1 電能質(zhì)量的定義
電能質(zhì)量是指通過(guò)公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的質(zhì)量。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、標(biāo)準(zhǔn)正弦波和額定電壓對(duì)用戶供電。同時(shí)，在三相交流系統(tǒng)中，各相電壓和電流的幅值大小應(yīng)相等、相位對(duì)稱且相差120度。但由于系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器和線路等設(shè)備非線性或不對(duì)稱、負(fù)荷性質(zhì)多變，加之調(diào)控手段不完善及運(yùn)行操作、外來(lái)干擾和各種故障等原因，這種理想狀態(tài)并不存在。因此，產(chǎn)生了電網(wǎng)運(yùn)行電力設(shè)備和供用電環(huán)節(jié)中的各種問(wèn)題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量的概念，圍繞電能質(zhì)量含義，從不同角度理解通常包括：
（1）電壓質(zhì)量：是以實(shí)際電壓與理想電壓的偏差，反映供電企業(yè)向用戶供應(yīng)的電能是否合格的概念。這個(gè)定義能包括大多數(shù)電能質(zhì)量問(wèn)題，但不能包括頻率造成的電能質(zhì)量問(wèn)題，也不包括用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響和污染。
（2）電流質(zhì)量：反映了與電壓質(zhì)量有密切關(guān)系的電流的變化，是電力用戶除對(duì)交流電源有恒定頻率、正弦波形的要求外，還要求電流波形與供電電壓同相位以保證高功率因素運(yùn)行。這個(gè)定義有助于電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善和降低線損，但不能概括大多數(shù)因電壓原因造成的電能質(zhì)量問(wèn)題。
（3）供電質(zhì)量：其技術(shù)含義是指電壓質(zhì)量和供電可靠性，非技術(shù)含義是指服務(wù)質(zhì)量。包括供電企業(yè)對(duì)用戶投訴的反映速度以及電價(jià)組成的合理性、透明度等。
（4）用電質(zhì)量：包括電流質(zhì)量與反映供用電雙方相互作用和影響中的用電方的權(quán)利、責(zé)任和義務(wù)，也包括電力用戶是否按期、如數(shù)交納電費(fèi)等。
總之，上述定義都是將電能質(zhì)量與用戶的需求相聯(lián)系，即解決電能質(zhì)量問(wèn)題，就是保證系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行并提供給用戶所需要的質(zhì)量水平的電能。
2 電能質(zhì)量重要指標(biāo)
電能質(zhì)量指標(biāo)主要包括:頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、暫時(shí)或瞬態(tài)過(guò)電壓、波形畸變、電壓暫降與短時(shí)間中斷以及供電連續(xù)性等。
2.1 電壓偏差
(1) 定義：
供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下，某一節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓與系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓之差對(duì)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
確定允許電壓偏差是一個(gè)綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，允許的電壓偏差小，有利于用電設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，但須為此在電網(wǎng)中增添更多的無(wú)功電源和調(diào)壓設(shè)備，需要更多的投入。反過(guò)來(lái)，如果擴(kuò)大用電設(shè)備對(duì)電壓的適應(yīng)范圍，提高設(shè)備在這方面的性能往往也需增加設(shè)備的投資。供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷時(shí)刻發(fā)生著變化，系統(tǒng)的運(yùn)行方式也經(jīng)常改變，系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓隨之發(fā)生改變，會(huì)偏離電壓標(biāo)稱值。電壓的這種變化是緩慢的，其每秒電壓變化率小于標(biāo)稱電壓的1%。供電電壓允許偏差是電能質(zhì)量的一項(xiàng)基本指標(biāo)，合理確定該偏差對(duì)于電氣設(shè)備的制造和運(yùn)行，對(duì)于電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)都有重要意義。系統(tǒng)無(wú)功功率不平衡是引起系統(tǒng)電壓偏差的根本原因，無(wú)功功率越嚴(yán)重，電壓偏差越大。另外供配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不合理也能導(dǎo)致電壓偏差。供配電線路輸送距離過(guò)長(zhǎng)，輸送容量過(guò)大，導(dǎo)致截面過(guò)小等因素都會(huì)加大線路的電壓損失，從而產(chǎn)生電壓偏差。
