1、电能质量的分类与基本描述,IEEE第22标准协调委员会推荐采用的11种 动态电能质量专用术语包括：,断电(Interruptions) 电压和频率偏差(Voltage, Frequency Deviations) 电压暂降(Sags)、电压暂升(Swells) 瞬态脉冲与振荡(Transients Surges) 电压波动(Voltage Fluctuations) 电压陷波(Notches) 谐波(Harmonics)、间谐波(Inter-harmonics) 过电压(Over-voltages)和欠电压(Under-voltages)。,瞬变现象、电压及频率偏差、 不平衡 凹陷（凸起）与间
2、断 、波动与闪变、 电压谐波、陷波、欠电压过电压等,电流谐波、间谐波、次谐波、 相位超前与滞后、通讯干扰等,电流质量,服务质量2,服务质量1,电压质量,用电质量,电 能 质 量,供电质量,电能质量体系构成与分类示意图,电能质量的两种分类方法, 一般分类 IEC分类频率特性 IEEE分类属性特征（如频谱、幅值、持续时间等） 特殊分类 变化型：连续出现的现象。电压或/和电流的幅值、 频率、相位差等在时间 轴上的任一时刻总是在发生着小 的变化。 事件型：突然发生的现象。电压或/和电流短时间严重 偏离其额定值或理想波形。,IEC 电能质量干扰（电磁兼容）分类,IEEE制定的电力系统电能质量特性参数及其
3、分类,IEEE制定的电力系统电能质量特性参数及其分类,IEEE制定的电力系统电能质量特性参数及其分类,IEEE制定的电力系统电能质量特性参数及其分类,电压质量包括的内容： 电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、瞬变现象、 波动与闪变、暂降（暂升）与间断、电压谐波、电 压陷波、欠电压、过电压等。 电流质量包括的内容： 电流谐波、间谐波、次谐波、相位超前与滞后、 噪声等。 波形质量包括的内容： 畸变波形或非正弦波形。主要有谐波电压、谐波电 流、陷波等。,电能质量分类小结, 一些错误认识 “质量越高越好” 忽略了技术经济关系，应当量体裁衣，质量分等级 “高技术产品质量本来就高” 忘记了供用双方的共同责
4、任 “凡是电力供应问题都是电能质量问题” 和工程建设质量的区别与联系 名词与术语 Power Quality of Electric Energy Supply Voltage Quality, Current Quality Quality of Electric Power System Quality of Service, Quality of Consumption POWER QUALITY 电力质量，供电质量，电力品质，电能质量 用词与术语不规范与责任不清（如以上用语, Dips, Sags等）,若干其它问题,电能质量现象的基本描述,瞬变现象（典型持续时间：50ns-5us） (
5、1). 冲击性瞬变现象：稳态条件下，电压、电流非工频、单极性的突然变化现象。 产生的原因：雷电（如图所示为雷电引起的典型冲击电流）。 特征描述：通常为上升/衰减时间。 例如，1.2/ 50us/ 2000V的 冲击脉冲，是指其电压经过 1.2us后上升到2000V峰值， 然后经50us衰减为峰值的1/2。 冲击脉冲可能在电力网络的 自然频率点发生激励而出现 振荡瞬变现象。,电能质量现象的基本描述,(2). 振荡瞬变现象振荡瞬变是一种在稳态条件下，电压、电流非工频、有正负极 性的突然变化现象。常用其频谱成分（主频率）、持续时间和幅值 大小来描述。主频率大于500kHz，以 数微秒来量度其持续时间
