào)壓和順調(diào)壓之間。2、電壓偏差的調(diào)整手段(1)用發(fā)電機調(diào)壓。優(yōu)點:不需要投資,且簡便、經(jīng)濟。缺點:如果發(fā)電機經(jīng)多級變壓供電,僅用發(fā)電機調(diào)壓,往往不能滿足負荷電壓的要求。適用于發(fā)電機母線直饋負荷的情況,且多采用逆調(diào)壓方式。(2)改變變壓器變比調(diào)壓:就是改變變壓器匝數(shù)的比例關系,從而改變一側的電壓大小。無載調(diào)壓變壓器:改變分接頭時需要停電的變壓器。有載調(diào)壓變壓器:又稱帶負荷調(diào)壓變壓器,它可以在帶負荷情況下,根據(jù)負荷大小隨時更改分接頭。
優(yōu)點:分接頭較多(一般為7-27個分接頭)、調(diào)壓范圍大,因此容易滿足電壓偏差的要求。目前,其已經(jīng)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應用,成為保證電壓質(zhì)量的主要手段。缺點:當系統(tǒng)無功功率電源缺額較大的時,系統(tǒng)電壓水平偏低。如果此時用有載調(diào)壓器進行調(diào)壓,使變壓器二次側的電壓抬高,則無功缺額全部轉嫁到主網(wǎng)上,使主網(wǎng)電壓嚴重下降。這種情況極可能引發(fā)電壓崩潰。
裝設有載調(diào)壓變壓器的前提是系統(tǒng)無功功率電源充足。(3)改變線路參數(shù)調(diào)壓采用分裂導線法:適用于220kV及以上電壓等級輸電線路的新建和改建。串聯(lián)電容器串聯(lián)電容補償接線圖串聯(lián)電容具有隨負荷電流自行調(diào)整補償電壓的功能。過補償欠補償完全補償
優(yōu)點:特別適合于電壓波動頻繁、負荷功率因數(shù)低的場合。以調(diào)壓為目的時,一般裝設在單端電源供電的110kV及以下電壓等級的分支線上。在低壓配電線路中,為了提高線路末端的電壓,有時采用過補償。超高壓線路上串聯(lián)電容器的目的是為了提高輸電線路的輸送能力和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,這時采用欠補償方式。應用并不廣泛。
缺點:在配電線路中,串聯(lián)電容與一些容量較大的感應電動機或同步電動機有可能發(fā)生共振。這種現(xiàn)象稱為電機的自激。在超高壓輸電線路中,采用串聯(lián)電容后,有可能與發(fā)電機產(chǎn)生諧振頻率低于工頻的頻率振蕩,即次同步振蕩,危及發(fā)電機組的安全。3-2頻率偏差頻率偏差的定義
我國采用50Hz標稱頻率。所有與電力系統(tǒng)直接相連的電氣設備都必須在該頻率下才能正常工作,所以標稱頻率又稱為工作頻率,簡稱工頻。電力系統(tǒng)在正常運行條件下,系統(tǒng)頻率的實際值與標稱值之差稱為系統(tǒng)的頻率偏差,用公式表示為頻率偏差屬于頻率變化的范疇。電力系統(tǒng)的頻率變化是指基波頻率偏離規(guī)定正常值的現(xiàn)象。頻率偏差的限值
我國國家標準GB/T15945----1995《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定:電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為0.2Hz。當系統(tǒng)容量較小時,頻率偏差值可放寬到0.5Hz。用戶沖擊負荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不得超過0.2Hz。
在保證近區(qū)電網(wǎng)、發(fā)電機組的安全、穩(wěn)定運行和用戶正常供電的情況下,可以根據(jù)沖擊負荷的性質(zhì)和大小以及系統(tǒng)的條件做適當變動限值。預計不遠的將來,經(jīng)濟發(fā)達國家的系統(tǒng)頻率允許偏差將達到0.05%。頻率偏差產(chǎn)生的原因
系統(tǒng)有功功率不平衡是產(chǎn)生頻率偏差的根本原因。頻率偏差過大的危害---對用電負荷的危害:(1)產(chǎn)品質(zhì)量沒有保障。(2)降低勞動生產(chǎn)率。(3)使電子設備不能正常運行,甚至停止運行。---系統(tǒng)頻率偏差大對電力系統(tǒng)的危害:(1)降低發(fā)電機組效率,嚴重時可能引起系統(tǒng)頻率崩潰或電壓崩潰。(2)汽輪機在低頻下運行時容易產(chǎn)生葉片共振,造成葉片疲勞損傷和斷裂。(3)處于低頻率電力系統(tǒng)中的異步電動機和變壓器其主磁通會增加,勵磁電流隨之加大,系統(tǒng)所需無功功率大為增加,導致系統(tǒng)電壓水平降低,給系統(tǒng)電壓調(diào)整帶來困難。(4)無功補償用電容器的補償容量與頻率成正比。當系統(tǒng)頻率下降時,電容器的無功出力成比例降低。此時電容器對電壓的支撐作用受到削弱,不利于系統(tǒng)電壓的調(diào)整。(5)頻率偏差大使感應式電能表的計量誤差加大。電力系統(tǒng)頻率調(diào)整和控制
