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电能质量概论


2006-9-25    点击次数:2156

 

    电能既是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式,又是一种由电力部门向电力用户提供,并由供、用双方共同保证质量的特殊产品。如今,电能作为走进市场的商品,与其他商品一样,无疑也应讲求质量。本章概括地论述了日益引起人们关注的电能质量领域的诸多问题,并且从对电能质量现象的认识和发展历程,电能质量的概念、定义、常用术语及其分类方法等基本知识人手,通过对国际电工委员会(匝C)和国际电气与电子工程师协会(ⅢEE)有关文件中所列的关于电磁干扰现象的特性分析和描述,使读者对现代电能质量问题有一个整体认识。

    概 述

    由于供电电源的电能质量下降而影响电气设备正常工作的问题,早在电力供应一开始就引起了供用电双方的关注。人们首先把电力系统运行中电压和频率偏离标称值的多少作为检验电能质量的主要指标。之后,随着工业规模的扩大和科学技术的发展,国民经济各部门的用电量不断增加,电气化程度越来越高,新工艺、新技术广泛应用于工业生产和人民生活的各个方面,越来越多的用户采用了性能好、效率高但对电源特性变化敏感的高科技设备,电力用户对电能质量的要求在不断提高。与此同时,许多新型的电气设备在其运行中会向电力系统注入各种电磁干扰,对电力系统的安全运行和用电设备的正常工作造成的危害与影响不断增加,电能质量问题日益突出,引起了供电部门和广大电力用户的普遍重视。据国际会议报告介绍,在美国每年由于电能质量下降所引起的经济损失高达数百亿美元。劣质电能引发电网大面积停电,造成用户生产力下降,其社会影响和经济损失是相当严重的。人们已经开始认识到,电力部门只要将电能“如数”地传输给电力用户,并且保证一定的供电连续性即可满足需求的想法是很不完善的,电力系统运行和工业生产过程对电能质量的要求正在逐步扩大和深化,提高电能质量已经成为保证供用电系统安全稳定运行的基本要求。
    另一方面我们还看到,随着经济的发展和社会的进步,计算机及其网络技术已经渗透到各个领域,现代工业生产和产品的多样性与个性化发展趋势已经逐渐形成,工业管理体制也正在发生重大的变化。近年来随着电力行业深化改革,发电与输配电体制分离、电能按质按量论价、电力网逐步实行商业化运营与市场交易已经是大势所趋。可以说,最大限度地满足用户对用电量的需求和对不同电能形态变换的需要已成为工业发达地区电力系统面临的新问题。这些变化大大推动了电能质量标准化的进程和对供电质量的监督与管理。尽管在现代电能质量的一些定义和解释上还有待深入探讨,在电能质量问题的起因上仍存在分歧,但供电部门和电力用户对电能质量的关心程度却与日俱增。90年代中期以来,工业发达国家普遍认为,当代电力系统除了保证电网安全稳定运行的基本要求外,还应把质量控制、经济运行和高效能量管理作为评估电力系统运行水平的重要内容。
    如何深入理解现代电能质量问题,如何把提高电能质量与增强竞争意识、电力市场占有率联系起来,如何从技术、经济和运行管理等方面加大力度,保证优质供电,以最小程度减少对现代工业企业和重要电力用户的影响,既是电力用户需求和电力系统运行给我们提出的新任务,也是信息时代给我们提出的新挑战。可以讲,当代电力系统的发展赋予了电能质量新的内涵和意义。近十多年来,电力科技工作者们根据当代电力系统的特点,对出现的各种各样电能质量现象进行了分类整理和研究,不断地深入分析和探索尚待认识的电磁干扰问题,并且在此基础上部分制定出了科学的符合生产实际的和可操作的考核电能质量的技术经济指标及评估方法,推动了电能质量先进控制技术的实施。所有这些工作都为最终构成一个全面电能质量监督管理体系,真正实现电网的安全稳定和优质经济运行,向用户提供合格的能和满意的服务提供了理论上和技术上的保证。

