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电能质量对电网安全的影响及应对措施

文档作者：占勇1 程浩忠2 文档来源： 1.安徽省电力科学研究院 2.上海交通大学电气工程系		点击数：	更新时间： 2021年06月22日
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􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀A H I E EC IC E
第25 卷第3 期
2008 年9 月
电能作为现代工业发展的基石，其质量标准
是与工业发展的阶段密切相关的􀀀在电力工业发
展相当长的一段时间内，由于负荷的特性，电能质
量问题显得并不尖锐，大多数用户因其自身发展
的需要注重对电能"量"的要求，对"质"的要求相
对较低，电力系统中许多机电设备都能在电能参
量相对较大的变化范围内正常地工作􀀀但是随着
科学技术的发展，特别是在近2 0 年，社会进入飞
速发展的电子时代：生产自动化􀀀数字化和集成化
程度不断加强；精密电子设备，如机器人􀀀计算机
的广泛应用和家用电器日益普及；基于计算机􀀀微
处理器控制的用电设备和电力电子设备在系统中
大量投入使用􀀀这类以电子控制为特点的负荷对
系统干扰比机电设备更加敏感，因此对供电质量
的要求也更高，即不论系统是处于正常稳态还是
故障暂态，均需保证幅值偏差很小（如只允许在额
􀀀􀀀定值的 10 或更小的范围内波动）的基波正弦电
力的可使用性，哪怕几个周波的供电中断或电压
跌落都将影响这些设备的正常工作，造成巨大的
损失􀀀
电能质量的恶化对电网本身的安全性也会带
来严重的危害􀀀本文从电能质量定义􀀀电能质量问
题的特点􀀀电能质量对电网安全的危害和应对措
施四个方面阐述电能质量问题和对电网安全的影
响及应对措施􀀀
1 电能质量定义
电能质量可用电网谐波􀀀电压波动和闪变􀀀三
相不平衡度等指标来表示􀀀在我国，电能质量问题
主要包括以下几个方面：频率􀀀供电电压允许偏
差􀀀谐波􀀀电压波动和闪变􀀀三相电压不平衡􀀀暂时
过电压􀀀和􀀀瞬态过电压，对此都有相应的国标1-6􀀀
IEC 标准对电能质量的定义为，电能质量是指
供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使
用电力的物理特性􀀀最严重的电能质量问题是电
压跌落和电压完全中断􀀀
􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀IEEE协调委员会对电能质量（ ）
的技术定义为，合格的电能质量是指给敏感设备
提供的电力和设置的接地系统均是适合该设备正
常工作的􀀀IEEE 第2 2 标准协调委员会和其它国
际委员会最新采用十一种指标来衡量电能质量，
可以分为下述三大类􀀀
􀀀􀀀􀀀电压幅值
1.1.1 断电
在一定时间内，一相或多相完全失去电压（低
电能质量对电网安全的影响及应对措施
Power Qualit y’s Effects on Power Grid and Countermeasur es to be Taken
占勇1 程浩忠2
（1.安徽省电力科学研究院安徽合肥230022；2.上海交通大学电气工程系上海200240）
摘要：随着电网电能质量污染问题的日益加剧，电能质量对电力用户的影响已逐渐受到关注，但电能质量对电网本身安全
性的影响缺乏足够的重视􀀀文中概述了电能质量的定义和特点，概括了电能质量对电网安全的诸多影响，并提出了应对措
施􀀀
关键词：电能质量；电网；安全
Abstra ct: With the deterioration of power quality in power system，more and more attention has been paid to its
interferences for power consumers，but the power quality itself effected to power grid can not be noticed. The paper reviews
power quality’s definition and characteristics，summarizes its effects on the power grid and puts forward some
countermeasures for the problem.
