矿山电网电能质量矿山电网电能质量1 1第一部分 电能质量概述2 2一、电能质量问题的提出 电力作为一种特殊商品，其质量问题已经越来越成为电力企业和电力客户共同关心的问题。 1.大量高科技电子设备的使用，其性能对电能质量非常敏感。 2、许多新型电气设备的使用，会向电力系统注入各种电磁干扰，对电力系统安全运行及用电设备的正常运行造成的危害不断增加。 3 3 理想供电系统提供的电产品 1. 恒定频率 2. 恒定电压 3. 正弦波形 4. 三相平衡 5. 电压电流同相位4 4二、什么是电能质量 定义：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。 由于电压、电流或频率偏差引起的，用户设备工作异常或损坏的任何电力问题，都属于电能质量问题。5 5电能质量现象部分波形图（1）6 6电能质量现象部分波形图（2）暂降SAGS，DIPS中断INTERRUPTIONS暂升SWELLS瞬变TRANSIENTS谐波HARMONICS，DISTORTIONS陷波NOTCHES波动FLUCTUATIONS频率FREQUENCY DEVIATIONS7 7三、电能质量的含义电压质量电流质量供电质量用电质量8 8四、电能质量的特点动态性相关性传播性潜在性复杂性整体性9 9电能质量特征 1 电能质量指标的动态性： 电能从发电生产到用户消耗是一个整体，电能量的流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，在整个配电网络中，不同时刻、不同公共连接荷的变化，在整个配电网络中，不同时刻、不同公共连接点，电能质量指标往往是不同的，也就是说点，电能质量指标往往是不同的，也就是说电能质量始终电能质量始终处在动态变化中。处在动态变化中。 电力系统是一个在动态中不断寻求平衡的大系统，电能质量现象的物理意义就在于此。 1010电能质量的动态性原因 可以讲，有功功率的平衡决定着电压频率的变可以讲，有功功率的平衡决定着电压频率的变化；无功功率的平衡决定着电压幅值的变化；三相化；无功功率的平衡决定着电压幅值的变化；三相负荷的平衡决定着电压对称度大小；。生产与消耗负荷的平衡决定着电压对称度大小；。生产与消耗的平衡决定着能否连续供电的问题。的平衡决定着能否连续供电的问题。 又如，日负荷的变化以及负荷特性的改变、不同的运行方式、随机发生的（自然现象和人为因素等）线路故障等，电能质量状况始终处在动态变化中。因此质量指标的评估往往是概率统计的结果。1111电能质量特征 2 电能质量作用的相关性： 电能不易大量储存，其生产、输送、分配和转换过电能不易大量储存，其生产、输送、分配和转换过程直至消耗几乎是同时进行的。当电力系统处于不同运程直至消耗几乎是同时进行的。当电力系统处于不同运行状态时，电能质量一旦超标，相关的配电网络和用设行状态时，电能质量一旦超标，相关的配电网络和用设备都会受到不同程度的影响，很显然，在系统运行过中备都会受到不同程度的影响，很显然，在系统运行过中劣质电能是不可能更换的。劣质电能是不可能更换的。 有些情况下，引起电能质量下降的原因是多方面的，有些情况下，引起电能质量下降的原因是多方面的，系统中的某一实体，往往既可能是系统中的某一实体，往往既可能是电能质量的破坏者，电能质量的破坏者，同时也是劣质电能的受害者。同时也是劣质电能的受害者。1212电能质量特征 3电能质量干扰的传播性： 由由于于电电力力线线为为扰扰动动提提供供了了最最好好的的传传导导途途径径，且且传传播播速速度度快快，电电气气环环境境污污染染波波及及面面大大，影影响响域域广广，其其结结果果可可能能会会大大大大降降低低与与其其相相连连接接的的其其它它系系统统或或设设备备的的电电气气性性能能，甚甚至至导导致致设设备备遭遭到到损损坏坏，可可见见劣劣质质电电能能的的危害与影响具有快速传播性。危害与影响具有快速传播性。