頻率調(diào)整:電力系統(tǒng)在正常運行方式下,通過改變發(fā)電機的輸出功率使系統(tǒng)的頻率變動保持在允許偏差范圍內(nèi)的過程。頻率調(diào)整是電力系統(tǒng)運行調(diào)整的基本任務之一。頻率控制:電力系統(tǒng)在非正常運行方式下,針對頻率異常所采取的調(diào)頻措施。---電力系統(tǒng)頻率調(diào)整
頻率調(diào)整包括頻率的一次調(diào)整和二次調(diào)整。一次調(diào)整:利用發(fā)電機組的調(diào)速器,對于變動幅度小(0.1%-0.5%)、變動周期短(10s以內(nèi))的頻率偏差所做的調(diào)整。所有發(fā)電機組均裝配調(diào)速器,所以電力系統(tǒng)中投運的所有發(fā)電機組都自動參與頻率的一次調(diào)整。
二次調(diào)整:利用發(fā)電機組的調(diào)頻器,對于變動幅度較大(0.5%-1.5%)、變動周期較長(10s-30min)的頻率偏差所做的調(diào)整。只有當系統(tǒng)頻率超過某一規(guī)定偏差范圍時,輔助調(diào)頻廠才參與頻率的二次調(diào)整。
滿足以下條件的發(fā)電廠(機組)宜選作調(diào)頻廠(機組):(1)足夠的可調(diào)容量和調(diào)整范圍;(2)機組調(diào)整速度快;(3)調(diào)頻輸出的功率滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定要求,同時經(jīng)濟性能好。
頻率的二次調(diào)整可經(jīng)運行人員手動操作或依靠自動裝置來完成。分別稱為手動調(diào)頻和自動調(diào)頻。手動調(diào)頻:調(diào)頻廠由值班人員根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差的大小改變調(diào)頻機組調(diào)速器整定值,從而改變調(diào)頻機組的出力,使系統(tǒng)頻率維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。自動調(diào)頻:通過裝在調(diào)頻廠和調(diào)度所的自動發(fā)電控制(AutomaticGenerationControl----AGC)裝置來實現(xiàn)的。自動調(diào)頻控制方式恒定頻率控制恒交換功率控制聯(lián)絡線功率頻率偏差控制---電力系統(tǒng)頻率控制
1、電力系統(tǒng)在以下情況可能出現(xiàn)頻率異常:(1)故障后系統(tǒng)失去大量電源或系統(tǒng)解列,有功功率失去平衡。(2)氣候變化或意外災害使負荷發(fā)生突變。(3)在電力供應不足的系統(tǒng)中缺乏有效控制負荷的手段。(4)高峰負荷期間,發(fā)電出力的增長速度低于負荷的增長速度;低谷負荷期間,發(fā)電最小出力大于總負荷。(5)大型沖擊負荷造成的頻率波動。沖擊負荷占系統(tǒng)總負荷的比例與其影響成比例。這類負荷包括:軋鋼機、電弧爐、電氣化鐵路等。2、系統(tǒng)頻率異常時一般采取以下頻率控制措施:(1)電力系統(tǒng)應當具有足夠的負荷備用和事故備用容量。(2)在調(diào)度所或變電所裝設直接控制用戶負荷的裝置,并備有事故拉閘序位表。(3)在系統(tǒng)內(nèi)安裝按頻率降低自動減負荷裝置(又稱自動低頻減載裝置)和在可能被解列而導致功率過剩的地區(qū)裝設按頻率升高自動切除發(fā)電機(又稱自動高頻切機裝置)等。---頻率調(diào)整與電壓調(diào)整有以下差異:(1)全系統(tǒng)頻率相同,而系統(tǒng)中各節(jié)點的電壓卻各不相同。(2)系統(tǒng)頻率質(zhì)量主要由系統(tǒng)有功功率平衡狀況決定,而系統(tǒng)電壓質(zhì)量在則主要由系統(tǒng)無功功率平衡狀況決定。