6、的 暂态现象称为高频振荡现象。主频率在5-500kHz范围、 以数十微秒来量度其持续时 间的暂态现象称为中频振荡 现象。主频率低于5kHz，持续时间在0.3-50ms的暂态现象称为低频振荡。,电能质量现象的基本描述,产生的原因： 高频振荡：局部系统对冲击脉冲响应。 中频振荡：同上。电缆投切。 低频振荡：电容器组投入冲能。另外，主频低于300Hz的振荡在 配电系统也有发生，原因是铁磁谐振 和变压器空载增能引起。 对带有单独接地线的三相系统发生 的暂态现象按其模式分类，又可分为 出现在线对地或中性线对地之间共模 谐振和线对中性线之间简正谐振模式。,电能质量现象的基本描述,短时间电压变动（典型持续时
7、间：0.5cycles-1min）电压暂降（0.5cycles-1min，0.1-0.9pu） 电压暂升（0.5cycles-1min，1.1-1.8pu） 短时间电压中断 (0.5cycles-1min,0.1pu) 产生的原因:电网故障、用电设备故障、大容量负荷启动甩负荷或弱系统间歇性负荷运行等。 故障与电压暂降和间断之间的联系：保护装置动作跳闸，重合闸动作，以及故障相与非故障相（电压暂升）的区别。,电能质量现象的基本描述,（1）短时间电压中断 供电电压降低到0.1pu以下，且持续时间不超过1分钟(各标委会 规定不仅相同)，为电压短时间中断。起因：系统发生故障，用电设 备故障或控制失灵等。
8、由系统故障造成的间断持续时 间是由保护装置的动作时间决定的， 通常对于非永久性故障，瞬时重合 闸将会使电压间断时间限定在工频 下的30个周期以内。带有延时的重合闸可能导致暂 时的或短时的电压间断。 由设备故障等造成的电压间断持续 时间一般是无规律的。,电能质量现象的基本描述,（2）电压暂降(凹陷)暂降是指工频条件下电压有效值减小到0.1-0.9pu之间、持续时间为 0.5个周期至1分钟的短时电压变动现象。除由于重负荷或大型电机启动汲取 大电流造成的电压暂降外，多数情况下 电压暂降是与系统或设备故障相联系的。图中所示为在某一变电站的馈电线 上发生单相对地故障引起的母线电压凹 陷的变化图形。在断路
9、器切断故障电流 之前,电压80%暂降，并持续了3个周期。典型的故障切除时间为3-30个周期， 这取决于故障电流的大小和过流保护的 类型。,电能质量现象的基本描述,（3）电压暂升(凸起)暂升含义是指在工频条件下，电压有效值上升到1.1-1.8pu之间、持 续时间为0.5个周期到1分钟的电压变动现象。与暂降的起因一样，暂升现象 是同系统与设备故障相联系的。 例如，当单相对地发生故障，非故 障相的电压可能会短时上升。但电 压暂升不象电压暂降那样常见。另外当大容量负荷甩开或大容 量电容器组增能时也会引起电压凸 起。当电压暂升是在故障情况下出现 时，电压上升的强度将随故障发生点、系统阻抗和接地状况而变化
10、。在不 接地系统，零序阻抗无穷大，当发生单相对地故障时，非接地相对地电压 将达到1.73pu。,电能质量现象的基本描述,长时间电压变动（典型持续时间：1min）长时间电压变动是指，在工频条件下电压均方根值偏离额定值， 并且持续时间超过1分钟的电压变动现象（即广义电压偏差问题）。 持续电压中断（1min,0.0pu）过电压和欠电压（1min,0.8-1.2pu，即小于额定值的90%或超过 额定值的10%。电压允许偏移的极限值）。 产生的原因：永久性故障，负荷变动或系统的开关操作等。须注意，电压间断与供电中断（Outage）的用法不同。前者是指 一种特定的系统现象，后者是指电力系统中的元件未能正常
