1、电气工程系供技子件电术电课X第 6 章 供电系统的电能能质量与无功补偿内容提要：内容提要：本章主要介绍工厂供电系统的电压质量问题，首先介绍本章主要介绍工厂供电系统的电压质量问题，首先介绍了电压的偏差及其调节，然后介绍电压波动和闪变及其抑制以及高了电压的偏差及其调节，然后介绍电压波动和闪变及其抑制以及高次谐波及其抑制的问题，最后介绍了供电系统的三相不平衡次谐波及其抑制的问题，最后介绍了供电系统的三相不平衡电气工程系供技子件电术电课X第一节 电能质量概述第一节 电能质量概述第二节 电压偏差及其调节第二节 电压偏差及其调节第三节 电压波动和闪变及其抑制第三节 电压波动和闪变及其抑制第四节 高次谐波及
2、其抑制第四节 高次谐波及其抑制第五节 供电系统的三相不平衡第五节 供电系统的三相不平衡第六节 供电系统的无功功率补偿第六节 供电系统的无功功率补偿第 6 章 供电系统的电能能质量于无功补偿电气工程系供技子件电术电课X第一节 电能质量概述 第一节 电能质量概述 电气工程系供技子件电术电课X一、电能质量问题 一、电能质量问题 电能质量是指电气设备正常运行所需要的电气特性，任何导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差都属于电能质量问题。二、理想的电能质量 二、理想的电能质量 在三相电力系统中，理想的电能质量是：系统频率恒为额定频率；三相电压波形是三相对称的、幅值恒为额定电压的正弦波形；
3、三相电流波形是三相对称的正弦波形；供电不间断。电气工程系供技子件电术电课X三、电能质量标准 三、电能质量标准 电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理、推广电能质量控制技术、维护供用电双方合法权益的法律依据。我国已经颁布的电能质量标准有：GB 12325-2003 电能质量 供电电压允许偏差、GB 12326-2000 电能质量 电压波动和闪变、GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波、GB/T 15543-1995 电能质量 三相电压允许不平衡度、GB/T 15945-1995 电能质量 电力系统频率允许偏
4、差、GB/T 18481-2001 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压。电气工程系供技子件电术电课X四、影响电能质量的因素 四、影响电能质量的因素 电压质量是电能质量的核心。影响电压质量的主要因素有：负荷无功功率或无功功率变化量；电网短路容量或电网等效电抗。负荷无功功率或无功变化量越大，对电压质量的影响越大；电网短路容量越大，则负荷变化对电网电压质量的影响越小。无功功率补偿既是电网节能降耗的措施，也是改善电网电能质量的措施之一。五、改善电网电能质量的措施五、改善电网电能质量的措施电气工程系供技子件电术电课X第二节 电压偏差及其调节 第二节 电压偏差及其调节 电气工程系供技子件电术电课X一、电压偏
5、差的含义 一、电压偏差的含义 由于变压器分接头选择而引入的电压偏差量可按下式进行计算：由于变压器分接头选择而引入的电压偏差量可按下式进行计算：电压偏差是指电网实际电压与额定电压之差对额定电压电压偏差是指电网实际电压与额定电压之差对额定电压的百分数，即 的百分数，即 产生电压偏差的主要原因是正常的负荷电流或故障电流产生电压偏差的主要原因是正常的负荷电流或故障电流在系统各元件上流过时所产生的电压损失所引起的。在系统各元件上流过时所产生的电压损失所引起的。实际电压偏高或偏低，对运行中的电气设备会造成不良影响。实际电压偏高或偏低，对运行中的电气设备会造成不良影响。二、变压器对电压偏差的影响 二、变压器
6、对电压偏差的影响 20N21T2fN2fN2%100%(1)100%NUUU UUUU Ud-=-N%100%NUUUUd-=电气工程系供技子件电术电课X变压器中的电压损失按式计算：变压器中的电压损失按式计算：当变压器一次侧分接头所加电压为额定电压时当变压器一次侧分接头所加电压为额定电压时,由变压器由变压器本身所产生的总电压偏差量为 本身所产生的总电压偏差量为 变压器负载时二次侧电压为：变压器负载时二次侧电压为：TTT2N%100%PRQXUU+D=2N2TN2%100%fTUUUUUUdd-=-D()2211%TTNfUUUUUU=-D电气工程系供技子件电术电课X三、电压偏差的计算三、电压偏