(3)調(diào)整頻率只有改變發(fā)電機組原動機功率這唯一措施。調(diào)整電壓的措施卻較多。此外電壓調(diào)整設備的安裝場地不僅設在發(fā)電廠,而且分散在系統(tǒng)中各處。3-3電壓三相不平衡基本概念---對稱和平衡1、對稱(不對稱)多相系統(tǒng)可分為對稱和不對稱的兩大類。所謂對稱的m相系統(tǒng),是指各相電量(電動勢、電壓或電流)大小相等而且順序相鄰間的相移等于360/m。性質(zhì)1:組成對稱多相系統(tǒng)的全部電量其瞬時值之和始終等于零。Remark:只滿足上述性質(zhì),不一定是對稱多相系統(tǒng)。2、平衡(不平衡)多相總功率瞬時值與時間無關的多相系統(tǒng)。性質(zhì)2:相數(shù)m>2的對稱系統(tǒng)一定是平衡的。3、三相系統(tǒng)中的不對稱和不平衡對于三相系統(tǒng),電路的不對稱直接導致不平衡。理想的三相交流電三相的電壓和電流是平衡的,幅值相等,相位互差120°。---對稱分量法
任何一組不對稱的三相相量都可以分解為相序各不相同的三組對稱的三相相量。三相不平衡電壓分解為正序,負序和零序三個對稱分量。性質(zhì)3:假如線電壓相量不變,則不論相電壓相量如何變化,它的正序和負序分量保持不變?!耠妷汉碗娏鞯牟黄胶舛瓤捎秘撔蚝土阈蚍至肯鄬τ谡蚍至恐档陌俜直葋肀硎尽窬€電壓不平衡率LVUR●相電壓不平衡率PVUR---
電壓不平衡度的表示(1)三相負荷不相等。配電系統(tǒng)低壓側的多數(shù)負荷是單相電氣設備這些負荷往往是不均勻分配在三相上;大功率的單相高壓電氣設備的應用,如單相電氣機車,單相感應爐等;電弧爐雖然是三相設備,但三相的負荷卻常常是不平衡的。(2)三相系統(tǒng)中各元件的參數(shù)不相等,如不完全換位的架空線路,其三相阻抗值不相等。(3)三相非全相運行,單相重合閘時單相線路斷開或雙回路中斷開一相。(4)故障時的嚴重不對稱情況,如單相或兩相短路,這是瞬時性的不對稱情況導致三相的電壓和電流不平衡的原因:---電氣化鐵路電氣化鐵路是由電力系統(tǒng)110kV(220kV)經(jīng)牽引變壓器降壓為27.5kV(25kV為牽引網(wǎng)標準電壓)后向牽引網(wǎng)和電力機車單相供電。由于牽引變對電力機車這種不對稱供電方式,使得其在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生負序電流和負序電壓。1、牽引變向電力機車的供電方式
----Y,d11接線牽引變供電
----V,
v接線牽引變供電
----Scott接線牽引變供電Y,d11接線牽引變供電V,
v接線牽引變供電特點:無零序兩供電臂負荷功率因數(shù)角相同時,負序電流的大小等于高壓側三相電流中的最小電流。兩臂電流相位相差60度。負序含量大小與兩臂負荷不平衡程度有關。即使兩臂負載平衡,負序電流也不能消除。
Scott接線牽引變供電特點:無零序兩臂負荷相等時,完全消除不平衡;兩臂負荷不相等時,可明顯減輕對系統(tǒng)d的不平衡影響。---交流電弧爐電弧爐供電三相等值電路三相不平衡的危害(1)引起發(fā)電機的附加發(fā)熱和附加力矩及振動;還可能引起高次諧波電流;(2)增加感應電動機功率消耗;降低功率因數(shù)和轉速;(3)引起以負序分量為啟動元件的保護誤動;(4)電壓不平衡使電力電子設備產(chǎn)生非特征諧波;(5)電壓不平衡使發(fā)電機容量利用率下降;(6)引起變壓器重負荷相過熱,影響絕緣壽命;磁路不平衡還引起箱壁、夾件發(fā)熱,造成附加損耗;(7)增加輸電線路損耗;(8)配網(wǎng)中引起低壓設備損壞(三相四線制);(9)增大對通訊系統(tǒng)的干擾(零序)。三相不平衡的簡單計算---不平衡電路的計算
包括對稱三相電路加以不對稱電壓源、不對稱短路、非全相運行、不對稱三相電路(三相負荷不平衡)。---不對稱三相潮流計算利用不對稱三相潮流計算可以同時計算三相各節(jié)點電壓和各支路功率。所有元件模型都是基于三相統(tǒng)一建立的。對于變壓器,還需注意繞組接線對各序量相位角的旋轉。用序量表示的邊界條件不對稱負荷的序阻抗原始邊界條件---制定三相不平衡標準,對三相不平衡度管理和監(jiān)督GB/T15543-1995電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度該標準只適用于負序分量引起的不平衡場合。公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%;短時不超過4%。