    一、供电系统运行与电能质量的关系

    1.电能质量的基本要求

    众所周知,电能是一种具有广泛适用性的能源,可转换成其他能源形式,亦可转换成在许多领域和场合所需要的各种电能形态。例如,电能可直接转换为热能、光能、机械能被消耗,亦或先转换成非工频、非正弦的电能形态作为现代工业、现代通信、计算机技术和日常生活的基本动力源。
    为保证电能安全经济地输送、分配和使用,理想供电系统的运行应具有如下基本特性:

    (1)以单一恒定的电网标称频率(50Hz或60Hz,我国采用50Hz)、规定的若干电压等级(如配电系统一般为110kV,35kV,10kV,380V/220V)和以正弦函数波形变化的交流电向用户供电,并且这些运行参数不受用电负荷特性的影响。
    (2)始终保持三相交流电压和负荷电流的平衡。用电设备汲取电能应当保证最大传输效率,即达到单位功率因数,同时各用电负荷之间互不干扰。
    (3)电能的供应充足,即向电力用户的供电不中断,始终保证电气设备的正常工作与运转,并且每时每刻系统中的功率供需都是平衡的。

    上述理想供电系统的基本特性构成了供电运行对电能质量的基本要求,如果将其概括描述可如图1.1所示。图中三个基本集合的交集之内确定了合格电能质量的指标要求,是我们将要阐述的供电系统电能质量的三个基本要素。图1-1示意性地表明,这三项质量指标相互间存在着紧密的依存和制约关系。在以后的各章学习中我们将会知道,由于用电负荷的变化、负荷特性的差异和随机性以及电网的各种故障等多种因素,往往导致实际供电系统运行偏离理想状态,供电系统的频率和电压幅值不再保持恒定不变,三相电压出现不平衡,正弦波形发生畸变。为保证用电设备的正常工作和电力系统的安全稳定运行,并且考虑到供用电设备的电气设计额定值和供电电压的高低变化对电气设备的技术、经济指标的影响等因素,国家粤学质量标准制定出了具体规定。例如,不同电压等级下的电压偏差允许值一般不得超过额定苎压的±5%,电网正常频率偏差允许值为±o.2Hz,三相电压不平衡度允许值一般为2%,孽不同电压等级规定,低压系统电压总畸变率极限值为5%等,并且传统上采用供电可靠性统计评价指标——用户供电可靠性率(如船一1>99.96%)等来考核对用户连续供电的承诺。

    2.电能质量的特征
    电能,或称之为电产品,除了具有其他工业产品的基本特征(如可以对产品的质量指标分级、检测和预估,可以确定相应的质量标准和实施必要的质量控制)之外,由于其产品形式单一,而且其生产、输送与消耗的全过程独具特色,因此在引起电能质量问题的原因上、在劣质电能的影响与评价等方面与一般产品的质量问题不同,具有以下显著特点:

    (1)电力系统的电能质量始终处在动态变化中。电能从发电生产到用户消耗是一个整体,电能量的流动始终处于动态平衡之中,并且随着电网结构的改变和负荷的变化,不要苎刻、不同公共连接点,电能质量现象和指标往往是不同的,也就是说整个电力系统的电能质量状态始终处在动态变化中。
    (2)电力系统是一个整体,其电能质量状况相互影响。电能不易储存,其生产、输送、分配和转换直至消耗几乎是同时进行的。很显然,在电力系统运行过程中劣质电能是不可能更换的。电气连接将供用电双方构筑成一个整体,不论哪个环节引起电能质量问题,质量_旦达不到标准要求,都会对相关配电网络与设备以及电力用户的安全正常运行构成威胁:.尊多情况下,电力系统中的某一实体往往表现为既是电能质量的破坏者,同时也是劣质电能的受害者。
    (3)电能质量扰动的潜在危害与广泛传播。虽然电产品的基本形式简单,但其质量扰动的现象却是多种多样的,事故的诱发条件比较复杂,电能质量下降造成的对电力系统和骨鬯设备的损害有时并不立即显现,其危害与影响具有潜在性。另一方面,由于电力线为篓挈孥供了最好的传导途径,且传播速度快,电气环境污染波及面大,影响域广,其结果可能会吝大降低与其相连接的其他系统或设备的电气性能,甚至使设备遭到损坏,可见劣质电能的危害与影响具有快速传播性。
    (4)有些情况下用户是保证电能质量的主体部分。当电网传输电能作用于用电设备时,很有可能会受到来自于用户反作用的影响。因此,在某些质量问题的起因上,电能质量的下降更多的是受到使用者的影响,而不在于电力生产者或供应者。例如,用户设备汲取的供电电流大小和电流波形是由用户根据自己的生产需要设定的,而这些设备往往就是畸变电流的发生源。在这种情况下,电力用户成为保证电能质量的主体部分。
    (5)对电力系统的电能质量指标进行综合评估非常困难。一般而言,电力系统在运行过程中电能质量的各项指标接近系统标称值,就可以认为电能是达到标准要求的。但是当电能质量的多个指标共同作用在一个系统中时,其不同的组合结果对电力系统运行的不利影响和对电气设备性能的降低,甚至损坏都是十分复杂的问题,加之不同电气设备在不同条件下对电压干扰的敏感度不同。因此如何给出综合的技术与经济评价仍然是非常困难的,目前尚无一个准确的和普遍认可的定量综合评估计算方法。
    (6)控制和管理电力系统电能质量是一项系统工程。从整个电力系统来讲,保证优质电力生产和用户安全使用还要靠多方共同努力。因此要求设备制造厂商、电力部门、电力用户、标准制定部门、监督管理部门等协同合作,达成共识,制定统一的和可操作的适度质量标准或单独的供电质量协议,按照电力用户对电能质量的不同要求实行分级控制和质量达标。只有这样才能实现技术与经济的综合优化,做到电能质量的责任与义务清晰,保护共享的电气环境,共同获得最大的生产效率和经济利益。可以说,如何认识、控制和管理电能质量是一项系统工程。

     二、当代电力系统对电能质量的要求

    随着时代进步与科技的飞速发展,现代电网与负荷构成出现了新的变化趋势,由此带来的电能质量问题越来越引起电力部门和电力用户的高度重视。电网与负荷构成出现的变化趋势主要表现在:

    (1)电力系统扩张与联网逐渐形成,系统运行的安全稳定性和可靠性要求不断提高。
    (2)在保证电力系统一定的自然垄断特性条件下,引进竞争机制,实施电力市场化营运,强化环境保护意识与提高信息管理水平已经势在必行。
    (3)当代电力系统与计算机技术和通信技术的结合更加紧密,采用高新技术(如TCSC、FACTS、HVDC、Cus-Pow)以提高电力传输能力和实现配电自动化的趋势方兴未艾。
    (4)电力用户为满足其对产品的个性化、多样性生产的需求,从最大经济利益出发,在大功率冲击性、非线性负荷容量迅速增长的同时,更大规模地采用科技含量高的器件、设备与技术。越来越多的电力用户采用了微电子技术、计算机技术、电力电子技术、数字控制的自动化生产线等,大批新兴产业迅速崛起。
    除此之外,我们通过以下的具体分析可以看到,强化电能质量概念,提高对电能质量重要性的认识已经成为当代电力系统的需要。
    长期以来,人们习惯地把电能质量与供电可靠性几乎等同看待。这是因为以往的电力负荷多为线性的和对电磁干扰低敏感的负荷,如照明、加热和电动机等,而数量和功率有限的电子设备可以忽略不计。传统负荷设备对短时间的电压变化基本没有反映,只在供电电压中断时才不能正常工作,而且各设备之间、各工业生产过程之间又很少相互关联。因此,以往在涉及到供电质量水平问题时,往往多用供电可靠率(用指标骼一1评价)和每户年均停电次数等主要指标来评价计算即可满足要求。
    近年来,电力科技工作者通过对电网中各种电力干扰现象的实时监测与识别,对引起用电设备异常运行、故障或停电以至于造成生产过程紊乱的起因分析认为,社会与科技的进步已经赋予了电能质量更多更新的内容。在当代电力系统中,电能质量与供电可靠性之间既有联系又有区别,传统定义上的供电可靠性仅限于计及长时间(一般只考虑持续时间5min以上,有的国家规定为lmin以上)电源中断和平均故障时间的概率问题,虽然供电的连续性是供电质量的重要标志之一,但以往在电能质量问题的认识上和管理上不够全面,在供电中断的程度与起因等方面没有同现代电能质量概念和用户需求联系起来,传统的N-1可靠性原则已不能满足新兴企业供电质量的要求。有专家指出,电力供应可靠与否应当以电力系统和电力用户的生产过程保持连续正常工作而不会受到干扰为准则,因此它包括许多相关内容,需要提供包含电能质量这一重要组成部分在内的广泛意义上的供电可靠性评价报告。人们对电能质量和供电可靠性的认识正在不断深入。
    当代电力系统的负荷结构发生了很大的变化,用电设备和生产工艺对电能质量的要求比传统设备高。许多新设备和装置都带有基于微处理机的数字控制器或功率电子器件,它们对各种电磁干扰都极为敏感,本微不足道和不甚关心的电压扰动或特性变化可能影响到其电子控制系统的正常工作,甚至导致掉闸或生产停顿。
    所谓负荷敏感度是指负荷对电能质量问题的敏感程度,即提供给负荷的电能质量不良时负荷能承受干扰仍正常工作的能力。这种能力越低,敏感度也就越高。根据负荷敏感度以及经济上的损失,社会和政治上的影响等因素,一般可将负荷分为三类:普通负荷(CommonLoad)、敏感负荷(Sensitive Load)和重要(要求严格的)负荷(Critical Load)。
    因此,面对当代负荷的特点,要保证其正常工作仅靠保证传统定义上的供电可靠性是不够的。例如,某半导体制造厂,从来没有发生过停电事故,供电可靠性计算指标很高。但一次持续时间极短(几十毫秒)不易觉察的电压暂降就造成了其生产线工作紊乱,产品报废,使该厂蒙受了数百万美元的损失。这些敏感设备相互连接在一个大电力系统中,或一系列自动化过程中,意味着整个系统与最敏感设备对电能质量异常有相同的敏感度。另一方面,为了提高电力运营总效率,供电系统中出现了许多新型的用电设备。例如,交流电机变速驱动装置、大容量并联电容补偿装置,以及大量的非线性、功率冲击性和波动性负荷等。但这些设备又会导致电力系统谐波污染和电能质量下降(更广义的称为电气环境污染),使供电电压干扰水平加重,给电力系统安全运行带来直接的或潜在的危害。
    电能作为商品进入市场后,电能质量问题更加突出,电力企业之间的市场竞争理念得到加强,与此同时也极大促进了电力用户开始关注和认识各种电能质量现象。越来越多的电力用户根据自身需要向电力部门提出了高质量供电的要求,甚至有选择地通过签定供用电合同和质量协议加以保证。供用电双方在达成电力买卖后,用电方受到的任何电力干扰而影响其正常生产都可以通过经济或者法律的手段来解决。电力用户的需求正在由原来的电量需求向高可靠性、优质供电和合理电价的需求转变。
    电力系统的各个部分都是相互联系的,供用电双方的相互影响越来越紧密。因此,综合协调处理电能质量问题至关重要。任何一个局部的故障或事件都有可能造成大面积的影响,甚至是重大损失。这就迫使供电部门在保证向用户提供充足和优质电能的同时,还需极力避免遭受来自用电设备的电力干扰,维护全电力系统的安全运行。因此说改善、控制和管理电能质量已经成为一项系统工程。
    另外需要注意到,由于看问题的角度不同,在导致电能质量下降的原因与责任上,供用电双方往往存在很大的分歧。例如,在配电系统经常遇到的电容器投切操作,有可能引起瞬态过电压而损坏用户设备,也可能由此造成用户设备掉电,此时用电方会简单的抱怨供电质量太差,以至于投诉。又如,当电力系统某处发生短路故障,很可能在一些负荷公共连接点出现不同程度的短时间电压暂降,其结果造成某工厂的变频驱动装置掉电。由于目前电力部门还缺少对类似现象的监测记录与统计,可能会认为对该工厂的电力供应是正常的。再如,由于用户气设备的硬件老化、软件不成熟或者控制系统不可预知的错误动作等等,可能最终引起故障而使电能质量受到影响。有文献报道,美国乔治动力公司曾组织和实施了一项对电力部门和电力用户关于电能质量问题起因的调查,其结果如图1-2所示。据资料分析,虽然对电力市场的质量调查还存在分类方法上的不同,但是调查报告清楚地表明,电力公司和电力用户对引发电能质量问题的原因的看法往往有很大的分歧,尽管双方都把2/3的事件起因归咎于自然因素(如雷电等),但用户仍然认为电力部门在这方面的责任要比自我测评结果大得多。通过上面例子我们也可以看到,引起电能质量问题的原因有时是来自电力系统内部的,有时来自于外部连接设备的,甚至是共同作用的结果,因此不能简单地把某一事件只同一种特殊的起因联系起来。