1313电能质量特征 4电能质量干扰的潜在性： 虽虽然然电电产产品品的的基基本本形形式式简简单单，但但其其质质量量扰扰动动的的现现象象却却是是多多种种多多样样的的，事事故故的的诱诱发发条条件件比比较较复复杂杂，电电能能质质量量下下降降造造成成的的对对系系统统和和用用电电设设备备的的损损害害有有时时并并不不立立即即显显现现出出来来，其其危危害害与与影影响具有潜在性。响具有潜在性。 1414电能质量特征 5 电能质量评估的复杂性： 一一般般而而言言，电电力力系系统统在在运运行行过过程程中中电电能能质质量量的的各各项项指指标标接接近近系系统统标标称称值值，就就可可以以认认为为电电能能是是达达到到标标准准要要求求的的。但但是是当当电电能能质质量量的的多多个个指指标标共共同同作作用用在在一一个个系系统统中中时时，其其不不同同的的组组合合结结果果对对电电力力系系统统运运行行的的不不利利影影响响和和对对电电气气设设备备性性能能的的降降低低，甚甚至至损损坏坏都都是是十十分分复复杂杂的的问问题题。加加之之，不不同同电电气气设设备备在在不不同同条条件件下下对对电电压压干干扰扰的的敏敏感感度度不不同同。因因此此如如何何综综合合的的给给出出技技术术经经济济的的评评价价仍仍然然是是非非常常困困难难的的，目目前前尚尚无无一一个准确的和普遍认可的定量评估计算方法。个准确的和普遍认可的定量评估计算方法。1515电能质量的特征 6 电能质量控制的整体性： 从从整整个个电电力力系系统统来来讲讲，保保证证优优质质电电力力生生产产和和用用户户安安全全使使用用还还要要靠靠多多方方共共同同努努力力。因因此此要要求求设设备备制制造造厂厂商商、电电力力供供应应方方、电电力力使使用用方方、标标准准制制定定方方，监监督督管管理理方方等等协协同同合合作作，达达成成共共识识，制制定定统统一一的的和和可可操操作作的的适适度度质质量量标标准准或或单单独独的的供供电电质质量量协协议议，按按照照电电力力用用户户对对电电能能质质量量的的不不同同要要求求实实行行分分级级控控制制和和质质量量达达标标，实实现现技技术术与与经经济济的的综综合合优优化化，做做到到电电能能质质量量的的责责任任与与义义务务清清晰晰，保保护护共共享享的的电电气气环环境境，共同获得最大的生产效率和经济利益。共同获得最大的生产效率和经济利益。 可可以以说说，如如何何认认识识、管管理理和和保保证证电电能能质质量量是是一一项项系系统统工程问题。工程问题。1616五、电能质量的主要内容1717基本概念 与 术语瞬态：半个周波（瞬态：半个周波（10ms)10ms)以内以内暂时：从暂时：从10ms 10ms 到到1min1min稳态：稳态：1min1min以上以上瞬变瞬变 - -瞬态概念瞬态概念骤升，骤降骤升，骤降 - -暂时概念暂时概念过电压，低电压，电压中断过电压，低电压，电压中断 - -稳态概念稳态概念电压波动电压波动闪变闪变谐波谐波1818六、供电电压偏差 1、 供电电压偏差定义 供配电系统改变运行方式和负荷缓慢地变化会使供配电系统各点的电压也随之变化，这时各点的实际电压与系统标称电压之差称为电压偏差。电压偏差也常用与系统标称电压的百分比表示。即： 2、 供电电压允许偏差 国家标准 电能质量 供电电压允许偏差（GB/T12325-2008)35KV 正负偏差绝对值之和10%10KV 三相供电为7、7220V单相供电为10、71919六、供电电压偏差 3、供电电压偏差产生的原因 供电系统无功不平衡是引起供电系统电压偏离标称值的根本原因。 系统无功功率不平衡意味着将有大量的无功功率流经供电线路及变压器，由于线路和变压器中存在阻抗造成线路变压器首末端电压出现电压差。2020六、供电电压偏差 4、供电电压偏差对系统及用电设备的影响 1电压偏差对感应电动机的影响。电压偏差对感应电动机的影响。电动机转矩与端电压的平方成正比。当电压出现正偏差时，电动机机端电压升高，其激磁电流和温升也增加，绝缘受到过电压和过热的威胁，影响其使用寿命，同时还会产生有害的谐波电流；当电压出现负偏差时，其实转矩下降较多，转速降低，引起产品质量和数量的降低，同时负荷电流却会增加，影响电动机的使用寿命。 2电电压压偏偏差差对对照照明明设设备备的的影影响响。