Keywords: power quality；power gird；safety
􀀀安全生产􀀀
16
􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀A
第25 卷第3 期
2008 年9 月
􀀀􀀀于0.1 . .）􀀀按持续时间长短分为：
􀀀􀀀瞬时断电 0.5 周期 3
􀀀􀀀􀀀暂时断电 3 60
􀀀持续断电 60 以上
1 .1.2 电压跌落
􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀持续时间 0.5 周期 1 ，幅值 0.1 . . 0.9
􀀀􀀀. .􀀀系统频率为标称值􀀀
电压跌落是最常见的电压质量问题􀀀根据贝
尔实验室的研究表明，雷击引起的绝缘子闪络或
线路对地放电是造成系统电压跌落或供电中断的
主要原因之一􀀀由于电力系统暴露在大自然中，在
雷雨季节的多雷地区，极易受到雷击干扰，因雷击
而引起的电压跌落次数有的约占总次数的60􀀀，
并且持续时间一般超过5 个周波，所以在方圆几
千平方公里内的任意处的雷击都将会影响该区域
内的任一敏感负荷的正常􀀀安全运行􀀀系统故障是
引起电压跌落和供电中断的又一主要原因，目前
配电系统中的线路主保护是电流保护，该保护最
大的缺陷是线路中相当大部分区域上的故障不能
无时延地予以切除􀀀此外，即使无时延保护，从监
测到故障再到断路器断开，目前最快也需要3 至6
个周波，因此在故障期间，当在故障线路及其附近
线路上接有敏感负荷时，将会因电压跌落而被跳
闸退出工作􀀀另外，当保护动作后伴随着重合闸
时，由此而引起的电压跌落次数将成倍数增加􀀀除
此以外很多电力设备（包括：电动机􀀀压缩机􀀀升降
机􀀀工作工具）启动对电源的冲击电流也是引起电
压跌落的主要原因之一􀀀在系统无功功率需求过
大的时候，远方的用户通常将面临一种持续性的
电压下降过程；一个典型的例子就是在炎热的夏
季，当空调使用达最高峰时，经常会引起持续低
压，使得空调不能正常运转或者引起其它电器的
不正常工作甚至损坏􀀀
电压跌落作用在计算机系统上的后果会导致
键盘冻结和系统意外崩溃，最终结果是数据丢失􀀀
电压降低还会减少电气设备尤其是电动机的效率
和使用寿命􀀀
1 .1.3 电压浪涌
􀀀􀀀􀀀􀀀电压持续时间为0.5 周期 1 ，幅值为1.1
􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀. . 1.8 . .􀀀
电压浪涌主要是由于高电压电动机停止运
行，在电力系统发生震荡的时候也可能有电压浪
涌发生􀀀持续性的电压过高主要发生在用电较少
的夜晚或大负荷没有投入运行的休息日􀀀和电压
尖峰一样，系统过电压是对用电设备过电压承受
能力的巨大考验，当系统电压超过用电设备设计
的最大电压范围时，通常会造成用电器的损坏，
即使没有超过电压允许范围，电器设备长期承受
过高的电压对于使用寿命和可靠性都会有不利
的影响􀀀
1.1.4 瞬时脉冲
在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发
生的电压（电流）变化􀀀可以是任一极性的单方向
脉冲，也可以是发生在任一极性的阻尼振荡波的
第一个尖峰􀀀
1.1.5 电压波动与闪变
电压波动是在包络线内电压的有规则变动，
􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀或是幅值不超出 0.9 . . 1.1 . 范围的一系列随