7、差的计算指定地点指定地点 E E 的电压偏差可由下式计的电压偏差可由下式计算算:GUA%Ul1%UT%Ul2%UD%UA%u%ABCD6420-4-6-2Ul1%UT%Ul2%UD%E%UUUdD=S-SD电气工程系供技子件电术电课X四、电压偏差的调节四、电压偏差的调节 GB12325-1990 电能质量 供电电压允许偏差中规定，电能质量 供电电压允许偏差中规定，供电部门与用户的产权分界处或供用电协议规定的电能计量的供电部门与用户的产权分界处或供用电协议规定的电能计量的最大允许电压偏差应不超过：最大允许电压偏差应不超过：35kV 及以上供电电压：电压正、负偏差绝对值之和为及以上供电电压：电压正
8、、负偏差绝对值之和为10%；10kV 及以下三相供电电压：及以下三相供电电压：7%；220V 单相供电电压：单相供电电压：+7%，-10%。电气工程系供技子件电术电课X （一）电压调节的方式（一）电压调节的方式 对中枢点的电压进行监视和调节。对中枢点的电压进行监视和调节。中枢点调压方式：中枢点调压方式：n常调压：不管中枢点的负荷怎样变动，都要保持中枢点的电压常调压：不管中枢点的负荷怎样变动，都要保持中枢点的电压偏差为恒定值；偏差为恒定值；n逆调压：在最大负荷时，升高母线电压，在最小负荷时，降低逆调压：在最大负荷时，升高母线电压，在最小负荷时，降低母线电压。母线电压。电气工程系供技子件电术电课X
9、（二）电压调节的方法（二）电压调节的方法 对于电力用对于电力用户的供配电系统，电户的供配电系统，电压偏差调节主要以下压偏差调节主要以下两方面入手。两方面入手。1.减小线路电压损失减小线路电压损失 2.合理选择变压器的分接头合理选择变压器的分接头合理地减少系统的阻抗，合理地减少系统的阻抗，减少系统的变压级数；减少系统的变压级数；尽量保持系统三相平衡；尽量保持系统三相平衡；使高压线路深入负荷中心；使高压线路深入负荷中心；采用多回路并联供电；采用多回路并联供电；设置无功补偿装置等。设置无功补偿装置等。0.38kV21Ul2%=6610kV5.5Ul1%=14a)最大负荷时最小负荷时UT%=3+8.5
10、+10.5=+10-1=+9=+10-3Uf%-UT%0最大负荷最小负荷-6=+7+1.5-7b)Uf%-UT%10+7426-2u%-40-8-68+7108+1.5-6+3.50+9+7-5.5-70420-4-2-6u%C)-86电气工程系供技子件电术电课X第三节 电压波动和闪变及其抑制第三节 电压波动和闪变及其抑制 电气工程系供技子件电术电课X 电压波动是指电压在系统电网中作快速短时的变化。电压波动是指电压在系统电网中作快速短时的变化。电压波动值，以用户公共供电点的相邻最大与最小电压值之差电压波动值，以用户公共供电点的相邻最大与最小电压值之差对电网额定电压对电网额定电压 UN 的百分值
11、表示，即的百分值表示，即 电压波动是由于负荷急剧变动的冲击负荷所引起。影响电压波动是由于负荷急剧变动的冲击负荷所引起。影响电气设备的正常工作。电气设备的正常工作。一、电压波动和闪变的基本概念一、电压波动和闪变的基本概念 闪变是指人眼对灯闪的主观感觉。引起灯光（照度）闪闪变是指人眼对灯闪的主观感觉。引起灯光（照度）闪变的波动电压，称为闪变电压。变的波动电压，称为闪变电压。maxminN100%UUdU-=电气工程系供技子件电术电课X二、电压波动值的估算二、电压波动值的估算 1）当已知三相负荷的有功和无功功率变化量）当已知三相负荷的有功和无功功率变化量P 和和Q时，则可按下式计算：时，则可按下式计
12、算：式中，式中，R、X分别为电网的等值电阻和电抗。分别为电网的等值电阻和电抗。2）在高压电网中，由于）在高压电网中，由于 X R ，因此可按下式计算，因此可按下式计算：2N100%RPXQdU邋D+D=tk%100%QUSdD淮电气工程系供技子件电术电课X三、电压波动和闪变的抑制三、电压波动和闪变的抑制 抑制电压波动和闪变的主要措施有：抑制电压波动和闪变的主要措施有：1、采用合理的接线方式，对负荷变化剧烈的大型设备，采用、采用合理的接线方式，对负荷变化剧烈的大型设备，采用专用线或专用变压器供电；提高供电电压；减少电压损失；专用线或专用变压器供电；提高供电电压；减少电压损失；2、增大供电容量；减
