城市用户电能质量的监测与治理

胡正 王茂盛 陈涛 刘长树

1，四川省电力公司西昌电业局,四川 西昌 615000

2，河南弘正电气科技有限公司,河南 郑州 450000

城市用户电能质量的监测与治理

胡正1王茂盛1陈涛1刘长树2

1，四川省电力公司西昌电业局,四川 西昌 615000

2，河南弘正电气科技有限公司,河南 郑州 450000

由于电网中日趋严重的非线性、非对称性和波动性问题，导致电能质量的严重下降，容易对电网和用户的电气设备造成严重危害。本文正是基于这一问题，对城市用户的电能质量进行了简单的分析，介绍了其主要存在的谐波和无功功率补偿问题，并且分析了其可能造成的影响，给出了对其进行监测和治理的措施。

电能质量；谐波电流；谐波抑制；无功补偿

power quality; harmoncic urrent; harmoncic ontrol; reactive power compensation

引言

随着国民经济的发展与科学技术的进步，特别是冶金，化学等现代化大工业和电气化铁路的发展，造成电网负荷加大，电网系统中的非线性负荷（主要是各种硅整流设备、电解设备和电力机车等）及波动性负荷（如轧钢机、电弧炉、电气化铁路等）使得电网发生严重的电压波动，产生各次谐波，闪变，三相不平衡等各种问题，从而造成电能质量的严重问题。而电能质量的下降又严重的影响了各种供用电设备的运行安全，增加了用电的经济成本，降低了人民的生活质量。

由此，提高电能质量就成为一个避免不了的问题。电能质量指的是在电网公共连接点处对用户的供电电压质量和电力用户在电网公共连接点处对电网的干扰水平[1]。通过电能质量的定义，可以看出，要提高电能质量，可以从两个方面进行努力：一是提高公用连接点处的供电电压质量；二是降低电力用户在公用连接点处对电网的干扰水平。而要解决这两个方面的问题，都要对其进行检测和治理。本文主要从降低用户对电网的干扰水平着手，先分析城市用户用电中存在的问题，再从这些问题着手，对其进行监测，并给出治理措施。

1 城市用户用电存在的电能质量问题及其可能造成的影响

通过对城市用户开展调查，发现城市用户的用电负荷类型一般为各种类型的非线性用电设备，如各种视频显示设备，节能照明设备（荧光灯、调光灯和各种高压气体放电灯等），家用电器（洗衣机、空调、微波炉、电冰箱等），各种办公设备（投影仪、扫描仪、打印机、复印机等）以及轨道交通的各种整流和调速驱动装置等。而随着高速铁路和客运专线的快速发展，电气化铁路也成为影响城市用户电能质量的一个重要负荷。

通过分析这些设备的电能质量特性，可以发现接入电网后会对电网产生以下电能质量问题：

（1）产生大量的零序三次谐波电流，使低压供电母线三次谐波电压严重超过国标允许范围，影响低压设备的安全正常运行；

（2）中性线上的三次谐波电流过高，使中性线发热，增大线损；

（3）各种低压用电设备的三次谐波电流含有率往往高达50%以上，致使电流有效值远远大于基波电流有效值，其视在功率远大于基波视在功率，功率因数也远远小于基波功率因数，导致低压电网谐波电压超标和线损增加。

图1就是基波与三次谐波的示意图，从图中可以看到谐波电压与基波电压的叠加所得到的合成波，已经造成严重的电压畸变。

图1 谐波示意图

（4）电气化铁路机车负荷具有单相性、非线性、随机波动性以及再生制动的特点，会引起三相电压不平衡、谐波和电压波动等电能质量问题[2]。

由于电气化铁路用电电压、接线方式、电气特性等的特殊性，需要专门进行监测和治理之后才能注入低压供电系统，所以本文不予过多考虑。

根据城市用户存在的电能质量问题，主要就是三次谐波和无功功率问题。

谐波会对电网、变压器和旋转电机、继电保护和电力测量、通信系统等造成一系列的影响，主要表现在：

（1）对电网的影响。谐波电流会产生有功功率损耗，在采用电缆的输电系统中除了引起附加损耗外，还会加速电缆绝缘的老化，造成绝缘损坏，进而发生短路，引起火灾；

（2）对旋转电机和变压器的影响。谐波主要引起附加损耗和过热，其次是产生机械振动、噪声和谐波过电压，严重时甚至会损毁电机；

（3）对继电保护和电力测量的影响。对部分晶体管型继电保护器来说，谐波会改变其性能，引起误操作或者拒绝操作。而对于电力测量来说，如果负载不是谐波源，则会在负载上产生有害的谐波损耗，若用户是谐波源，向电网输出的有害的谐波有功功率比他所消耗的基波有功功率要少，这同样都会造成电力测量的误差；