(2) 電壓偏差過(guò)大所產(chǎn)生的危害:
①對(duì)用電設(shè)備的危害：當(dāng)電壓偏離標(biāo)稱電壓較大時(shí)，用電設(shè)備的運(yùn)行性能惡化，不僅運(yùn)行效率降低，還可能由于過(guò)電壓或過(guò)電流而損壞。例如，當(dāng)電壓高于標(biāo)稱電壓5%時(shí)，白熾燈的壽命會(huì)減少30%，當(dāng)電壓高于標(biāo)稱電壓10%時(shí)，白熾燈的壽命會(huì)減小一半，從而使白熾燈的損壞數(shù)量大大增加，當(dāng)電壓低于標(biāo)稱電壓的5%時(shí)，白熾燈的光通量減少18%。當(dāng)電壓低于標(biāo)稱電壓10%時(shí)，光通量減少30%，從而使照度顯著降低。電壓過(guò)低或過(guò)高都會(huì)使電動(dòng)機(jī)的溫升增加，若電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于較大的電壓偏差下運(yùn)行，就可能燒壞電動(dòng)機(jī)繞組，使繞組絕緣老化而縮短電動(dòng)機(jī)的壽命。由于許多家用電器內(nèi)部都裝有動(dòng)力裝置，也即是各種類型的電動(dòng)機(jī)，電壓偏差過(guò)大同樣會(huì)影響它們的使用效率和壽命，嚴(yán)重影響人們的正常生活。
② 對(duì)電網(wǎng)的危害: 輸電線路的輸送功率受功率穩(wěn)定極限的限制，而線路的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限近似與線路的電壓平方成正比。系統(tǒng)運(yùn)行電壓偏低，輸電線路的功率極限大幅度降低，可能產(chǎn)生系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率崩潰，造成系統(tǒng)解列。如果電力系統(tǒng)缺乏無(wú)功電源，可能產(chǎn)生系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致電壓崩潰。
（3）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：
GB12325-90<<電能質(zhì)量-供電電壓允許偏差>>中規(guī)定：35kV及以上供電電壓正負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過(guò)額定電壓的10%；10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%；220kV單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%，-10%。
2.2 電壓波動(dòng)
(1) 定義：
電壓波動(dòng)定義為電壓均方根一系列相對(duì)快速變動(dòng)或連續(xù)改變的現(xiàn)象，其變化周期大于工頻周期。電壓波動(dòng)值為相鄰電壓方均根的兩個(gè)極限值Umax和Umin之差△U，常以其標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)表示其相對(duì)百分值:
在配電系統(tǒng)運(yùn)行中，這種電壓波動(dòng)現(xiàn)象有可能多次出現(xiàn)，變化過(guò)程可能是規(guī)則的、不規(guī)則的，亦或是隨機(jī)的。在波動(dòng)負(fù)荷中，以電弧爐引起的電壓波動(dòng)最為嚴(yán)重。多數(shù)國(guó)家在制定的電壓波動(dòng)與閃變標(biāo)準(zhǔn)中的條款是針對(duì)電弧爐負(fù)荷設(shè)定的。同時(shí)電弧爐造成的供電電壓波動(dòng)對(duì)用電設(shè)備和系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響主要決定于波動(dòng)值的大小和變動(dòng)的頻度。
(2) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：
GB12326-2000<<電能質(zhì)量-電壓允許波動(dòng)和閃變>>中規(guī)定：在公共供電點(diǎn)的電壓波動(dòng)允許值如下：10kV及以下為2.5%，35kV—110kV為2%，220kV及以上為1.6%。
2.3 電壓閃變
(1) 定義：
閃變是經(jīng)過(guò)燈－腦－眼環(huán)節(jié)反映人對(duì)照度的主觀視感。為更為本質(zhì)地描述燈－腦－眼環(huán)節(jié)的頻率特性，IEC推薦引入視感度系數(shù)K（?）:
電壓閃變通常是以白熾燈的工況作為判斷。在所有低頻成份中，人眼對(duì)8.8Hz的電壓波動(dòng)最為敏感。因此，IEC標(biāo)準(zhǔn)以S＝1(S為瞬時(shí)閃變視覺(jué)度)為察覺(jué)單位，對(duì)1/2以下的低頻成分以8.8Hz為標(biāo)準(zhǔn)作歸一化處理，通過(guò)S=1下的電壓波動(dòng)頻率、電壓波動(dòng)及視覺(jué)系數(shù)之間的關(guān)系將不同頻率下的低頻電壓波動(dòng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)特定頻率(如8.8Hz)的電壓波動(dòng)，以該特定頻率電壓波動(dòng)的限值作為判斷是否發(fā)生閃變的標(biāo)準(zhǔn)，大于該限值則判斷為發(fā)生了閃變；反之則沒(méi)有，閃變與電壓波動(dòng)有著直接的關(guān)系,但由于引起閃變的某些量值難以量化，而且它還需要對(duì)電壓波動(dòng)(調(diào)幅波)頻譜分析度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。因此，對(duì)閃變的計(jì)算遠(yuǎn)遠(yuǎn)比計(jì)算電壓波動(dòng)要復(fù)雜得多。到目前為止還沒(méi)有準(zhǔn)確計(jì)算閃變的公式。