接于PCC的單個用戶引起的不平衡度不超過1.3%---采取改善措施(1)將不對稱負荷分散接到不同的供電點,以減小集中連接造成不平衡超標問題;(2)使不對稱負荷合理分配到各相,盡量使其平衡化(如牽引變的換相連接);(3)將大容量不對稱負荷接到更高一級電網(wǎng);(4)采用平衡裝置(靜態(tài)補償、動態(tài)補償)。改善三相不平衡的措施3-4供電中斷與供電可靠性供電可靠性常用指標---供電可靠性主要指標(1)供電可靠率:在統(tǒng)計期間內(nèi),對用戶的有效供電時間總小時數(shù)與統(tǒng)計期間小時數(shù)的比值,記作RS-1(2)用戶平均用電時間:用戶在統(tǒng)計期間內(nèi)的平均停電小時數(shù),記作AIHC—1(3)用戶平均停電次數(shù):用戶在統(tǒng)計期間內(nèi)的平均停電次數(shù),記作AITC—1(4)用戶平均故障停電次數(shù):用戶在統(tǒng)計期間內(nèi)的平均故障停電次數(shù),記作AFTC---供電可靠性參考指標(1)用戶平均故障停電時間:在統(tǒng)計期間內(nèi),每一用戶的平均故障停電小時數(shù)(2)故障停電平均持續(xù)時間:在統(tǒng)計期間內(nèi),故障停電每次平均停電小時數(shù)(3)平均停電用戶數(shù):在統(tǒng)計期間內(nèi),平均每次停電的用戶(4)故障停電平均用戶數(shù):在統(tǒng)計期間內(nèi),平均每次故障停電的用戶數(shù)供電中斷預安排供電中斷故障供電中斷計劃供電中斷檢修供電中斷施工供電中斷用戶申請供電中斷臨時供電中斷臨時檢修供電中斷臨時施工供電中斷用戶臨時申請供電中斷限電系統(tǒng)電源不足限電供電系統(tǒng)限電(長時間)供電中斷分類(1)使全系統(tǒng)的有功功率和無功功率的平衡遭到破壞,系統(tǒng)頻率及電壓嚴重偏離正常值,甚至可能導致系統(tǒng)頻率崩潰和電壓崩潰;(2)對國民經(jīng)濟其他行業(yè)產(chǎn)生重大影響,導致生產(chǎn)停頓、生活混亂,甚至危及人身和設備安全,從而給國民經(jīng)濟帶來嚴重損失。供電中斷的危害供電中斷產(chǎn)生的原因以及提高供電可靠性的措施---供電中斷產(chǎn)生的原因(1)設備質(zhì)量缺陷。(2)人員誤操作。(3)自然災害。(4)繼電保護誤動作。(5)運行管理水平低。---改善系統(tǒng)供電可靠性的措施(1)加強系統(tǒng)的網(wǎng)架結構,合理分布電源及無功功率補償設備,提高系統(tǒng)的抗擾動能力。(2)采取自動化程度很高的系統(tǒng),裝設分散協(xié)調(diào)控制裝置等都是重要的技術措施。(3)各負荷的供電方式,應根據(jù)負荷對供電可靠性的要求和地區(qū)供電條件而確定。按照供電可靠性要求,用電負荷分為三級:一級負荷:突然停電將造成人身傷亡,或在經(jīng)濟上造成重大損失,或在政治上造成重大不良影響的負荷。二級負荷:突然停電將在經(jīng)濟上造成較大損失,或在政治上造成不良影響的負荷。三級負荷:不屬于一級和二級負荷的都為三級負荷。---用電負荷等級(1)一級負荷應由兩個獨立電源供電。有特殊要求的一級負荷,兩個獨立電源應來自兩個不同地點。
獨立電源滿足條件:
a.兩個電源來自不同的發(fā)電機。b.兩個電源間無聯(lián)系,或雖有聯(lián)系但能在其中任一電源故障時另一個電源自動斷開兩者之間的聯(lián)系。(2)二級負荷應由兩回線路供電。當負荷較小或取兩回線路有困難時,可由一回專用線路供電。(3)三級負荷對供電方式無要求。---各級用電負荷供電方式第四章電壓波動與閃變4-1基本概念
----均方根值電壓變動特性4-2電壓波動4-3閃變4-4閃變的評估方法4-1基本概念均方根值電壓的變動特性
凡不保持電壓均方根值恒定不變的現(xiàn)象?;蛘哒f,實際電壓偏離系統(tǒng)標稱電壓,統(tǒng)稱為電壓變動(Voltage-RMSChange)。穩(wěn)態(tài)電壓變動值電壓標稱值動態(tài)電壓變動值最大電壓變動值
●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