13、少系统阻抗；增加系统的短路容量等方、增大供电容量；减少系统阻抗；增加系统的短路容量等方法，对抑制电网的电压波动和闪变能起到良好的作用。法，对抑制电网的电压波动和闪变能起到良好的作用。3、在系统运行时，也可以在电压波动严重时减少、甚至切除、在系统运行时，也可以在电压波动严重时减少、甚至切除引起电压波动的负荷。引起电压波动的负荷。电气工程系供技子件电术电课X 另外为了减少无功功率冲击引起的电压闪变，国内外另外为了减少无功功率冲击引起的电压闪变，国内外普遍采用一种静止无功功率补偿装置普遍采用一种静止无功功率补偿装置（SVC）进行无功功率补进行无功功率补偿。这种装置在调节的快速性、功能的多样性、工作的
14、可靠性偿。这种装置在调节的快速性、功能的多样性、工作的可靠性、投资和运行费用的经济性等方面具有显著的优点。、投资和运行费用的经济性等方面具有显著的优点。静止无功补偿器由特殊电抗器和电容器组成，有的是静止无功补偿器由特殊电抗器和电容器组成，有的是两者之一为可控的，有的是两者都是可控的，是一种并联联接两者之一为可控的，有的是两者都是可控的，是一种并联联接的无功功率发生器和吸收器。近年来，电力系统中主要应用的的无功功率发生器和吸收器。近年来，电力系统中主要应用的静止补偿器有自饱和电抗器型（简记为静止补偿器有自饱和电抗器型（简记为 SR）和可控硅控制电）和可控硅控制电抗器型抗器型(简记为简记为 TCR
15、)两种。两种。电气工程系供技子件电术电课X第四节 高次谐波及其抑制第四节 高次谐波及其抑制 电气工程系供技子件电术电课X一、高次谐波的产生与危害 一、高次谐波的产生与危害 谐波对几乎所有连接于电网的电气设备都有损害，主要谐波对几乎所有连接于电网的电气设备都有损害，主要表现为产生谐波损耗，使设备过热以及谐波过电压、加速设表现为产生谐波损耗，使设备过热以及谐波过电压、加速设备绝缘老化等。谐波对继电保护、电能计量精度等也有影响 备绝缘老化等。谐波对继电保护、电能计量精度等也有影响、谐波还对通信质量有影响。、谐波还对通信质量有影响。谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频谐波是一个周期电气量的
16、正弦波分量，其频率为基波频率的整倍数，也称为高次谐波。率的整倍数，也称为高次谐波。系统中的主要谐波源可分为两大类：含半导体非线性系统中的主要谐波源可分为两大类：含半导体非线性元件的谐波源；含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。元件的谐波源；含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。如在系统和用户中存在谐波干扰，将会使系统中的电压如在系统和用户中存在谐波干扰，将会使系统中的电压和电流发生畸变。供电系统中的谐波源主要是谐波电流源，谐和电流发生畸变。供电系统中的谐波源主要是谐波电流源，谐波电流通过电网将在电网阻抗上产生谐波电压降，从而导致谐波电流通过电网将在电网阻抗上产生谐波电压降，从而导致谐波电压的产生。波电压的
17、产生。电气工程系供技子件电术电课X二、谐波的评价估算二、谐波的评价估算 第第 h 次谐波电压含有量和第次谐波电压含有量和第 h 次谐波电流含有率按下式计次谐波电流含有率按下式计算：算：谐波电压总含量谐波电压总含量 UH 和谐波电流总含量和谐波电流总含量 IH 按下式计算：按下式计算：式中，式中，Uh 为第为第 h 次谐波电压（方均根值）；次谐波电压（方均根值）；U1 为基波电压为基波电压（方均根值）；（方均根值）；Ih 第第 h 次谐波电流（方均根值）；次谐波电流（方均根值）；I1 为基波为基波电流（方均根值）。电流（方均根值）。hh1100%UHRUU=hh1100%IHRII=2Hhh 2
18、()UU=2Hhh 2()II=电气工程系供技子件电术电课X 电压总谐波畸变率电压总谐波畸变率 THDu 和电流总谐波畸变率和电流总谐波畸变率 THDi 按下按下式计算：式计算：谐波电压限值及谐波电流允许值的规定值可参考谐波电压限值及谐波电流允许值的规定值可参考GB/T14549-1993 电能质量 公用电网谐波。电能质量 公用电网谐波。Hu1100%UTHDU=Hi1100%ITHDI=电气工程系供技子件电术电课X三、并联电容器对谐波的放大作用三、并联电容器对谐波的放大作用 在供电系统中，并联电容器作为无功补偿设备已得到了在供电系统中，并联电容器作为无功补偿设备已得到了广泛的应用。系统中的电