(2) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：
GB12326-2000<<電能質(zhì)量-電壓允許波動(dòng)和閃變>>中規(guī)定，對(duì)照明要求高的白熾燈負(fù)荷為0.4%，對(duì)于一般性的照明負(fù)荷為0.6%。
2.4 頻率偏差
(1) 定義：
頻率偏差是指在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下，系統(tǒng)頻率的實(shí)際值與標(biāo)稱值(50Hz6OHz，我國(guó)采用5OHz標(biāo)準(zhǔn))之差。用公式表示為:
頻率是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,系統(tǒng)負(fù)荷特別是發(fā)電廠廠用電負(fù)荷對(duì)頻率的要求。要保證用戶和發(fā)電廠的正常運(yùn)行就必須嚴(yán)格控制系統(tǒng)頻率，使系統(tǒng)的頻率偏差控制在允許范圍之內(nèi)。允許頻率偏差的大小不僅體現(xiàn)了電力系統(tǒng)運(yùn)行管理水平的高低，同時(shí)反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)達(dá)的程度。
(2) 頻率偏差過(guò)大所產(chǎn)生的危害:
① 對(duì)用電負(fù)荷: 工業(yè)企業(yè)所使用的用電設(shè)備大多數(shù)是異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率有關(guān)，系統(tǒng)頻率變化將引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量,降低勞動(dòng)生產(chǎn)率。電動(dòng)機(jī)的輸出功率與系統(tǒng)頻率有關(guān)，系統(tǒng)頻率下降使電動(dòng)機(jī)的輸出功率降低，從而影響所傳動(dòng)機(jī)械的出力,使電子設(shè)備不能正常工作，甚至停止運(yùn)行,而電子設(shè)備對(duì)系統(tǒng)頻率非常敏感，系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定會(huì)影響這些電子設(shè)備的工作特性，降低準(zhǔn)確度，造成誤差。
② 對(duì)電力系統(tǒng): 降低發(fā)電機(jī)組效率，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)系統(tǒng)頻率崩潰或電壓崩潰。汽輪機(jī)在低頻下運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生葉片共振，造成葉片疲勞損傷和斷裂，處于低頻率電力系統(tǒng)中的異步電動(dòng)機(jī)和變壓器其主磁通會(huì)增加，系統(tǒng)所需無(wú)功功率大為增加，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓水平降低，給系統(tǒng)電壓調(diào)整帶來(lái)困難。無(wú)功補(bǔ)償用電容器的補(bǔ)償容量與頻率成正比，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí)，電容器的無(wú)功出力成比例降低，不利于系統(tǒng)電壓的調(diào)整，使感應(yīng)式電能表的計(jì)量誤差加大。
(3) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：
我國(guó)電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率為50Hz，GB/T15945-1995<<電能質(zhì)量-電力系統(tǒng)頻率允許偏差>>中規(guī)定，電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為±0.2Hz，當(dāng)系統(tǒng)的容量較小時(shí)，偏差值可以放寬到0.5Hz，標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有說(shuō)明系統(tǒng)容量大小的界限。在<<全國(guó)供電規(guī)則>>中規(guī)定“供電局供電頻率允許的偏差”：電網(wǎng)容量在300萬(wàn)千瓦以上者為±0.2Hz，電網(wǎng)容量在300萬(wàn)千瓦以下者為±0.5Hz。實(shí)際的運(yùn)行中，從各大電力系統(tǒng)看都保持在不大于±0.1Hz范圍內(nèi)。
2.5 電網(wǎng)諧波
(1) 定義：
諧波的國(guó)際公認(rèn)定義是:“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。諧波的一個(gè)重要指標(biāo)就是總諧波畸變率(THD)，定義為畸變波形因諧波引起的偏離正弦波形的程度。用公式表示為:
式中：THDh－電壓總諧波畸變率；Uh－各次諧波均方根值；U1－基波均方根值；M－所考慮的諧波最高次數(shù)，由波形的畸變程度和分析的準(zhǔn)確度要求來(lái)決定，通常取≤50。