11、工作带来 的问题，或专门用于长时间电压短缺问题。,电能质量现象的基本描述,电压不平衡 电压波形畸变（谐波、间谐波、次谐波） 电压陷波 电压波动（特征：典型频谱25Hz） 工频变化,电能质量现象的基本描述,（1）过电压过电压是指工频下交流电压有效值升高，超过额定值的10%，并且持 续时间大于1分钟。过电压的出现通常是负荷投切的结果（例如，切断某一 大容量负荷或向电容器组增能时）。由于系统的电压调节能力比较弱，或者 难以进行电压控制，系统的正常运行操作就可能造成过电压问题。变压器分 接头的不正确调整也可能导致系统过电压。 （2）欠电压欠电压是指工频下交流电压有效值降低，小于额定值的90%，并且持续
12、 时间大于1分钟。可以说引起欠电压的事件与过电压时正好相反。某一负荷 的投入或某一电容器组的断开都可能引起欠电压，直到系统电压调节装置再 把电压拉回到容限范围之内。过负荷时也会出现欠电压现象。,电能质量现象的基本描述,节电降压（Brownout）是指由电力部门进行的为减小电力需求而采取的特 有的迅速调度策略，由此也出现持续欠电压。但是它不 象电能质量所说的欠电压概念清楚，至今没有规范定义。 因此应避免名词和概念上的混淆。 （3）持续间断当供电电压下降为0，持续时间超过1分钟，这一长时 间的电压变动现象称为持续间断。若电压间断超过1分钟， 往往是永久性的，这要求人为介入对系统进行检修以恢 复正常
13、供电。,电能质量现象的基本描述,电压不平衡电压不平衡，时常被定义为与三相电压（或电流）的平均值的 最大偏差。并且用该偏差与平均值之比的百分数表示。电压不平衡(小于2)的起因主要 是负荷不平衡(如单相运行)所致，或 者是三相电容器组的某一相熔断器熔 断造成的。电压严重不平衡（大于5%）很有 可能是由于单相负荷过重引起的。图中所示为民用馈电一周电压不平 衡变化记录，实际应用时常采用负序 分量和零序分量与正序分量之比的百 分数表示。,电能质量现象的基本描述,波形畸变波形畸变，是指电压或电流波形偏离稳态工频正弦波形的现 象，用偏移频谱表示。波形畸变有五种主要类型，即， 直流偏置、谐波、间谐波、陷波、噪
14、声。 （1） 直流偏置在交流系统中出现直流电压或电流称为直流偏置。这可能是由 于地磁干扰或半波整流产生的。例如，为延长灯管的寿命在照明系 统中采用的半波整流器电流，会使交流变压器偏磁，以至于发生磁 饱和，引起变压器铁芯附加发热，缩短使用寿命。直流分量还会引 起接地极和其他电气连接设备的电解腐蚀。,电能质量现象的基本描述,（2）谐波(HARMONICS)把含有供电系统设计运行频率（即简称工频，通常为50Hz或 60Hz）整数倍频率的电压或电流定义为谐波。可以把畸变波形分解 成基频分量与谐波分量的总和。电力系统中的非线性负荷是造成波 形畸变的源头。波形畸变水平 的描述方法，通常 用具有各次谐波分
15、量幅值和相位角的 频谱表示。此外， 在实际应用中也常 用单项数据来表示， 如，谐波含有率等。多用总谐波畸变率（THD）作为量度标准。,电能质量现象的基本描述,（3）间谐波(INTER-HAR.)把含有供电系统设计运行频率非整数倍频率的电压 或电流定义为间谐波。其表现为离散频谱或宽带频谱。 在各种电压等级供电网中都可能出现间谐波。间谐波源 主要有静止频率变换器、循环换流器、感应电机和电弧 设备等。电力线载波信号也可视为间谐波。,电能质量现象的基本描述,（4）陷波(NOTCH)陷波是电力电子装置在正常工作情况下，交流输入电流从一相 切换到另一相时产生的周期电压扰动。 由于陷波连续出 现，可以通过受
