电能质量问题来源及其影响综述

肖美玲 陈根根

摘 要：随着经济和技术的不断发展，电力系统中接入越来越多的电力电子设备和其他非线性负荷，这些设备和负荷的接入给系统的电能质量带来了严重的干扰，为了确保电网和用电设备的安全、稳定、经济运行，对电能质量进行研究和分析愈显重要。文章重点论述了电能质量的主要问题来源及其影响。

关键词：电能质量；污染来源；影响

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）17-0113-02

随着我国电力工业的飞速发展，新能源发电广泛接入电网以及发电机本身制作工艺的原因，电网电源出现了非线性干扰。此外，大量的非线性负荷和不对称负荷接入电网，也导致了电能质量不断恶化。电能质量的恶化及其所带来的问题已经引起电力运行部门和对电能质量敏感用户的关注，因而对电能质量的研究尤为重要。

1 电能质量的定义及其主要评价指标

1.1 电能质量定义

由于看待问题的角度和对电能质量的具体要求不同，电力企业和电力用户对电能质量的定义往往会产生很大的区别。为了方便监管和控制，电力企业更倾向于认为：电能质量问题是各种电力系统干扰问题的总称，其实质是电压和频率质量问题。电力用户是以生产为目标的，他们认为合格的电能质量是指电源特性能够完全满足生产的需要。

1.2 电能质量主要评价指标

1.2.1 电压偏差

电压偏差是指供电系统在正常运行条件下，某一节点的实际电压与系统标称电压之间的差值，一般也表示为节点的运行电压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分数，数学表达式为：电压偏差=（实际电压-系统标称电压）/系统标称电压×100%，电力系统的正常运行要求电压偏差在允许的范围内。

1.2.2 频率偏差

频率偏差是对频率质量的全网要求。其定义为：电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差，表达式为：频率偏差=实际频率-标称频率。频率偏差小于标准值时，系统才能够稳定、安全运行。

1.2.3 三相不平衡

三相不平衡可以从两个角度来看，三相平衡是指三相电量（电压或电流）数值相等，频率相同，相位互差120°的情况，不同时满足这三个条件即为三相不平衡。另外，三相不平衡也定义为在电力系统中三相电流（或电压）幅值不一致，且幅值差超过规定范围。为了充分利用系统资源，降低不对称运行对系统的干扰，一般不允许电力系统长期运行在三相不对称状态。

1.2.4 谐波和间谐波

谐波一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，频率是基波频率整数倍频率的正弦电压或电流。频率是基波频率非整数倍的正弦电压或电流称为间谐波，小于基波频率的分数次谐波也属于间谐波。谐波将对系统各设备产生干扰，因而要求系统谐波控制在一定的范围内。

2 电能质量污染主要来源及其影响

导致电能质量产生问题的原因是多种多样的，但归纳起来主要有以下两点：

①变动幅度大、变化周期长的用电设备，目前，我国电力系统中存在着大量快速变化的负荷，如电炉、压延机械、电气机车等，它们的电力负荷具有冲击性而且是难以准确预测的，可能导致系统的不对称运行和电压、频率偏差等问题。

②电源的部分非线性和电力负荷的非线性，非线性电源和设备在使用过程中会产生非正弦波形电流，非正弦电量经傅里叶分解后将给电网引入谐波污染，这就会导致母线连接点的电压波形发生畸变，从而影响到电能质量。

2.1 电压偏差问题的来源及其影响

一般来讲，引起电压偏差的原因大致可以分为无功功率不平衡、线路电抗过大、电力负荷偏离额定负荷过大等，其中无功功率不平衡是造成电压偏差的主要原因。

电压偏差对用电设备和电力系统都会造成较大的影响。用电设备是按照额定电压进行设计、制造的。当用电设备长期偏离正常工作电压范围工作，将降低其运行效率和使用寿命。例如洗衣机、电风扇等使用到单相异步电动机的家用电器，电压过低会影响电动机的起动，使其转速降低、电流增大，增加了线损，严重的甚至会烧毁绕组；电压过高则有可能损坏绝缘或由于励磁过大而发生过电流。

根据电力系统稳定性理论，在单机无穷大系统中，电力系统的静态极限功率也与电网电压水平有很大关系。三相功率：

P=■sinδ

其中E代表发电机电动势，U为系统线电压，δ代表E、U之间的相位角，X■是线路总阻抗。

可以看出在其他条件保持不变的情况下，系统功率和系统电压成正比关系，电压偏低时，静态稳定极限功率将降低，电力系统的静态稳定性也随之降低。

此外，如果电压偏差类型为电压跌落，将不利于电网的经济运行。在传输功率一定的情况下，电压越小，流过线路的电流就越大，电力线路和变压器绕组的损耗也会随之大大增大，实际可输送到用户端的功率减少，电力系统运行效率下降，供电成本上升。

