电能质量分析与控制4章-肖湘宁.ppt

第四章 电压波动与闪变,第一节 基本概念 一、均方根值电压的变动特性实际供电电压时刻都在变化凡不保持电压均方根值恒定不变的现象，实际电压偏离系统标称电压的现象统称为电压变动电压均方根值的离散计算公式为（4-1）式中 N－一个周期内的采样点数－第k个点的电压瞬时值，V在这里特别强调“均方根值电压”是因为在分析电压质量时，有时要与瞬时值电压超标的情况区别开来 电压瞬时值的改变可以用以下表达式描述（4-2）,,式中f (t)函数可能有各种各样的变化，由此引起的电压瞬时值的多种改变 例如，在晶闸管换流器的换相过程中电源电压波形会出现陷波，此时f (t)为工频一周期内分段出现的矩形波函数，其结果使电压瞬时值等间隔发生缺口对这种现象则以缺口的深度和宽度来进行评估 而对于f (t)为短时脉冲函数时所造成的电压幅值快速突变，一般不列入电压均方根值的变动范围均方根值电压变动特性U(t)，是指沿基波半个周期及其整数倍求取的电压均方根值随时间变化的函数关系，如图4-1所示图4-1中电动机启动结束后的稳定电压均方根值与额定电压之差的为稳态电压变动值，启动过程中相邻两点极致两点电压之差为动态电压的变动值均方根值电压变动特性也可以用相对电压变动特性d(t)来描述，图中纵坐标 在电能质量标准中，通常以标称电压的相对百分数来表示电压变动值，即,,(4-3a),,同理，将式中电压变动量替换为上述定义的变动值，可以分别给出相对稳态电压变动值 (4-3b)相对动态电压变动值 (4-3c) 相对最大电压变动值 (4-3d),,,,,均方根值电压的变动是系统运行中常出现的电压质量现象。

为此，国际电工委员会相关标准规定：在低压民用电力网中，相对电压变动值应不超过3%；相对动态电压变动值 超过3%的 持续时间不应超过200ms；相对最大电压变动 应不超过4%由第三章分析可知，系统电压质量指标是与负荷特性密切相关的其中负荷的无功功率需求的变化是引起的电压变动的主要因素，有统计分析表明，配电网系统中由于无功功率造成的电压损失约占电压总损失的65%当代电力系统中，新型的功率冲击性和波动性负荷越来越多除了上述波动性负荷引起电压变动这一常见原因外，电压变动特性还与配电系统自身的无功功率补偿设备投切控制，开关操作以及线路故障等许多因素有关二 典型的电压变动现象,为了对电力系统运行过程中可能出现的各种典型电压变动分别予以分析，通常还会根据电压变动的快慢，变动的大小，变动的频次以及持续时间的长短等特征做进一步的细化分类，常见的有以下五种： 1、电压偏差 在一定的电力系统运行条件下，由于总负荷或部分负荷人的运行状态与特性的改变，以及变压器分接头调整和电容器电抗器投入或切除等,,原因，负荷所需无功功率与配电系统提供的无功功率不平衡，从而导致供电电压出现持续性的逐渐偏离标称电压的情况。

通常以实测电压与标称电压相对差值的百分数来计算电压偏差的大小，即 电压偏差=（实测电压-标称电压）/标称电压% (4-4) 这种电压均方根值的相对缓慢变动也称为长期电压变动或稳态电压变动，通常电压偏差的变动范围在正负10%以内在实际评价电压偏差水平时一般规定取一段时间内电压变动的概率统计值，如一周内95%的10min平均电压水平是否超过标准规定的允许值指标若将其与电压正偏差和负偏差允许值作比较，还将电压偏差进一步分为欠电压和过电压,,2、电压波动 相对电压偏差而言，电压波动也成为快速电压波动或动态电压波动电压波动常用相对电压变动量来描述，电压波动取值为一系列电压均方根值变化中的相邻两个极致之差与标称电压的相对百分数，即 (4-5),,,以d的大小作为电压波动的量度，为了区分电压波动和电压偏差，在国家电能质量标准特别对电压的波动性给出了定义，即均方根值电压的变化速率不低于0.2%每秒3、电压暂降与暂升 当系统发生短路故障或由于大容量设备启动等，可能造成远方供电母线电压迅速下降，并且跌幅较大，后随即回升，恢复至标称电压的允许值范围，其典型持续时间为0.5-30周波，下降幅度为标称电压的90%--10%。

这种现象又称为短时欠电压反之，由于其他相发生短路故障或由于甩负荷等，造成该相电压骤然升高，后随即下降恢复到标称电压允许范围，称为电压暂升4、短时间电压中断 当系统发生短路故障时，故障点保护动作，供电端电压迅速下降，其均方根值跌至小于0.1p.u.，经过一段时间后重合闸动作成功，重新恢复供电电压至标称电压允许范围，这个过程称为一次短时间电压中断 从表1-2我们注意到，按照典型持续时间长短，上述电压暂降/暂升还可进一步划分为瞬时，暂时和短时三种情况，短时间电压中断可以划分为暂时和短时两种情况这种短时间突然电压变动现象是近年来国际电工届和工程界十分关注的5、长时间电压中断 由于各种原因，供电电压迅速下降跌至0且长时间不能恢复的现象，称为长时间电压中断，是电压变动的一种极端情况，这种持续性的长时间电压中断现象与电压变动情况有本质的区别第二节 电压波动,一 电压波动的含义 电压波动定义为电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象其变化周期大于工频周期 配电系统中，这种电压波动现象有可能多次出现，变化过程可能是规则的，不规则的，亦或是随机的电压波动的图形也是多种多样的，如跳跃形，斜坡形或准稳态形等。