16、影响 电压的波形频谱来表 征。但由于陷波的相 关频率相当高，很难 用谐波分析中习惯采 用的测量手段来反映 它的特征量，通常把它作为特殊问题处理。,电能质量现象的基本描述,（5）噪声噪声，是指带有低于200kHz宽带频谱，混迭在电力系统的相线、中性线或信号线中的有害干扰信号（从普遍意义讲,是指任何不希望存在的电气信号）。电力系统中的电力电子装置、控制器、电弧设备、整流负荷以及供电电源投切等都可能产生噪声。由于接地线配置不当，未能把噪声传导至远离电力系统，常常会加重对系统的噪声干扰和影响。对电子设备如微机、可编程控制器等的正常安全工作造成危害。可采用滤波器、隔离变压器和电力线调节器等减缓噪声的影响
17、。,电能质量现象的基本描述,电压波动广义讲， 电压波动是指电压有效值不再保持恒定而不断发生变 化的随机现象。通常，其幅值并未超过ANSI c84.1-1982规定的0.9- 1.1pu范围。IEC1000-3-3则定义了多种类型的电压波动。在电能质 量分类中把电压波动名词限定在IEC-3-3（d）类型上。即一系列随 机或连续的电压变动现象。负荷电流的大小呈现快速变化时，可能引起电压的波动，也常 简称为闪变。闪变术语来自电压波动对照明的视觉影响。从严格的 技术角度讲，电压波动是一种电磁现象，而闪变是电压波动对某些 用电负荷造成的有害结果。但是，在技术标准中常把这两个术语合 为一体讨论。因此我们也
18、将使用电压闪变术语来替代说明电压波动 问题。,电能质量现象的基本描述, 频率变化电力系统基波频率偏离规定正常值的现象定义为频率 变化。工频频率直接与向系统供应电能的发电机转子速 度有关。当负荷与发电机间出现动态平衡变化时，系统 频率就有小的变动。频率偏差及其持续时间取决于负荷 特性和发电控制系统对负荷变化的响应。,电能质量现象图示描述（1）,电能质量现象图示描述（2）,电能质量现象图示描述（3）,电能质量现象图示描述（4）,电能质量现象图示描述（5）,电能质量标准概况,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依据，是推广电能质量控制技术，实施电能质量
19、监督管理，维护供用电双方合法权益的法规条文。 国际电工委员会（IEC）EMC-61000系列标准 电气与电子工程师协会（IEEE）Std-标准 电能质量国家标准有：供电电压允许偏差（GB-12325-90）；电压允许波动和闪变（GB12326-2000）；公用电网谐波（GB/T14549-93）；三相电压允许不平衡度（GB/T15543-95）和电力系统频率允许偏差（GB/T15945-95）等六项标准。,电磁兼容概念：一般而言，是指某一设备、装置或系统在其 电磁环境中能够运行且不向该环境中的任何实体带来不能容许 的电磁扰动的能力。 抗干扰水平、注入（发射）水平、兼容水平。 电磁干扰源：自然干
20、扰源、人为干扰源。 电磁兼容技术三要素： 1）给定某一空间或场所 2）干扰源和感受体 3）干扰媒体，干扰耦合途径 IEC电磁兼容标准：由6大部分组成。国内外专家认为，今后的发展趋势是,电磁兼容认证将会像 安全认证一样重要和普及。,电力系统电磁兼容基本知识简介,1、电磁环境 广义而讲，它是指存在于给定空间的（所有）电磁现象的总和。具体而言，它给出了在共享条件下设备、装置或系统正常工作时所承受的电磁扰动水平。为了量化设备的抗扰水平，需要掌握设备工作的电磁环境是首要的问题。例如将电磁环境概念与电能质量问题相结合，可以认为，对于给定的产生于电力系统或通过电力系统传播的电磁干扰这一大空间而言，所谓其电磁