---電壓變動的細化分類電壓變動穩(wěn)態(tài)電壓變動相對緩慢變化10min電壓偏差動態(tài)電壓變動相對快速變化<25Hz電壓波動短時間電壓變動0.5c-1min暫降,短時中斷長時間電壓變動>1min過電壓欠電壓停電1)跌落幅值2)持續(xù)時間3)發(fā)生次數(shù)典型電壓變動現(xiàn)象(1)電壓偏差(Voltagedeviation):在一定的電網(wǎng)參數(shù)下,由于總負荷或部分負荷的運行狀態(tài)或特性的改變,以及變壓器分接頭調(diào)節(jié)和電容器/電抗器投切等,所需無功功率與供電網(wǎng)提供的無功功率不相平衡,供電電壓出現(xiàn)持續(xù)性偏離運行標稱值。電壓偏差為實測電壓與額定電壓差值的相對百分數(shù):
電壓偏差(%)=(實測電壓-標稱電壓)/標稱電壓*100(%)(實際計算時,取10分鐘的平均值,并規(guī)定取一周內(nèi)95%概率統(tǒng)計)。(2)電壓波動(Voltagefluctuation):由于部分負荷在正常運行時出現(xiàn)沖擊性功率變化,造成實際電壓在短時間里較大幅度波動,并且連續(xù)偏離額定電壓,所以也稱為快速電壓變動。電壓波動值為一系列電壓有效值的兩個極值之差,且用其相對值的百分數(shù)表示:
通常以d的大小作為電壓波動的量度。電弧爐引起電壓波動錄波圖(3)電壓暫降與暫升(Voltagesags,swells):當系統(tǒng)或設備發(fā)生短路故障,或由于大容量設備工作啟動,可能造成母線電壓迅速下降,且跌幅很大,后隨即回升,其典型持續(xù)時間為0.5-30周波,下降幅度為0.9-0.1p.u(IEC規(guī)定為10ms-1s,0.01-0.9p.u)。又稱為短時欠電壓。反之,由于其他相發(fā)生短路故障或由于甩負荷,造成母線電壓驟升,后隨即下降,稱為電壓暫升或凸起,也稱為短時過電壓。這種電壓變動現(xiàn)象是近年來國際電工界十分關注的。SLG故障引起的電壓暫降、暫升、短時間中斷錄波圖(4)短時間電壓中斷當電壓迅速下降,且跌至<0.1p.u,經(jīng)一段時間(數(shù)周波-1分鐘)后又恢復到標稱值,稱為短時間電壓中斷。(5)長時間電壓變動
----持續(xù)電壓中斷
----欠電壓和過電壓;(6)停電有分析認為,由于預知的電氣設備計劃檢修或更換,或由于工程設計不當、電力供應不足造成的,它不屬電能質(zhì)量問題,而是并把它歸為供電工程質(zhì)量問題。預知的電氣設備計劃檢修或更換時間和故障人工恢復時間在傳統(tǒng)供電可靠率中是被計入的。(7)偶然電壓變動:由于存在著一種電壓快速變動和較短暫持續(xù)時間的電壓變動現(xiàn)象,如瞬時過電壓與暫態(tài)過電壓等。新近還提出偶然電壓變動事件,甚至稱之為暫態(tài)電壓質(zhì)量概念(注:暫態(tài)一詞多用于描述兩種穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象之間的變化過程,用于電能質(zhì)量問題似乎并不妥當)。由于本章所討論的是正常運行狀態(tài)下電壓的變動,在以下分析中不包括此種現(xiàn)象。各種電壓波形的比較正常波形電壓驟降電壓變動電壓波動瞬停4-2電壓波動
由于功率波動性負荷的用電特點,引起供電母線電壓均方根值的一系列快速變動或連續(xù)改變的現(xiàn)象(其變化周期大于工頻周期,相對于電壓偏差現(xiàn)象又稱為快速電壓變動)。這種現(xiàn)象將對周邊其他負荷正常運行造成危害和影響。其中最突出的是引起照明亮度的閃爍和對人視覺的影響。
電壓波動的含義
為具體描述造成實際電壓在短時間里較大幅度變的特征,將一系列電壓變動值中的相鄰兩個極值之間的變化稱為一次電壓波動,把兩個相鄰極值之差稱為電壓波動值(或波動大?。?。實際上,電壓波動表現(xiàn)為嚴重連續(xù)偏離額定電壓,因此用一系列電壓方均根值的兩個極值之差,且用其相對值的百分數(shù)表示:
通常以d的大小作為電壓波動的量度。電壓波動的表示電壓均方根值曲線(電壓變動特性)(a)周期性等幅矩形電壓變動(b)一系列不規(guī)則時間間隔階躍電壓變動(c)非全階躍式可明顯分離的電壓變動(d)一系列隨機的或連續(xù)電壓波動圖4-2電壓波動圖形示例tUdtUtUtU電壓波動圖形tt載波電壓(a)相對電壓變動特性(b)調(diào)幅波變化曲線圖4-3電壓波動示意圖RMS的調(diào)幅波電壓vRMS的調(diào)幅波電壓v電壓波動的波形示意圖想象中的零軸
圖4-4波動電壓對工頻電壓的調(diào)制50Hz工頻載波(a)電壓波動調(diào)制示意圖ΔUdv00utt(b)正弦調(diào)幅波電壓波形10Hz正弦調(diào)幅波tt低頻(10Hz)正弦調(diào)幅波的變化