19、容器，一方面由于其谐波阻抗小，广泛的应用。系统中的电容器，一方面由于其谐波阻抗小，系统高次谐波电压会在其中产生明显的高次谐波电流，使电系统高次谐波电压会在其中产生明显的高次谐波电流，使电容器过热，严重影响其使用寿命；同时电容器的切入使用也容器过热，严重影响其使用寿命；同时电容器的切入使用也可能引起系统谐波严重放大。可能引起系统谐波严重放大。电气工程系供技子件电术电课X 对于整流装置，对于整流装置，hmin=5，可，可取取 XLR=(5 6)%XC ，对于含有三次，对于含有三次谐波的系统，可取谐波的系统，可取 XLR=(12 13)%XC。在含有谐波的供电系统中，应在含有谐波的供电系统中，应注意
20、适当选择其电容器的参数，防注意适当选择其电容器的参数，防止其出现过电流和过电压，同时兼止其出现过电流和过电压，同时兼顾无功补偿的要求和消除谐波放大顾无功补偿的要求和消除谐波放大，可在电容器支路串联电抗器，通，可在电容器支路串联电抗器，通过选择电抗器值使电容器回路在最过选择电抗器值使电容器回路在最低次谐波频率下呈现出感性如图所低次谐波频率下呈现出感性如图所示。示。CLTLR2min(1.31.5)CXXh=电气工程系供技子件电术电课X四、高次谐波的抑制四、高次谐波的抑制高次谐波的抑制方法：高次谐波的抑制方法：1 1 增加整流装置的相数增加整流装置的相数2 2 装设无源电力谐波滤波器装设无源电力谐
21、波滤波器 无源电力谐波滤波器由电力电容器，电抗器和电阻器按一无源电力谐波滤波器由电力电容器，电抗器和电阻器按一定方式连接而成。定方式连接而成。电气工程系供技子件电术电课X二二阶阶高高通通滤滤波波器 器 单单调调谐谐滤滤波波器 器 双双调调谐谐滤滤波波器 器 一一阶阶高高通通滤滤波波器 器 三三阶阶高高通通滤滤波波器 器 C C形形高高通通滤滤波波器 器 R(a)C2R3RLC(c)(b)L2R2(d)RL1C1RLCC(e)(f)LRC2C1LC2RC1电气工程系供技子件电术电课X3 3 装设有源电力滤波器装设有源电力滤波器 有源电力滤波器分并联型和串联型两种，实际应用中多有源电力滤波器分并联
22、型和串联型两种，实际应用中多为并联型。为并联型。并联型有源电力滤波器是一种向电网注入补偿谐波电流并联型有源电力滤波器是一种向电网注入补偿谐波电流，以抵消负荷所产生的谐波电流的滤波装置，其主要电路由，以抵消负荷所产生的谐波电流的滤波装置，其主要电路由静态功率变流器（逆变器）构成，故具有半导体功率变流器静态功率变流器（逆变器）构成，故具有半导体功率变流器的高可控性和快速响应性。的高可控性和快速响应性。iSGiFLiL APF电气工程系供技子件电术电课X谐波电流的补偿 谐波电流的补偿 FS(d)(c)(b)(a)HLttttiiii电气工程系供技子件电术电课X第五节 供电系统的三相不平衡第五节 供电
23、系统的三相不平衡 电气工程系供技子件电术电课X 一、基本概念：在三相供电系统中，当电流和电压一、基本概念：在三相供电系统中，当电流和电压的三相相量间幅值不等或相位差不为的三相相量间幅值不等或相位差不为 1200 时，则三相电流和时，则三相电流和电压不平衡。电压不平衡。三、危害：三相不平衡对供用电设备将带来危害。（三、危害：三相不平衡对供用电设备将带来危害。（1 1）感应电动机：负序电压在电动机中产生反向转矩从而降低了电感应电动机：负序电压在电动机中产生反向转矩从而降低了电动机的有用输出转矩；负序电压产生负序电流。（动机的有用输出转矩；负序电压产生负序电流。（2 2）变压器）变压器：变压器容量不
24、能充分利用。（：变压器容量不能充分利用。（3)3)变流装置：整流装置会产生变流装置：整流装置会产生较大的非特征谐波，进一步影响电能质量。较大的非特征谐波，进一步影响电能质量。二、原因：供电系统的三相不平衡主要是由三相负荷二、原因：供电系统的三相不平衡主要是由三相负荷不对称所引起的。电流和电压不平衡现象有短时的（一相不对称不对称所引起的。电流和电压不平衡现象有短时的（一相不对称短路，断线等），也有持续的（一相非对称运行方式；以及非对短路，断线等），也有持续的（一相非对称运行方式；以及非对称负荷等）。称负荷等）。电气工程系供技子件电术电课X 五、三相不平衡的补偿：首先将单相负荷平衡地分布五、三相不