21、环境可以等同于前面定义的电压质量。,电磁兼容基本知识与概念,2、电磁兼容 是指某一设备、装置或系统在其电磁环境中能正常运行且不向该环境中的任何实体带来不能容许的电磁扰动的能力。从这一定义出发，电磁兼容技术包含两部分具体内容：1）电气设备或系统在正常运行时应当能够承受有限的电磁干扰，称之为抗干扰水平；2）它在保证自身正常运行的同时不应对共用电磁环境造成过多的污染而影响其他设备或系统的正常工作，称之为注入水平或发射水平。,电磁兼容基本知识与概念,电磁兼容基本知识与概念,电磁兼容水平是处于设备抗扰水平和发射水平之间的协调参考值。由于抗扰与注入水平是随机变化的，因此，电压兼容水平应以大多数设备在大多数
22、时间内满足电磁兼容性要求更符合实际。例如，在IEC标准中规定典型概率取95%，即95%的设备在95%时间内符合标准要求。,电磁兼容基本知识与概念,3、电磁干扰源 大致分为自然干扰源和人为干扰源。 典型的自然干扰源有：雷电引起的冲击电流和浪涌电压等。 典型的人为干扰源有：电气、电子设备或系统的电磁干扰， 电力线干扰，开关操作，短路故障，功率开关通断以及电 网电压的变动等。 一般而言，电磁扰动耦合分为传导干扰和辐射干扰两条 主要途径。传导干扰需通过导电体从一个装置传递到另一 个装置中去。辐射干扰是发射和接收的过程，无须任何导 体。,电磁兼容基本知识与概念,由于电力系统是传导各种干扰的很好的媒体，因
23、此，在 IEC标准中把传导干扰划归为电能质量范畴，而认为辐射 干扰是电能质量或电力工程之外的问题。但对于电力系 统中由辐射干扰感应耦合的传导干扰仍被看成为系统的 一种特殊质量干扰。,电磁兼容基本知识与概念,4、电磁兼容技术的三要素： 1）首先需要给定某一个空间（或场所）。例如， 同一工作间，同一机柜，同一电力网等。 2）必然同时存在干扰源和感受体（干扰源和感 受体也可能共存于一体）。 3）干扰媒体，或干扰耦合途径。例如，将干扰 源与感受体联系在一起的电磁空间，公用电网 等。,电磁兼容基本知识与概念,5、电磁兼容性参数 是指在同一电磁环境下的发射方和接受方之间的（统筹兼顾，相容并举）相容性技术参
24、数，电磁兼容的基本任务就是协调干扰发射者和承受者之间的关系，使之融洽和谐工作。包括发射、抗扰兼容水平（限值，余裕度）。兼容值是一个参考值因此发射值不应超过兼容值留有一定的余裕度。确保干扰水平不应造成过大影响；相反，抗扰值不能低于兼容值，而应略大些，以使设备有足够的抗扰水平。 (电磁兼容性参数关系如图P 34所示)。此外，还提出规划值或规划水平，作为企业内部质量目标值。例如，针对供电部门的电压规划值，就表示了供电部门内部质量保证的目标和任务，供电部门在制定供电网运行水平时规定，电压合格率应达到99.8%。,电磁兼容基本知识与概念,6、 IEC标准由6大部分组成： （1）总则61000-1。包含基
25、本定义与术语的解释和使用； （2）环境61000-2。包含对环境的描述，如与电能质量相关的低频传导干扰和供电系统信号传输，以及辐射和感应等电磁环境的描述、电磁环境分类、电磁兼容水平等； （3）限制值61000-3。包含对注入标准和导则的综述以及对注入水平的限制值等。如与电能质量相关的谐波（间谐波）电流注入限值标准（IEC-61000-3-2和IEC-61000-3-7）、中高压系统的干扰负荷和波动性负荷的注入限制评估，以及低压系统设备产生的电压波动与闪变限值标准（IEC-61000-3-3，61000-3-5和61000-3-7）等；,电磁兼容基本知识与概念,（4）试验与测量技术61000-4
26、。包含各种干扰环境下的抗扰水平试验和测量技术；例如，在IEC-61000-4-1抗扰基本标准中根据设备是否正常工作的不同要求，给出了设备的四级性能指标作为抗扰实验的考核准则：*在产品的技术规范限定条件下能正常工作。*短时间功能下降或功率损失，但可以自动恢复。*短时间功能下降或功率损失，但需要操作者介入或者系统重新启动。*由于设备、元件或软件损坏，短时间不能恢复正常工作。 （5）安装与抑制导则61000-5。包含接地设置与电缆铺设、外部电磁干扰的抑制方法等； （6）一般标准61000-6。包含对民用、商用和轻工业等用电设备的注入水平和抗扰水平的标准。,电磁兼容基本知识与概念,TC77提出的电磁兼