如上所述,電壓波動的頻度是分析電壓方均根值變化特性的另一個重要指標。我們把單位時間內(nèi)電壓波動的次數(shù)稱為電壓波動的頻度,一般以分或秒作為頻度的單位。例如圖4-4所示的10Hz波動電壓,其電壓波動值為調(diào)幅波的峰谷差值,波動頻度為20次/秒。因此,電壓波動的頻度為調(diào)幅波頻率的2倍,或表示為電壓波動的頻度(頻次)
配電系統(tǒng)發(fā)生的短路故障或開關操作。無功功率補償裝置、大型整流設備的投切。功率沖擊性波動負荷的工作狀態(tài)變化。
由于頻繁啟動和間歇通電時常引起電壓按一定規(guī)律周期變動的負荷。如:軋鋼機、電動機、電焊機等。引起供電點出現(xiàn)連續(xù)的不規(guī)則的隨機電壓變動的負荷。如:煉鋼電弧爐等。引起電壓波動的原因波動負荷分類
國標中以典型的電弧爐負荷為對象設定了電壓波動的極限值(實際上,電壓波動限值很少考核,而代之以閃變值作為主要指標)。電壓波動限值變動頻度波動限值d(%)變動頻度波動限值d(%)LV、MVHVLV、MVHVr≤14310<
r≤10021.5r≤1032.5100<
r≤10001.251各級電網(wǎng)電壓波動限值4-3閃變基本概念與定義
閃變電光源的電壓波動造成燈光照度不穩(wěn)定的人眼視感反映。白熾燈對電壓波動的敏感程度較高,其光功率與電源電壓的平方成正比。因此在研究電壓波動帶來的影響時,通常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)。閃變是電壓波動引起的有害結果,是指人對照度波動的主觀視覺反映,它不屬于電磁現(xiàn)象。
根據(jù)IEC推薦的實驗條件,采用不同波形、頻度、幅值的調(diào)幅波工頻電壓為載波向工頻230V、60W白熾燈供電照明,并對觀察者的閃變視感實驗進行統(tǒng)計可得到有明顯覺察和難以忍受者的數(shù)量占觀察者總數(shù)量的比,即
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)。若把F(%)大于50%定為閃變限值,則對應的電壓變動值為該實驗條件下電壓波動允許值。---閃變覺察率F(%)
為表示人對照度波動的瞬時主觀視覺反應,常用閃變強弱的瞬時值變化來描述,稱為瞬時閃變視感度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F=50%為瞬時閃變視感度的衡量單位,對應為S=1覺察單位,換言之,若S>1(覺察單位)為閃變不允許值。(注:S>1(覺察單位)對應有電壓波動限定值,但表現(xiàn)為非線性多元關系,一般不能簡單地用波動值等效表示)。---瞬時閃變視感度S(t)
通過閃變實驗研究,還可得到人的視覺對照度波動的頻率特性,可概括為(此時以調(diào)制波的頻率為單位給出,它是波動頻次的1/2):①閃變的覺察頻率范圍:1—25Hz②閃變的最大覺察頻率范圍:0.05-35Hz(其上下限值稱為截止頻率,上限值又稱為停閃頻率)③閃變的敏感頻率范圍:6—12Hz④閃變的最大敏感頻率:8.8Hz⑤視感度系數(shù)K(f),它是在覺察單位下,最小電壓波動值與各頻度電壓變動值的比
---視感度頻率特性系數(shù)K(f)
不難看到,在S=1(覺察單位)時,對應閃變的最大敏感頻率8.8Hz有電壓波動d(%)最小值(如表4-2中,8.8Hz對應有電壓波動值d(%)最小,為0.250。所以有,
K(f)<=1。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)頻率特性曲線。
不同波形的調(diào)幅波引起的閃變效果也不同。對兩種典型波動電壓做比較,給出波形因數(shù)如下式:
對矩形和正弦調(diào)幅波電壓比較可知,以最大敏感頻率8.8Hz為對比起點,當頻率≤9Hz時,矩形波的諧波比其基波對閃變影響更大(S=1條件下,其電壓波動值小于正弦波)。---波形因素R(f)dmaxΔU/U(%)0.111010010000r(min-1)r(s-1)
8.8Hz/s,1056/120s1010圖4-9S=1覺察單位的電壓波動與頻率的關系曲線單位閃變(Pst=1)S=1察覺單位的矩形電壓波動S=1察覺單位的正弦電壓波動S=1覺察單位的電壓波動與頻率的關系曲線閃變視覺系統(tǒng)模型
從對閃變視感機理的理論分析和本質(zhì)認識出發(fā),尋求一種較為嚴謹?shù)臄?shù)學表述方法是必要的?!?/p>
基本思路:對1)電壓波動的響應特性;2)人眼的感光反映能力;3)大腦的記憶存儲效應三方面的近似數(shù)學描述,即得到人的閃變視覺系統(tǒng)模型?!?/p>