照明设备的发光效率与电压的关系极大，因此，电压降低会引起照明设备的效率降低，造成照度不足，影响照明效果；当电压过低时，会导致气体放电光源的照明器不能正常点燃；另一方面，电光源的工作寿命也受电压的影响很大，当电压偏高时，光源寿命缩短很多。 3电电压压偏偏差差对对电电子子设设备备的的影影响响。随着计算机系统的大规模应用和自动控制系统的不断精细化，对于一个计算中心来说，电压偏差会造成计算机系统的工作紊乱，数据损坏；对于精密机床、机器人等，电压偏差可能造成无法保持对由其驱动过程的精确控制。 4电电压压偏偏差差对对无无功功补补偿偿的的影影响响。电压过低会引起补偿电容器组输出无功减少，不能满足补偿要求。 2121六、供电电压偏差2222六、供电电压偏差2323六、供电电压偏差 5、电压偏差的改善措施 降低线路阻抗 改变变压器变比 合理的无功补偿2424七、电力系统谐波电能质量 公用电网谐波（GB/T14549-1993)电压（KV)THD奇次偶次0.3854.02.06、1043.21.635、6632.41.211021.60.82525八、电力系统三相不平衡三三相相电电压压不不对对称称的的程程度度通通常常用用三三相相电电压压不不对对称称度度来来表表示示，它它表表示示三三相相系统的电压正序分量与电压负序分量的均方根值百分比。即：系统的电压正序分量与电压负序分量的均方根值百分比。即：1、三相电压不对称度的概念 式中 三相电压正序分量的均方根值； 三相电压负序分量的均方很值； 三相电压不对称度。2626八、电力系统三相不平衡 电能质量 三相电压允许不平衡度（GB/T15543-2008)正常允许2%，短时不超过4%每个用户一般不得超过1.3%2、三相电压不对称度的允许值2727八、电力系统三相不平衡3、三相不平衡产生的原因供电环节不平衡（系统阻抗）用电环节不平衡（电气化铁路、电弧炉）2828八、电力系统三相不平衡4、三相不平衡的危害、三相不平衡的危害对对变变压压器器的的影影响响 对于三相电力变压器，当三相电压不对称时，由于要求三相负荷均不能过载，因此，变压器额定容量必须大于其负荷最大一相的容量的3倍，使三相电力变压器的利用率降低。对对电电动动机机的的影影响响 负序电流流入同步电动机或异步电动机，会使电动机因产生附加损耗而过热，产生附加转短而降低使用效率；同时还会使电动机寿命降低。对对变变流流装装置置的的影影响响 对多相整流装置，不对称电压使电流在各整流元件上导通的时间和大小发生差异，因而必须降低整流装置的允许功率，从而导致部分元器件效能得不到充分利用。此外，在不对称电压下工作，对多相整流装置会产生偶次非特征谐波，其幅值与电压的不对称度成正比。对对补补偿偿电电容容的的影影响响 对于对称连接的电容器，加上不对称电压后，会引起三相无功功率输出的不平衡，改变总无功功率的输出。2929八、电力系统三相不平衡5、三相不平衡的改善措施、三相不平衡的改善措施分分散散供供电电 将不对称负荷接到不同的供电点，以减小集中连接造成的不平衡度超标问题。合合理理分分配配 将不对称负荷合理分配到各相，尽量使其平衡化。提提高高短短路路容容量量 将不对称负荷接到更高电压级上供电，以使连接点的短路容量足够大。SVC分相补偿分相补偿3030九、电力系统频率偏差 1、电力系统频率偏差定义 频率偏差是电力系统实际基波频率偏离标称频率的程度。即： 2、频率偏差限值 电能质量 电力系统频率允许偏差（GB/T15949-1995) 正常允许0.2HZ，根据系统容量可以放宽到0.5HZ用户冲击引起的频率波动一般不得超过0.2HZ3131九、电力系统频率偏差 3、频率偏差产生的原因 当发动机与负荷间出现不平衡时，系统频率就会产生变动出现频率偏差。当系统中发动机的总输出有功功率大于系统负荷总有功功率总需求，则系统频率上升，频率偏差为正；反之系统频率下降，频率偏差为负。 3232九、电力系统频率偏差 4、频率偏差对系统和用电设备的影响、频率偏差对系统和用电设备的影响（1）将引起异步电动机转速的变化；（2）将使与系统有关的测控设备受系统频率的影响而降低其性能，甚至不能正常工作；（3）将引起异步电动机和变压器激磁电流增加，所消耗的无功功率增加，恶化了电力系统的电压水平；（4）频率的变化还可能引起系统中滤波器的失谐和电容器组发出的无功功率变化。