    综上所述,现代电力系统结构与负荷构成的变化是工业生产不断发展的必然结果,有利于电力用户提高生产率和获得更大的经济效益;同时通过采用高效的电力负荷设备,大量节约电能和延缓用电的需求,从而节省电力建设所需的大量投资。因此,提高供电质量、满足生产发展的需求已经成为供用电双方共同的愿望。另外,我们也可以看到,引起电能质量问题的原因有时是多方面的,因此不能简单地把某一事件只同一种特殊的起因联系起来。深入分析和研究电能质量问题,探寻在一定条件下发生电磁干扰的因果关系,明确责任和义务,是电力工业适应市场竞争和可持续发展所必须的。

     三、改善电能质量的意义

    电能作为人们广泛使用的能源,其应用程度是一个国家发展水平和筘合国力的主要标志之一。在满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时,提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现,是信息时代和信息社会发展的必然结果,是增强用电效率、节能降损、改善电气环境、提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。时至今日,电力工业面向市场经济,引进竞争机制,以求最小成本与最大效益,电能质量的优劣已经成为电力系统运行与管理水平高低的重要标志,控制和改善电能质量也是保证电力系统自身可持续发展的必要条件。
    虽然电能质量问题在电能输送分配和使用的一开始就已经提出,但随着时代的进步和科技的发展,当代电力系统已经赋予了它新的概念和内容。现代工业的工艺制造和设备要求、高科技作用的实现,以及生产力和产品竞争力的提高越来越依赖高质量的电力供应。电能质量问题已不仅仅是电力系统中电压和频率等的基本技术问题,已被提升为关系到整个电力系统及设备的安全、稳定、经济、可靠运行,关系到电气环境工程保护,关系到整个国民经济的总体效益和发展战略的高度来认识了。
    随着电能质量标准的制定和实施,电能质量的监督管理法规体系将逐步建立。这必将大大促进设备制造厂商提高其生产设备与电力系统的兼容性,促使电力用户在提高产品生产率、使用高性能设备的同时,严格限制自身对电力系统和其他设备的电磁干扰,保障各行各业的正常用电秩序,进一步促进供电部门加强电能质量的技术监督与电力系统的运行管理,推动电能质量先进控制技术的研发和应用,提高控制和驾驭的能力,保证配电系统安全经济运行和向用户提供合格的电能和优质的服务,为千家万户提供信得过的电能产品。
    不难看出,在当代电力系统,深入了解和认识电能质量,高度重视电能质量下降对供用电系统运行的危害与影响,甚至对社会经济的作用和影响,实现全面电能质量管理具有极其重要的社会意义和经济意义。

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