(2) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：
GB/T14549-93<<電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)頻率諧波>>中規(guī)定：6—220kV各級(jí)公用電網(wǎng)電壓（相電壓）總諧波畸變率是：0.38kV為5.0%，6—10kV為4.0%，35—66kV為3.0%，110kV為2.0%；用戶注入電網(wǎng)的諧波電流允許值應(yīng)保證各級(jí)電網(wǎng)諧波電壓在限值范圍內(nèi)，所以國(guó)標(biāo)規(guī)定各級(jí)電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的電壓總畸變率是：0.38kV為2.6%，6—10kV為2.2%，35—66kV為1.9%，110kV為1.5%。對(duì)220kV及其以上其供電的電力用戶參照本標(biāo)準(zhǔn)110kV執(zhí)行。
2.6 三相電壓不平衡度
(1) 定義：
電力系統(tǒng)在正常的運(yùn)行方式下，電量的負(fù)序分量均方根之與正序分量均方根值之比。
式中：U1為三相電壓正序分量的均方根值；U2為三相電壓負(fù)序分量的均方根值。
電力系統(tǒng)的三相不平衡(或?qū)ΨQ)是由于三相負(fù)載不平衡(或?qū)ΨQ)以及系統(tǒng)元件參數(shù)的不對(duì)稱所致。在研究不對(duì)稱的三相電力系統(tǒng)時(shí)，廣泛使用對(duì)稱分量法，即將任何一組不對(duì)稱的三相相量(電壓或電流)分解成相序各不相同的三相對(duì)稱的三相相量。三相電源電壓畸變不對(duì)稱時(shí)，對(duì)于三相四線制電路，電壓中除含有諧波分量外，還含有正序、負(fù)序、零序分量。對(duì)于三相三線制電路，只含有正、負(fù)序分量。電力系統(tǒng)三相不平衡可以分為事故性不平衡和正常性不平衡兩大類。事故性不平衡由系統(tǒng)中各種非對(duì)稱性故障引起，比如單相接地短路、兩相接地短路或兩相相間短路等。而電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，供電環(huán)節(jié)的不平衡或用電環(huán)節(jié)的不平衡都將導(dǎo)致電力系統(tǒng)的三相不平衡。
(2) 三相不平衡所產(chǎn)生的危害：
① 對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī): 電動(dòng)機(jī)的負(fù)序電抗很小，所以負(fù)序電壓產(chǎn)生的負(fù)序電流很大，使電動(dòng)機(jī)的銅損增加。銅損的加大不僅使電動(dòng)機(jī)效率降低，同時(shí)使電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，導(dǎo)致絕緣老化過(guò)程加快。
② 對(duì)變壓器：變壓器處于不平衡負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，變壓器容量得不到充分利用。研究表明，變壓器工作在標(biāo)稱負(fù)載下，當(dāng)電流不平衡度為10%時(shí)，變壓器絕緣壽命約縮短16%。
③ 對(duì)換流器：三相不平衡使換流器的觸發(fā)角不對(duì)稱，換流器將產(chǎn)生較大的非特征諧波。非特征諧波電流的出現(xiàn)對(duì)換流器的諧波治理提出了更高的要求，直接導(dǎo)致?lián)Q流器總投資的加大。
(3) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：
GB/T15543-1995<<電能質(zhì)量-三相允許不平衡度>>中規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為2%。短時(shí)不得超過(guò)4%，標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定對(duì)每個(gè)用戶電壓不平衡度的一般限值為1.3%。
2.7 暫態(tài)指標(biāo)
評(píng)估電能質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)除了以上幾節(jié)中介紹的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)之外，還有暫態(tài)指標(biāo)，主要有電壓暫升、電壓暫降、瞬時(shí)間斷、暫時(shí)過(guò)電壓、瞬態(tài)過(guò)電壓、脈沖等等。其中，由于變頻調(diào)速設(shè)備、可編程邏輯控制器、各種自動(dòng)化生產(chǎn)線以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等敏感性用電設(shè)備的大量使用，電壓暫降(凹陷、跌落)與短時(shí)斷電(間斷)問(wèn)題引起了有關(guān)部門和研究人員的重視，國(guó)內(nèi)外不少專家學(xué)者認(rèn)為這一問(wèn)題已上升為當(dāng)前最重要的電能質(zhì)量問(wèn)題之一，許多國(guó)家已開(kāi)展了電壓暫降的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工作。電壓暫降和電壓短時(shí)間中斷通常是相關(guān)聯(lián)的電能質(zhì)量問(wèn)題，發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)80年代初就開(kāi)始研究電壓跌落并取得大量的應(yīng)用成果。