为了便于对不同的电压波动过程采用不同的评价,电压波动图形整合为四种形式：,,为了更具体的描述电压波动的特征，我们把一系列电压波动中的相邻两个极值之间的变化成为一次电压波动，其波动大小可由式(4-3)计算得到 为了更形象的了解电压波动的过程，实际上可在波动负荷的一个工作周期或规定的一段检测时间内，沿时间轴对被测电压每半个周期求得一个均方根值并按时间轴顺序排列，即可形象的看到连续的电压波动的包络线图形,称为电压均方根值曲,,线U (t)，见图4-3 (a)当以系统标称电压的相对百分数表示时，电压波动随时间变化的函数转换为相对电压的变动特性d (t)若将图4-3 (a)中的包络线提取出来，它将表示调幅波变化曲线，如图4-3 (b)所示为了直观了解电压的波形变化，见图4-4 (a)示意性地给出了被观察电压瞬时值的包络线图形为分析方便且又不失一般性，常抽象的将恒定不变的工频电压看作载波，将波动电压看作调幅波，见图4-4 (b)中所示的虚线表示工频载波电压,,峰值的平均电平线，若以此为零轴，该图中波形反应了低频正弦调幅波的变化前面已经指出，电压波动发生的次数是分析电压均方根值变化特性的另一个重要指标。

我们把单位时间内电压变动的次数称为电压变动频率r，一般以时间的倒数作为频度的单位国家电能质量标准规定，电压由大到小或由小到大的变化各算一次变动同一方向的若干次变动，如果变动间隔小于30ms，则算一次变动，例如图4-4(b)中所示的10Hz正弦调幅波电压波形曲线，其电压波动值为调幅波的峰谷差值，变动频度为20次/s因此不难看出，连续电压波动的频度为调幅基波频率 的2倍，常用关系式为(4-6),,,二 波动性负荷对电压特性的影响引起电压波动的原因是多种多样的，配电系统发生的短路故障或开关操作，或者是无功功率补偿装置、大型整流设备的投切均能导致供电电压波动但是，频繁发生且持续时间较长的电压波动更多是由功率冲击性波动负荷的工作状态变化所致由于波动性负荷的功率因数低，无功功率变动量也相对较大，并且其功率变化的过程快，因此在实际运行中可以认为波动性负荷是引起供电电压波动的主要原因,,根据用电设备的工作特点和对电压特性的影响，波动性负荷可分为两大类型：由于频繁启动和间歇通电时常引起电压按一定规律周期变动的负荷例如，轧钢机和绞车，电动机，电焊机等引起供电点出现连续的不规则的随机电压变动的负荷。

例如，炼钢电弧炉等以下针对波动型负荷的三种典型接线方式，分别谈论它们对电压特性影响的基本关系式，并给出电压波动值的简化计算方法1三相平衡负荷,,三相平衡负荷的供电系统可简化为等效单线图，如图4-5所示其中 为系统等值阻抗， 为负荷阻抗，为供电系统的无限大电源母线电压，为负荷电流，P+jQ为负荷的复功率习惯上规定，当滞后时，负荷阻抗角 >0利用式 (3-6)，并作进一步推导后，我们可以得到用户侧供电电压波动量近似表达式,,,,,,,(4-7)，,,并且还知道，电压波动大小与各参量的关系式为 (4-8)， 由式(4-8)还可以得到供电 相对电压波动值d的精确计算公式 (4-9)， 进一步简化推导有 (4-10) 由(4-10)可以清楚的了解到，电压波动值与负荷的无功功率变动量成正比，与公共连接点的短路容量成反比这是计算电压波动的基本关系,,,,,式它从物理意义上反应了供电电压发生变动的根本原因。

以上分析也知，我们可以利用已有的电参量比较精确的计算和评价波动性负荷对供电电压的影响在工程实际应用中，可以通过适当的处理使计算机更简便实用，并且还可以进一步利用简化计算对将要连接到供电系统中的波动性负荷对公共连接点的电压反作用进行预测估算具体方法如下：,,已知PCC处的短路容量计算公式 (4-11) 式中 ----PCC处的短路电流 式(4-11)还可以表示为 (4-12) 假定系统阻抗电压降相对于系统标称电压很小时，供电电流变化也可用接入的负荷容量(视在功率)的变化量 来表示时，可以写出 (4-13),,,,,,,由式(4-12) (4-13)我们可以得到相对电压波动值d的计算公式 (4-14),,,(4-15),2接于二相间的单相负荷如果三相三线制系统中，负荷连接在两相之间 (简化电路如图4-6所示)时，公共连接点三相短路容量仍然为 用户接入的负荷功率的变化量可表示为 (4-16),,,,,同样，假定系统阻抗上的电压降相对较小，可用下式近似计算电压变动量 (4-17),,,利用式(4-12) (4-16) (4-17)，改写得到现对电压波动值d 的计算公式 (4-18) 另外，可利用对称三相系统中两相间接线的相量关系，进一步确定每一相电压的变动量。

例如，计算B相电压变动量 (4-19a) 或者表示为 (4-19b),,,,,将式 (4-18)代入并整理后，可以得到B相电压波动值d 的计算公式 (4-20) 以此类推，我们还可以得到另一相电压变动量的计算公式 3单相负荷(供电系统简化电路如图4-7所示) 图中负荷电流可由供电电压和负荷阻抗确定 (4-21),,,,,此时单相负荷的容量可以由以下公式计算或 (4-22b) 已知系统阻抗上的电压降为 (4-23) ；利用公式 (4-12)， (4-22)， (4-23) 推导整理后，可以得到相对电压波动的计算公式,。