2.2 频率偏差的产生原因及其影响

引起电力系统频率偏差的主要原因是负荷的波动，负荷波动主要有三种类型，第一种是变动幅度小，变化周期短，偶然性很大的负荷；第二种是变化幅度大，周期也较长的负荷；第三种负荷变动幅度最大，周期也最长。第二种负荷变动变化周期一般在10 s～3 min，它是引起系统频率偏差的最主要因素，一般包括电炉、压延机械、电气机车等带有冲击性的负荷变动。

用户使用的电动机转速和系统频率有关。频率偏差将引起电动机转速的变化，从而影响产品的质量。系统频率的不稳定甚至会造成电子设备无法工作。频率偏低时，对变压器而言，为保持电压不变，磁通密度将增大，变压器的铁芯损耗和励磁电流相应增大。频率偏高时，发电机将高于额定转速运行，降低了系统运行的经济性。高频运行还将增加汽轮机叶片所受的应力，引起叶片的共振，缩短叶片的使用寿命，甚至是叶片断裂。因此，电力系统的频率偏差必须控制在一个合理的范围内。

2.3 三相不平衡问题的来源及其影响

现在电力系统都是三相运行的，尽管电力部门在装接单相用户时已充分考虑到负荷的均衡分布，但在实际工作及运行中，由于大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时特性等，都有可能造成三相负载的不平衡。

三相不平衡运行的主要影响体现在以下几个方面：

①电能损耗增加。在三相四线制供电网络中，三相不平衡运行时，中性线上将有电流流过，由于中性线阻抗的存在，中性线电流将产生电能损耗，输电效率也相应降低。此外，三相不对称运行还会增加配电变压器的电能损耗，配电变压器的绕组结构是按负载平衡运行工况设计的，三相不平衡时，对于超出单相额定值的相，流过绕组的电流将超出额定范围，从而造成配变损耗的增加。

②影响用电设备的安全运行。在三相负载不平衡时，三相输出电流也不再保持平衡，根据基尔霍夫电流定律，中性线上也会有电流流过，由于线路阻抗的存在，中性线电流将在中性线上产生压降，中性点将偏离三相电压构成的三角形的中心，向负载重的相所代表的点移动，即中性点将产生位移，各相相对于中性点的相电压也随之发生变化。一般来说，负载重的相电压降低，而负载轻的相电压升高。电力系统在这样的条件下运行很容易造成负载有的相电压高于用电设备额定电压而损坏设备，而有的相电压可能远低于额定电压而不能正常工作。

2.4 谐波的产生及其影响

谐波一般是由设备和负荷的非线性产生的。设备和负荷的非线性是指流过的电流和所产生的电流不成正比，即使输入的波形为正弦，输出波形仍将偏离正弦波形。

电力系统中，设备的非线性主要包括发电机和变压器的非线性导致电动势波形偏离正弦波形，在稳态运行时，他们产生的谐波干扰只占系统谐波的一小部分。电力系统中的谐波更多来源于包括变频调速设备、整流器、不间断电源UPS、直流电源等在内的电力电子设备，这些设备在工作时会产生大量的谐波并注入到电网中。由于本身的工作特性，无论给这些设备提供怎样标准的正弦电压，他们都会对电网产生比较可观的谐波干扰，在进行电力系统谐波分析时，一般把他们看作谐波源，谐波源的存在将导致电流和电压波形产生畸变，电能质量也随之下降。

谐波对电力系统的各个环节都有可能造成危害。在发电部分，谐波的存在会使电力变压器和发电机损耗增大，电缆过热，产生过热损坏，绝缘老化等损害；在输配电环节，谐波则会造成电网的品质变坏，波形失真增大，频率发生改变，过度地消耗电网中的无功功率和电流有效值，电网的负担也将加重，可用容量下降；电能的生产和输配都是为用户服务的，电能质量的好坏也是有用户决定的，因此在用电环节谐波表现出来的影响最大，谐波会造成敏感性负载受干扰，计算机出错甚至死机；保护装置异常动作，开关误跳闸；伺服电机产生脉动，交流电机产生振动，噪音增大；产生线路传导电磁干扰，数字传输故障；照明设备和显示器产生闪烁等。

3 结 语

随着国民经济的发展，科学技术的进步和生产过程的高度自动化，电网电源存在非线性，各种非线性负荷不断增长，电能质量的干扰因素越来越多。各种复杂的、精密的，对电能质量敏感的用电设备不断接入电网，电能用户对电能质量的要求也越来越高，因此系统运行人员必须采取有效措施分析和监控电力系统电能质量。

参考文献：

[1] 陈志业，李鹏.电能质量及其治理新技术[J].电网技术，2002，（7）.

[2] 林海雪.现在电能质量的基本问题[J].电网技术，2001，（10）.

[3] 戚国彬.电压质量评定与谐波手册[M].北京：中国电力出版社，2000.

[4] 肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2004.

[5] 程浩忠.电能质量讲座第二讲电压偏差与频率偏差[J].低压电器，2007，（4）.

[6] 程浩忠.电能质量讲座第四讲谐波的产生与危害[J].低压电器，2007，（8）.