具體辦法:通過對實驗得到的視感度頻率特性曲線K(f)(它是以上3方面的綜合反映)的數(shù)學分段逼近與描述,從而獲得燈-眼-腦環(huán)節(jié)的數(shù)學表達式?!?/p>
一方面使我們對人的主觀視覺對照度波動(電壓波動引起)響應的理論認識有所提高,另一方面也為閃變數(shù)字測量提供了較為通用的計算方法。---
燈眼腦反應鏈的數(shù)學描述---燈-眼-腦反應鏈的數(shù)字仿真?zhèn)鬟f函數(shù):燈-眼-腦反應鏈的傳遞函數(shù)仿真波形4-4閃變的評估方法●廣義的電壓閃變概念:它幾乎涵蓋了電壓波動的全部有害內(nèi)容(之所以如此,是因為電光源具有應用的廣泛性;其光照度對電壓波動的敏感具有代表性)?!裰懈邏弘娋W(wǎng)也采用閃變強度來衡量電壓波動的水平,是為了統(tǒng)一標準。●還由于在實際對隨機波動性負荷的供電點,很難對其最大電壓波動給出評估,往往采用只評估閃變嚴重度?!耔b于此,在電能質(zhì)量標準中,既要限制電壓波動也要限制電壓閃變,但一般將限制電壓閃變作為第一考核指標。電壓波動與閃變的起因和危害1、引起照明燈光閃爍,使人的視覺易于疲勞甚至難以忍受而產(chǎn)生煩躁情緒,從而降低了工作效率和生活質(zhì)量。2、使得電視機畫面亮度頻繁變化以及垂直和水平幅度搖動。3、造成對直接與交流電源相連的電動機的轉速不穩(wěn)定,時而加速時而制動,由此可能影響產(chǎn)品質(zhì)量,嚴重時危及設備本身安全運行。---
閃變的危害
它們是衡量閃變的基準,分別用來確定短時間(1-15分鐘)的閃變強弱和整個工作周期(1小時-7天)的閃變嚴重度,因此是反映電壓波動的統(tǒng)計特征量。其科學性和正確性已經(jīng)得到國際的普遍認可和使用(IEC作為測量標準已經(jīng)頒布,IEEE正在效仿實施)。短時間閃變值與長時間閃變值---短時間閃變值
在觀察期內(nèi)(如10min),對瞬時閃變視感度S(t)作遞增分級(標準規(guī)定,分級應不小于64級)處理,計算各級瞬時閃變視感水平所占相對時間長度比,可獲得概率直方圖。進而采用IEC推薦的統(tǒng)計方法—累積概率函數(shù)(CPF),對該段時間的閃變強弱作出評定。10S(t)(級)(p.u.)
圖中給出第7級(1.2p.u-1.4p.u)統(tǒng)計計算示例.假設,處于第7級的時間總和次數(shù):
在總時間中第7級所占概率分布則為0.10.30.50.70.91.11.31.51.71.9123456789100.10.30.50.70.91.11.31.51.71.912345678910010203040507500500025000050100CPF(%)(級)S(t)p.u..(次)Pk(%)(級)S(t)p.u..圖4-12S(t)統(tǒng)計計時概率分布直方圖圖4-13S(t)累計概率函數(shù)曲線依次對其他9級進行同樣統(tǒng)計計算,可給出概率分布直方圖。29%50%對概率分布直方圖做概率累加計算,可得到累積概率函數(shù)圖形。7以上各級概率之和29%累積概率函數(shù)CPF所表現(xiàn)的是S(t)變量處在某一確定范圍內(nèi)的可能性有多大。即S(t)的概率分布函數(shù)。實際應用中可不用畫出CPF曲線。
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)(CPF)。而實際應用時常用5個概率分布規(guī)定值計算出10min短時間閃變統(tǒng)計值,它表示短時間閃變嚴重度。其計算公式如下
式中5個規(guī)定值、、、、分別為10min內(nèi)瞬時閃變視感度S(t)超過0.1%、1%、3%、10%和50%的時間比。
---
單位閃變(UNITFLICKER):由以上計算得到短時間閃變值。當<0.7覺察單位時,一般覺察不出閃變;當>1.3時,則閃變使人感到不舒服。所以IEC推薦=1作為低壓供電的短時閃變限值,稱為單位閃變。它代表在標準實驗條件下(60W230V鎢絲燈)被實驗人數(shù)(大于500人)中80%(當f=8.8Hz時,d=29%,覺察率F=80%,瞬時閃變視感度S=2覺察單位)有明顯刺激性感覺的閃變強度。它作為低壓供電的閃變限值。
長時間閃變的統(tǒng)計時間需在1h以上,典型取2h或更長時間。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過99%概率的短時間閃變值(用符號表示)或超過1%時間的(用符號表示)作為長時間閃變值。