机变化􀀀闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影
响􀀀
1.1.6 电压切痕
电压切痕是一种持续时间小于0.5 个周期的
周期性电压扰动􀀀
1.1.7 过电压
􀀀􀀀􀀀电压或电流持续时间大于1 ，幅值为1.1
􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀. . 1.2 . .􀀀
1.1.8 欠电压
􀀀􀀀􀀀电压或电流持续时间大于1 ，幅值为0.8
􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀. . 0.9 . .􀀀
􀀀􀀀􀀀电压波形
1.2.1 谐波
含有基波整数倍频率的正弦电压􀀀
1.2.2 间谐波
含有基波非整数倍频率的正弦电压，也包括
小于基波频率的分数次谐波􀀀
电压谐波由很多因素及现象引起，包括雷击􀀀
开关负载􀀀发电机􀀀无线电发射机及工业设备的使
用􀀀可以是间歇的，也可以是长期的电压谐波的危
害很大，各种频率成分的谐波会干扰电器设备的
正常运行，扰乱程序的正常执行􀀀高频电场干扰还
可能转化为高频的电磁场干扰而影响其它用电设
备，对于工业控制􀀀计算机􀀀通信等设备的危害都
非常明显􀀀
􀀀􀀀􀀀频率偏差
17
􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀A C C
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2 电能质量问题的特点
电能质量问题，不仅仅是对数学模型的精确
描述，由于电能的特殊性，它有以下几个特点：
（1） 动态性􀀀电能从发电生产到用户消耗是
一个整体，其流动始终处于动态平衡中，并且随着
电网结构和负荷的改变而不断变换􀀀在整个电力
系统中，不同时刻􀀀不同地点，电能质量指标往往
是不同的，电能质量始终处在动态变换中􀀀
（2） 相关性􀀀电能不易大量存储，其生产􀀀输
送􀀀分配和转换过程直至消耗几乎是同时进行的􀀀
当系统处在各种运行状态时，电能质量一旦超标，
相关的设备定会受到不同程度的影响􀀀
（3） 传播性􀀀电力系统是一个复杂的网络，为
电能的传播提供了最好的传输途径􀀀电能传播速
度快，电气污染波及面大，会大大降低相连系统的
电能质量􀀀
（4） 潜在性􀀀电能质量的扰动复杂多变，事故
的诱发条件复杂，其质量的下降造成对系统用电
设备的损害有时并不立即显现，为安全运行留下
隐患􀀀
（5） 复杂性􀀀电能质量的多指标性作用于同
一个系统时，如何综合给出电能质量的评判标准
是非常困难的；目前尚没有一个准确和普遍认可
的定量评估计算方法􀀀
（6） 整体性􀀀保证电能质量要靠多方的努力，
因此要求电力供应方􀀀电力使用方􀀀设备制造商等
共同协作，制订统一和可操作的适度质量标准或
单独的供电质量协议，或者按照电力用户对电能
质量的不同要求实行分级控制和管理􀀀
3 电能质量对电网安全的影响
电能质量问题对电力系统安全的影响可以从
一次和二次系统分别加以分析􀀀对于一次系统，电
能质量问题会恶化系统设备的运行工况，直接威
胁系统的安全运行；譬如，谐波可能引起谐振，谐
振高电压加在电容器两端，因为高次谐波对电容
器的阻抗很小，所以电容器容易因过负荷而击穿􀀀
高次谐波电流流过变压器，使变压器的铁心损耗
增加；高次谐波电流流入电动机，不仅铁心损耗增
加，而且使转子发生振动，严重影响机械加工质
量􀀀高次谐波使电力系统发生电压谐振，在线路上
引起过电压，会击穿设备绝缘􀀀负序和谐波对发电
机不仅有热效应，产生局部发热，而且会使发电机