27、容标准是对所有频率范围内的抗扰性基础标准和在低频范围内（一般低于9kHz）的注入干扰标准，目前主要是针对用电设备的注入水平与抗扰水平以及电气产品质量认证制定的，而对于电力系统由于操作和故障引起的大量电能质量问题给出的限制标准并不多亦不专一。为此，1996年国际电磁兼容顾问委员会专门就电能质量问题进行了讨论，并且计划将电能质量标准作为IEC61000系列标准的第7部分提出。由美国标准化委员会ANSI和IEEE制定的电能质量标准（Std-标准）不同与上述的IEC标准那样给出一个综合性标准框架结构，而是推出了针对大量电能质量现象的实用化推荐标准或导则，是很有实用价值的较易操作的参考文件。相比较而言，
28、IEC标准是为协调各国电磁干扰方面的标准而制订的一个参考标准，是制定本国相关标准的基础。,改善电能质量的意义,从市场经济商品要讲质量这个普遍意义讲，了解电能质量，改善电 能质量是必不可少的。改善电能质量的意义可简要概括为以下几点：a. 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。b. 是电力系统安全（包括用户设备的用电安全）、经济运行的必要 条件，是电网运行水平高低的重要标志。c. 是提高国民经济总体效益、用电效率(节能、降损)和改善电气环境,以及工业生产可持续发展的技术保证。d. 是面向电力市场、适应竞争机制强有力的手段。e. 在社会效益方面：通过建立和健全电能质量的全面管
29、理，保障各行各业的正常用电秩序，为千家万户提供信得过的产品。,国内外研究现状,在这一研究领域里，还有许多问题仍在讨论之中，尚待统一认识（例 如，关于电能质量的定义、关于电能质量与可靠性的关系、电能质量任 何计入可靠性评估体系中等等。 建立和健全现代电能质量的理论体系已经成为研究者共同的心声。 美国和欧洲的部分国家于90年代初就已系统地展开研究。 目前国内外出版的有关著作： 美国普度大学(Univ. of ) Prof. Heydt 美国EPRI Eng. Roger C. Bugan etc. 瑞典卡尔莫大学(Chalmers Univ) Prof.Math H.J. Bollen 新西兰坎特
30、布里大学(Univ.of Canterbury) Prof.J. Arrillaga 等著书立说，出版专著，陈述观点。,国内外研究现状,在我国，针对业已制定的五项电能质量国家标准， 分为五个分册编写和出版了电能质量技术丛书。分别 就电力系统频率、电力系统电压、电力系统谐波、电 力系统三相不平衡和电压波动与闪变等进行了论述。 大量的相关综述论文和研究报告在国际重要科技期刊 上发表，这些对电能质量研究工作起到了积极的推动 作用。在我国，虽然与电能质量相关的问题，如电压 和频率偏差、电力谐波污染等已经开展研究，但全面 开展电能质量理论研究刚刚起步。,国内外研究现状,电能质量研究机构 IEEE下设分委会每两年召开一次ICHPQ国际学术会 美国EPRI成立专门的电能质量研究中心 IEC计划设立EMC-PQ标准委员会 中国国家标准委员会下设电压电流频率标委会 全国电磁兼容标委会低频现象分技术委员会 中国EPRI成立电力行业电能质量标准化委员会 欧盟亚洲电能质量（中国）合作组 宝钢-安大教育部电能质量工程研究中心 各高校电力或电气专业纷纷成立研究组开展工作 各研究院所、公司和团队成立电能质量实验中心，纷纷建立了网站,