3333九、电力系统频率偏差 5、限制措施、限制措施 频率偏差通常由电力系统调节，供配电系统一般不采取调整措施3434十、电压波动和闪变 1 1电电压压波波动动 一一系系列列的的电电压压变变动动或或电电压压包包络络线线的的周周期期性性变变动动，当当其其变变化化速度等于或大于每秒速度等于或大于每秒0 02 2时称为电压波动。时称为电压波动。一、电压波动和闪变的概念 3535十、电压波动和闪变 2电压闪变 负荷急剧的波动造成供配电系统瞬时电压升降，则照明设施的照度随之急剧变化，使人眼对灯光的闪烁感到不适，这种现象称为电压闪变。 3636十、电压波动和闪变3电压变动频度 单位时间内电压变动的次数。电压由大到小或由小到大各算一次变动，同一方向的若干次变动，如间隔时间小于30ms，则算一次变动。电压变动频度的计算公式为： 式中 m某一规定时间内电压变化的次数。 T冲击负荷的周期，单位为h。 4短时间闪变值和长时间闪变值 短时间闪变值是衡量短时间（若干分钟）内闪变强弱的一个统计量，长时间闪变值是由短时间闪变量推算出，反映长时间（若干小时）闪变强弱的量值。这两个值是评价电压闪变的指标。可以由闪变仪直接测量，也可由仿真计算得到。3737十、电压波动和闪变2、电压波动和闪变限制值 电能质量 电压波动和闪变（GB12326-2008)n 闪变限值注:PLt测量周期为2h;MV括号中值仅适用于pcc连接的所有用户为同电压等级的用户场合。n 电压变动限值(%)rLV、MVHVr1431 r 1032.510 r 10021.5100 r 10001.2513838十、电压波动和闪变3、引起电压波动和闪变的原因n大型电动机的起动n冲击负荷n反复短时工作制负荷n 大型电弧炉n系统短路 3939十、电压波动和闪变4、电压波动和闪变对系统和用电设备的影响n电压波动和闪变对照明设备的影响 引起照明设备中光源的闪烁，使得照明质量下降。n电压波动和闪变对显示设备的影响 电压波动和闪变会引起电视机、计算机显示器中显像管工作不正常，图像变形。n电压波动和闪变对电动机的影响 电压不稳定使电动机转速不均匀，影响所生产产品的质量。n 电压波动和闪变对电子设备的影响 电压波动和闪变会导致电子设备、自控设备或测试仪器无法准确工作。 4040十、电压波动和闪变5、抑制电压波动和闪变的措施采用单独回路供电降低共用配电线路阻抗提高供电电压增加短路容量采用静止型无功功率补偿装置 4141十一、暂时过电压和瞬态过电压1、系统过电压定义 在系统中某一部分出现的相对地电压峰值超过 或相间电压峰值超过 的如何波形电压称为相对地或相间过电压2 、系统过电压分类内部过电压（暂时过电压，操作过电压）雷电过电压3、限制标准 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压（GB/T18481-2001)4242七、电力系统谐波电能质量 公用电网间谐波（GB/T12325-2009)4343第二部分 矿井谐波防治及无功补偿4444二、谐波及无功功率 1、谐波的基本概念 谐波的定义 谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 由傅立叶级数可知，周期性非正弦函数可分解基波分量和谐波分量。4545例1 方波的傅立叶级数展开464647474848满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数傅里叶级数基波（fundamental）在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量谐 波频率较基波频率大于1整数倍的分量谐波次数谐波频率和基波频率的整数比n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为 49492 、间谐波的基本概念 间谐波是指非工频频率整数倍的谐波。