---長時間閃變值==
有些專家主張以95%概率代替99%概率,以放寬對電能質(zhì)量的要求使之更符合實際。即將上式稍做修改有:==第五章電壓暫降與短時間中斷5-1概述5-2電壓暫降與中斷的起因5-3短時間電壓中斷的監(jiān)測與隨機預估5-4敏感用電設備與電壓暫降5-5電壓暫降幅值與臨界距離5-1概述(1)電壓暫降并不是電力系統(tǒng)中的新現(xiàn)象,它是由于系統(tǒng)發(fā)生短路故障或者重負荷啟動引起的。(2)電壓暫降不同于電壓偏差,是指電壓有效值的大幅度、快速、短時間下降的突發(fā)事件。(3)在電壓暫降的分析中,通常將暫降時的電壓有效值與額定電壓有效值的比值定義為暫降的幅值,將暫降從發(fā)生到結束之間的時間定義為持續(xù)時間,將單位時間內(nèi)發(fā)生電壓暫降的次數(shù)定義為暫降頻次。(4)國際電工委員會(IEC)將其定義為下降到額定值的90%至1%,國際電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)將其定義為下降到額定值的90%至10%,其典型持續(xù)時間為0.5~30周波。電壓暫降概念與定義
圖所示為一家115kV工業(yè)用戶電壓暫降幅值的實測結果(監(jiān)測期為1年)??梢钥吹剑摴S供電系統(tǒng)中電壓暫降絕大多數(shù)處在低于額定值的10%-30%(或表示為0.9pu-0.7pu)范圍內(nèi)。電壓暫降大于50%的幾乎為0.(注:按照IEEE定義,低于額定值0-10%的電壓變動不屬于電壓暫降)
可采用三維圖形展示電壓暫降三特征量(即暫降幅值持續(xù)時間暫降次數(shù)的分布圖)。這是完整描述電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降的圖示化方法。
5-2電壓暫降與中斷的起因電壓
RMS,BA短時間中斷時間電壓暫降圖5-4重合閘時故障線路(實線)和非故障線路(虛線)電壓均方根值A——故障切除時間B——重合閘重合時間變電站重合閘主饋線1熔斷器2故障切除電壓恢復重合成功電壓恢復12圖5-3帶有熔斷器和重合閘的架空線路配電系統(tǒng)暫態(tài)發(fā)生過程簡要分析(1)由分支線路熔斷器保護與主干線路重合閘的配合關系可以知道,電壓暫降、短時電壓中斷和長時電壓中斷的出現(xiàn)是與故障發(fā)生點、保護方式的配合以及恢復供電時間相關聯(lián),并且三者可能相互轉化。(2)一次故障可能出現(xiàn)多次電壓事件。以圖為例說明,從一次短時間中斷和一次電壓暫降發(fā)展到二次短時間中斷和二次電壓暫降,直至長時供電中斷。電壓暫降和中斷的發(fā)生過程非故障線2和故障線路1上的實測電壓波形不同原因引發(fā)的電壓驟降事件型電能質(zhì)量-電壓暫降實測波形三相電壓暫降的類型電壓暫降現(xiàn)象的起因總結(1)引起電壓嚴重暫降的最主要原因是系統(tǒng)元件或線路的故障。(雷電等惡劣天氣影響居多)
特征:暫降幅度大、近乎矩形曲線、持續(xù)時間短(即故障在線時間)圖a:線路短路圖b:大型電機啟動就現(xiàn)象可見,電壓暫降并不是新問題。但是,由于其危害和影響十分突出,它卻成為近年來日益引起電工界關注的最重要的電能質(zhì)量問題.(2)引起電壓暫降的另一主要原因是重型負荷的啟動。特征:暫降幅度小、非規(guī)則矩形、持續(xù)時間長5-3短時間電壓中斷的監(jiān)測與隨機預估(1)當電壓有效值降低到接近于零時,則稱為中斷。由于對電壓暫降下降幅度定義的不同,對“接近于零”也有不同的定義:
IEC定義“接近于零”為“低于額定電壓的1%”;IEEE定義為“低于10%”[IEEEStd.1159-1995]。(之所以此時電壓不為0,是系統(tǒng)儲能元件電壓反饋的原因)。(2)中斷可按其持續(xù)時間長短進一步分類,但分類原則也尚未統(tǒng)一。IEC定義長時間中斷持續(xù)時間最少為3分鐘,小于3分鐘的中斷稱為短時中斷。
IEEE標準[IEEEStd.1250-1995]中將大于2分鐘的中斷稱為持續(xù)中斷(而在[IEEEStd.1159-1995]中則將大于3秒鐘的中斷稱為持續(xù)中斷,見下表)。短時間中斷的定義中斷類型\標準名稱EN-50160IEEE-std.1159-95IEEE-std.1250-95長時(long)>3分鐘
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