组产生振动，并伴有噪音，严重威胁机组的安全稳
定运行􀀀对于二次系统，当电能质量问题威胁到系
统设备的安全运行时，二次系统的保护部分会自
动使系统设备退出运行，从而会引发一些不可预
料的结果；另一方面，电能质量问题可能会使保护
装置发生误动􀀀拒动等问题，从而对电力系统的安
全稳定运行造成严重的后果􀀀
电能质量引起的安全稳定性事故在国内外屡
见不鲜􀀀1989 年3 月，由于加拿大魁北克系统中地
磁感应电流导致系统主变压器饱和并产生大量谐
􀀀􀀀􀀀􀀀波，造成 C电容器组过载， C 保护动作，系统
电压失稳，进而导致整个魁北克系统崩溃；19 91
年，在意大利阿尔卑斯山地区，发生两次类似电力
􀀀􀀀事故，一次是一个2 直流驱动的双缆滑雪缆
道工程的验收测试时，引起电网瘫痪，原因是当地
􀀀􀀀20 电网容量相对较小，谐波电流引起 18% 的电
压畸变；在美国，中西部电网也曾有过负载为谐波
含量较高的调速系统，虽没有超过额定容量，仍引
起主变压器投切失败的报道􀀀
在国内，除神朔电气化铁道引起附近发电厂
停机外，上个世纪八十年代湖北黄石的大冶钢厂
在生产过程中引起附近发电厂机组剧烈震动；甘
􀀀􀀀肃白银供电局所属110 变电站供电的电气化
􀀀􀀀铁道运行中，由于产生11 次谐振，引起110 母
线电压畸变4% 左右，1 1 次谐波电压含量达2.2% 􀀀
上个世纪九十年代，河南省信阳及驻马店地
􀀀􀀀区由于 220 计驻Ⅱ线高频相差保护跳闸，引起
􀀀􀀀了一次大面积停电事故􀀀由于220 计驻线供电
的李家寨􀀀明港和遂平3 个电铁牵引站谐波电流
􀀀􀀀严重超标，致使计驻Ⅱ线上的 C 21A 高频相差
继电保护的启动部件受到谐波电流的"等价基波
负序电流效应"影响而启动；同时，上述3 个牵引
站的谐波电流又使该保护相差部件的复合滤波器
受到"方波形状失常效应"的影响而将负荷电流误
判断为"保护区内短路电流"，从而使保护跳闸，此
次事故无疑是电铁谐波和负序超标起主要作用􀀀
但应看到，事故是发生在重大检修运行方式下3
个电铁站谐波综合叠加的结果；对于这种方式下
电铁谐波可能引起保护装置的误动，调度员并不
曾预计到，这是由于调度员未对谐波和负序等指
标进行实时监测，同时对谐波􀀀负序干扰和运行方
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􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀􀀀A E E C C E
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式关系这类指标对电网中保护装置的安全威胁缺
乏认识􀀀国标规定的谐波指标（对用户的限值）是
针对"正常最小方式"来确定的，这种方式并不和
电网某些重大检修方式相一致􀀀因此，要杜绝类似
事故的发生，不仅要控制干扰源的谐波和负序发
生量（使之在国标允许值之内），还应使运行人员
实时掌握这些指标，了解这些指标和电网安全运
行的关系，并在运行方式安排中予以周密的考虑
（例如，在严重的检修方式下，要适当限制干扰源
的用电负荷或相应调整保护和自动装置定值）􀀀
4 应对措施
为应对电能质量恶化引发的电力系统安全稳定
性问题，应对电能质量进行全面的运行监督和管理􀀀
电网中电能质量的运行监督，目前主要由各
级电力调度部门进行日常的电压和频率偏差监测
和调整􀀀随着电网的发展和负荷结构的变化，对电
能质量的干扰越来越严重，与此相应，对电能质量
的要求却越来越高，电能质量的标准也在不断完
善􀀀为了适应这种形势，全国各网􀀀省（市）均建立