由于各次间谐波周期与基波不同步，如果电压中包含间谐波，会使电压的有效值与峰值发生波动，实际上就是电压闪变的一种形式。5050间谐波引起电压闪变间谐波引起电压闪变5151拍频的概念52523. 功率因数基本概念功率因数基本概念（1） 正弦电路中的情况 电路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率： 视在功率视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI 无功功率无功功率定义为： Q=U I sinj j 功率因数功率因数l 定义为有功功率P和视在功率S的比值： 此时无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间有如下关系： 功率因数是由电压和电流的相位差j 决定的：l l =cos j j 5353（2） 非正弦电路中的情况有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍由式 定义。公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况有很大的实际意义。5454（3） 非正弦电路的有功功率 设正弦波电压有效值为U，畸变电流有效值为I，基波电流有效值及与电压的相位差分别为I1和j 1。 这时有功功率为：P=U I1 cosj j1 功率因数功率因数为： 基波因数基波因数n n =I1 / I，即基波电流有效值和总电流有效值之比 位移因数位移因数（基波功率因数）cosj j 1可见： 功率因数由基波电流相移和电流波形畸功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定的。变这两个因素共同决定的。 5555（4） 非正弦电路的无功功率定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义一种简单的定义是仿照式给出的： 这样定义的无功功率这样定义的无功功率Q Q反映了能量的流动和交换，反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受，但该定义对无功功率的目前被较广泛的接受，但该定义对无功功率的描述很粗糙。描述很粗糙。二、谐波和无功功率分析基础二、谐波和无功功率分析基础5656基波无功功率采用符号Qf，忽略电压中的谐波时有：Q f =U I 1 sinj j 1 在非正弦情况下， ，因此引入畸变功率畸变功率D D，使得： 比较式，可得： 忽略电压谐波时 这种情况下：Q Q f f为为由由基基波波电电流流所所产产生生的的无无功功功功率率，D D是是谐谐波波电电流流产生的无功功率。产生的无功功率。57573、矿井主要谐波源及谐波特性系统中产生谐波的设备即谐波源，是具有非线性特性的用电设备。谐波源按其非线性特性可分为三大内：铁磁饱和型电子开关型电弧型5858（1）低压交流调压装置595960606161（2）低压变频器6262636364643、矿井提升机矿井提升机电气传动分类直流传动6脉动变流器12脉动变流器6/12波动变流器交流传动交交变频器交直交变频器 6565A、6脉动变流器6666 三相桥式全控整流电路带阻感负载三相桥式全控整流电路带阻感负载a a= 30 = 30 时的波时的波形形ud1a = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacwtOwtOwtOwtOidiawt1uaubuc67676脉动变流器网侧电流仿真波形及频谱68686脉动变流器网侧电流实测波形及频谱6969B、12脉动变流器由两个6脉动变流器串联或并联组成，整流变压器二次侧相差30理论上讲其网侧谐波电流次数n12K1由于系统电压、阻抗不平衡及触发脉冲不平衡5、7、17、19等次谐波仍有少量存在，一般取6脉动变流器网侧谐波电流值的15%。