（4）对通信系统的影响。谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度，严重时更会引起信号的丢失，在谐波与基波的共同作用下还引起电话铃响，严重时甚至会危及设备和人身安全。

同时，基波无功功率对公用电网也会产生如下影响：

（1）增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大；

（2）设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路损耗增加；

（3）是线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。例如电动机在启动期间功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户无法正常工作。电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，亚种影响电网的供电质量。

2 城市用户电能质量的监测

用于电能质量监测的仪器有很多种，可以根据不同的测试内容和测试目的，选用不同类型的测试仪器，一般情况下，在线监测应该选用电能质量远程监测仪，而专项监测应选用便携式多通道电能质量分析仪，简单的谐波监测一般用手持式谐波分析仪，而城市用户电能质量的问题一般就是谐波和无功功率补偿问题，特别是三次谐波和无功功率补偿问题，因此，对于各个小区用户一般可以采用简单，实用的手持式谐波分析仪。而对于一个大规模的城市来说，不可能一个个小区的进行监测，这就需要采用在线监测各个小区的电能质量，因此，在线电能质量远程监测仪的使用就成为必然。

在实际使用中，不管采用哪种装置或仪器，都要对其所采集到的数据进行存储，分析和处理。再根据处理结果，对电网电能质量问题做出合适的应对措施，达到改善电网电能质量的效果。图2就是一种在线电能质量远程监测装置，具有对数据进行采集和存储的功能，并能对数据进行一些简单处理。

图2 电能质量监测装置

3 城市用户电能质量的治理

由于城市用户电能质量主要存在的是谐波和无功功率问题，而要对其治理就是要对其进行谐波抑制和无功功率补偿。而要进行谐波抑制和无功功率补偿主要有两条思路可以进行考虑：一是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且把其功率因数控制为1。这一种在本文所提供的模型中显然不适合，故，可以不予考虑。二是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这显然对于各种谐波源都是实用的。所以，这是本文所要考虑的主要思路。

传统的谐波补偿装置一般采用LC调谐滤波器。这种装置虽然结构简单，且在补偿谐波的同时还可以补偿无功功率，但是，其补偿特性易受电网阻抗与运行状态的影响，易与系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁[3]。因此除了部分小区可以采用外，在整个城市中一般要慎重使用。而随着技术的发展，目前，采用有源电力滤波器(APF)已经成为谐波抑制的一个重要趋势。

有源电力滤波器是一种用于动态抑制滤波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。它的基本工作原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。因此应用特别广泛。

目前实际应用的有源电力滤波器根据其与补偿对象的连接方式来划分，可以分为并联型与串联型，现在所用的装置几乎全是并联型的。这些装置可以单独使用，也可以根据实际情况，与LC滤波器混合使用。图3就是有源电力滤波器的系统构成。

图3 有源电力滤波器的系统构成分类

4 结语

现在我国对于谐波抑制和无功功率补偿的研究已经进入一个非常活跃的阶段，社会对这一技术的需求的呼声也越来越响亮。虽然现在已经取得一定的成果，但是像静止无功发生器（SVG）等技术的研究并不是特别成熟，还有待于研究人员继续努力。

[1] 欧盟—亚洲电能质量项目合作组. 用户电能质量测试评估与解决方案案例集[M]. 中国电力出版社,2009

[2] 于坤山，周胜军，王同勋等.电气化铁路供电与电能质量[M].中国电力出版社,2010.12

[3] 王兆安，杨君，刘进军等. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 机械工业出版社, 2005.10

Power quality monitoring and management of urban users

Liu yue-feng
Zhuhai Titan technology Co. Ltd Henan branch , ZhengzhHoeun 4a5n0000

because of the trouble of growing nonline ar, asymmetray nd volatility, which has resultedi n serious declinoe f power quality, harm the electric equipmeonft the power and users easily. based on this problemt, he paper analysets he power quality of city users, introducets he problemo f the harmonaic nd reactive power compensatwiohn ichi t exists, analysets he possiblee ffect, and gives the monitoring and treatment measures.

TM761

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.120

胡正（1975-），男，四川西昌人，硕士，工程师，研究方向：通信及自动化技术；

汪茂盛（1982-），男，重庆梁平人，工程师，研究方向：电能质量、无功管理 ；

陈涛（1980-），男，四川德昌人，工程师，研究方向：电力工程；

刘长树(1973-)，男，广东省珠海市人，硕士，高级工程师，研究方向：电能质量监测。