了电能质量检测中心（站），根据􀀀电网电能质量技
􀀀􀀀术监督管理规定􀀀电综（1998）211 号文 ，对电网中
谐波􀀀电压波动和闪变􀀀三相电压不平衡度等质量
指标一般由检测中心（站） 采取不定时或专门检
测，发现问题再和相关用户协商，按􀀀电力法􀀀规定
的原则，采取措施解决􀀀这里存在一个较大的电能
质量运行监督的"盲区"，即负责电网运行监督的
调度人员并不实时掌握电网中这些指标的状况，
从而在运行方式安排上，不能顾及这些指标的变
化可能对用户供电质量及电网安全带来的影响􀀀
消除电能质量运行监督的"盲区"对电网安全
和保证供电质量都有重要意义，为此需要进行下
列工作􀀀
（1） 加强对干扰源用户的接入和运行管理􀀀
对于电网中大的干扰源用户，在供电方案论证时
应进行电能质量评估􀀀对于干扰（谐波􀀀负序􀀀电压
波动和闪变等）评估不合格的用户，应协助制定治
理方案，并与供电工程同步实施􀀀大干扰源用户接
入系统后，应对系统接入点的电能质量进行实时
监测，一旦发现超标，应协助查找原因和制定治理
方案，并限期实施，使之达标􀀀
（2） 充分利用网络资源，开发电能质量监测
系统，使运行人员及时掌握电网中电能质量全面
状况，消除安全隐患􀀀
（3） 扩展电力调度业务范围􀀀调度运行日志
上应反映较全面的电能质量指标；运行方式安排
上，应考虑对干扰源负荷供电带来的一些特殊问
题（如谐波􀀀电压波动和闪变指标变化，以及继电
保护和自动装置定值的调整等）􀀀
（4） 健全电能质量监督管理体系，进一步修
订􀀀完善􀀀电网电能质量技术监督管理规定􀀀，在电
力调度运行规程中，补充相关电能质量监测􀀀调整
的内容􀀀
（5） 尽快落实􀀀电力法􀀀中关于上网电价实行
"同网同质同价"规定，制定具体办法和实施步骤􀀀
实施此条款，实际上是对长期以来电能的"以量计
价"的否定􀀀实行同质同价，就意味着"优质优价"􀀀
"劣质低价"􀀀"污染罚款"，这是促使电能质量提高
的经济杠杆，具有十分重要的意义􀀀
（6） 普及电能质量专业知识，特别是对电网
运行监督岗位上的技术人员，应全面了解电能质
量的检测􀀀超标的危害􀀀电能质量指标和运行方式
的关系􀀀降低电能质量危害的措施以及电能质量
标准等方面的知识􀀀
（收稿日期：2008- 07- 23）
参考文献
􀀀􀀀􀀀1 中华人民共和国国家标准，B12325-90，电能质量-供
􀀀􀀀􀀀电电压允许偏差 . 北京，国家技术监督局，1990
􀀀􀀀􀀀􀀀2 中华人民共和国国家标准，B / 14 529􀀀93，电能质量-
􀀀􀀀􀀀公用电网谐波 .北京，国家技术监督局，1993
􀀀􀀀􀀀3 中华人民共和国国家标准，B 12326􀀀2000，电能质量-
􀀀􀀀􀀀电压波动和闪变 . 北京，国家技术监督局，2000
􀀀􀀀􀀀􀀀4 中华人民共和国国家标准，B/ 1554 3􀀀1995，电能质
􀀀􀀀􀀀量-三相电压允许不平衡度 . 北京，国家技术监督
局，1995
􀀀􀀀􀀀􀀀5 中华人民共和国国家标准，B/ 1594 5-1995，电能质
􀀀􀀀􀀀量-电力系统频率允许偏差 . 北京，国家技术监督
局，1995
􀀀􀀀􀀀􀀀6 中华人民共和国国家标准，B / 184 81-2001，电能质
􀀀􀀀􀀀量-暂时过电压和瞬态过电压 . 北京，国家技术监督
局，2001
作者简介：
占勇（197 5-），男，博士，工程师，主要从事电网规划􀀀电能质
量等方面的工作􀀀
程浩忠（1962-），男，博士生导师，主要从事电网规划􀀀负荷
预测􀀀电压稳定􀀀电能质量􀀀电力市场等方面的教学科研工
作􀀀
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