7070C、6/12脉动变流器由两个6脉动变流器串联组成网侧谐波电流次数n6K1谐波电流的幅值随控制角而变化7171D、交交变频器7272交交变频器负载侧电压机电流波形7373交交变频器频谱网侧电流谐波特性网侧谐波电流频率fn（np1）f1mf0网侧谐波电流幅值随负载侧电流及频率而变化7474交交变频器频谱网侧电流波形及频谱（f0=0.5Hz） 7575交交变频器网侧电流波形及频谱（f0=4Hz）7676交交变频器网侧电流波形及频谱（f0=7Hz）7777E、单元串联多电平变频器、单元串联多电平变频器 7878多重化的脉宽调制输出电压波形多重化的脉宽调制输出电压波形 7979F F、双、双PWMPWM变频器变频器网侧基本无谐波网侧基本无谐波80804、矿井提升机的无功特性6 、12脉动变流器直流传动6/12顺序控制变流器直流传动，可以改善低速时的功率因素交交变频器传动功率因素略低于6 、12脉动变流器直流传动8181828283835、无功与谐波对电力系统及用户的危害84846 6、抑制谐波与改善功率因数、抑制谐波与改善功率因数1）增加整流装置的相数，选用低谐波变频器）增加整流装置的相数，选用低谐波变频器2）装设无源电力谐波滤波器）装设无源电力谐波滤波器（1）谐波抑制措施）谐波抑制措施组成：由电力电容器，电抗器和电阻器按一定方式连接而成 类型：单调谐滤波器、二阶减幅通滤波器 8585谐波治理方法介绍谐波治理方法介绍主电源Dynh3h92变压器以不同变压器以不同的方式联接的方式联接2仅限制3次和3n次谐波 h5, h7Ddy3无源无源滤波器滤波器L44只消除某几次谐波增大电力系统增大电力系统的供电容量和的供电容量和电缆、开关等电缆、开关等- - 谐波没有消除- 成本昂贵113仅削减5次和7次谐波55最有效消除谐波Accsine有源滤波器有源滤波器增加增加整流器脉冲整流器脉冲6 61212868687873）装设有源电力滤波器）装设有源电力滤波器 以实时检测的谐波电流为补偿对象，具有良好的补偿效果和通用性以实时检测的谐波电流为补偿对象，具有良好的补偿效果和通用性以实时检测的谐波电流为补偿对象，具有良好的补偿效果和通用性以实时检测的谐波电流为补偿对象，具有良好的补偿效果和通用性 q类型：类型：根据与补偿对象连接的方式不同而分为并联型并联型并联型并联型和串联型串联型串联型串联型两种 储能元件为电容的电压型电压型电压型电压型，采用电感的电流型电流型电流型电流型 8888q补偿原理补偿原理补偿原理补偿原理 设负荷电流设负荷电流设负荷电流设负荷电流i iL L是方波电流是方波电流是方波电流是方波电流（图（图（图（图a a），其中所含的高），其中所含的高），其中所含的高），其中所含的高次谐波分量为次谐波分量为次谐波分量为次谐波分量为i iHH（图（图（图（图b b）。）。）。）。有源电力滤波器如果产有源电力滤波器如果产有源电力滤波器如果产有源电力滤波器如果产生一个如图生一个如图生一个如图生一个如图c c所示的与图所示的与图所示的与图所示的与图b b所示的幅值相等、且相所示的幅值相等、且相所示的幅值相等、且相所示的幅值相等、且相位于相反的电流位于相反的电流位于相反的电流位于相反的电流i iF F, , 则则则则i iF F和和和和i iL L综合后，电源侧的电综合后，电源侧的电综合后，电源侧的电综合后，电源侧的电流流流流i iS S就变成如图就变成如图就变成如图就变成如图d d所示的所示的所示的所示的正弦波形正弦波形正弦波形正弦波形 8989（2 2）提高功率因数的措施）提高功率因数的措施 选用高功率因素变流设备安装与滤波一体化无功补偿装置安装动态无功补偿装置（SVC、TSC、SVG)9090动态无功补偿器的原理图动态无功补偿器的原理图 (a)可控饱和电抗器型；(b)自饱和电抗器型；(c)可控硅控制电抗器型；(d) 可控硅控制电抗器和可控硅投切电容器组合型9191SVC系统图 QS=QC-QB-QL=0 9292SVC控制原理V：相电压有效值L：电抗器的基波电抗（）9393工程实例9494 请提出宝贵意见！ 谢 谢9595