25、平衡的补偿：首先将单相负荷平衡地分布于三相中，同时要考虑到用电设备功率因数的不同，尽量兼顾有于三相中，同时要考虑到用电设备功率因数的不同，尽量兼顾有功功率与无功功率均能分布。在低压系统中，各相安装的单相用功功率与无功功率均能分布。在低压系统中，各相安装的单相用电设备其各相之间容量最大值与最小值之差不应超过电设备其各相之间容量最大值与最小值之差不应超过 15%。四、三相不平衡度：三相不平衡程度通常用不平衡系数四、三相不平衡度：三相不平衡程度通常用不平衡系数表示。表示。式中，式中，U%、I%表示电压及电流的不平衡系数；表示电压及电流的不平衡系数；U1、U2 和和 I1、I2 表示正、负序电压和正、
26、负序电流。表示正、负序电压和正、负序电流。2U1%100%UUe=2I1%100%IIe=电气工程系供技子件电术电课X第六节 供电系统的无功功率补偿第六节 供电系统的无功功率补偿 电气工程系供技子件电术电课X一一、功率因数定义功率因数定义 1 瞬时功率因数瞬时功率因数 监测负荷用。监测负荷用。2 平均功率因数 平均功率因数 调整电费用。调整电费用。3 最大负荷时的功率因数 最大负荷时的功率因数 确定需要无功补偿容量用。确定需要无功补偿容量用。cos3PPSUIj=pav22pqcosWWWj=+cccosPSj=电气工程系供技子件电术电课X二、无功补偿容量的确定二、无功补偿容量的确定 QN.C
27、=Qc Qc Pc(tan-tan)QN.C 稳态无功功率补偿设备，主要有同步补偿稳态无功功率补偿设备，主要有同步补偿机和并联电容器（自愈式）。机和并联电容器（自愈式）。三、无功补偿装置的选择三、无功补偿装置的选择 低压并联电容器装置根据负荷变化相低压并联电容器装置根据负荷变化相应自动循环投切的电容器组数，在无功补偿容量应自动循环投切的电容器组数，在无功补偿容量QN.C 确定后可根据选定的单组容量确定后可根据选定的单组容量 qNC 来选择来选择：动态无功功率补偿设备动态无功功率补偿设备（SVC）用于急剧变动的冲击负荷如炼钢电弧炉用于急剧变动的冲击负荷如炼钢电弧炉、轧钢机等的无功补偿。、轧钢机等
28、的无功补偿。SCSCPCQCQCN.CN.CQnq=电气工程系供技子件电术电课X四、无功补偿装置的装设位置四、无功补偿装置的装设位置 在用户供电系统中，有三种方式：高压集中补偿、低压集中补偿和分散就地在用户供电系统中，有三种方式：高压集中补偿、低压集中补偿和分散就地补偿（个别补偿）。补偿（个别补偿）。M1C分散就地补偿2C3C610kV0.38kV高压集中补偿高压集中补偿的补偿区低压集中补偿的补偿区分散就地补偿的补偿区未补偿区未补偿区未补偿区低压集中补偿电气工程系供技子件电术电课X 例某用户例某用户 10kV 变电所低压计算负荷为变电所低压计算负荷为 800kW 580kvar。若欲使低压侧功
29、率因数达到。若欲使低压侧功率因数达到 0.92，则需在低压侧进行补，则需在低压侧进行补偿的并联电容器无功自动补偿装置容量是多少？并选择电容器组偿的并联电容器无功自动补偿装置容量是多少？并选择电容器组数及每组容量。数及每组容量。解：（解：（1 1）求补偿前的视在计算负荷及功率因数）求补偿前的视在计算负荷及功率因数 （2 2）确定无功补偿容量）确定无功补偿容量 800(tanarccos0.810 tanarccos0.92)238.4kvar2222ccc800580 kVA988.1kVASPQ=+=+=cc800kWcos0.810988.1kVAPSj=N Cc(tantan)QPjj=-电气工程系供技子件电术电课X （3 3）选择电容器组数及每组容量）选择电容器组数及每组容量初选初选 BSMJ0.4-20-3 型自愈式并联电容器，每组容量型自愈式并联电容器，每组容量qN.C=20kvar。取取 12 组组补偿后的视在计算负荷补偿后的视在计算负荷 减少减少 118.8kVA。N CN C238.4kvar11.9220kvarQnq=2222cccN C()800(580240)869.3kVASPQQ=+-=+-=
