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电力系统电压波动与闪变的相关理论及抑制措施
1电力系统电压波动与闪变的基本定义 在电力系统当中，电压波动是最为常见的一种电能质量的问题，电力系统电压波动的基本定义是电压均方根值一系列的相对快速变动或连续的改变的现象。一系列电压波动中的相邻两个极值之间的变化称为一次电压波动。
在实际电力系统当中，电压波动的问题都比较复杂，这种电压波动可能会经常出现，出现的时间和地点都不是确定的，幅值和频率也都具有随机性。
为了形象地了解电力系统电压波动的过程，可以在波动的一个工作周期或者规定的一段检测时间内，沿时间轴对被检测电压每半个周期求得一个均方根值，并按照时间轴顺序进行排序，可以看到连续的电压包络线图形，称为电压均方根值曲线，见图2-1。
（a）调幅波电压V对工频载波电压有效值的调制 （b）将调幅波V想象成独立分量
图2-1 电压波动的波形示意图
电力系统电压波动主要是由于冲击性负荷变化引起的，明显偏离额定值的快速电压变动。电压波动值用一系列电压有效值的相邻两个极值之差的百分数来表示[4]。
(2-1)
1.1电压波动现象的分析
根据电力系统的相关理论，如图2-2：
图2-2 电力系统的理论图
(2-2)
(2-3)
若R + jX不变，电压变化决定负荷的有功功率和无功功率；对高压系统有
R<
1.2闪变的基本定义
闪变的基本定义电压波动造成灯光闪烁的专业术语称为闪变。
电压波动通常会导致许多电气设备不能正常的工作。通常，白炽灯对电压波动的敏感程度要远大于日光灯，若电压波动的大小不足以使白炽灯闪烁，则就不会使日光灯等设备的工作发生异常。因此，通常选用白炽灯的工作状况来判断电压波动的值是否被接受。闪变可以理解为人对白炽灯明暗变化的感觉，也就是人对照度波动的主观视感[4]。人对闪变感受与电压波动的幅值有关。闪变程度不是通过纯数学的推导与理论证明，而是对观察者进行视感调查、统计的结果。
闪变觉察率F(%)：
(2-4)
式中 A—没有觉察的人数； B—略有觉察的人数；
C—有明显觉察的人数； D—难以忍受的人数；
目前，闪变一词已经拓宽了含义，如还包含了电源电压的变化对一些敏感设备所产生的不良影响。
2电力系统电压波动与闪变分别产生的原因
2.1电力系统电压波动产生的原因[5]：
电力系统电压波动主要是由冲击性的负荷引起的，冲击性的负荷可分两大类型：
一类是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。
另一类是引起供电点出现连续不规则的随机电压变动的负荷。例如，炼钢电弧炉等。
这些负荷的特点是在生产过程中有功和无功功率随机地或周期性地大幅度变动。随着工业的发展，这类负荷的不断增大，因此对电能质量将产生不可忽视的影响。以下是具体的分类：
(1)电力系统中发生短路故障，引起电压波动与闪变。
高、低压配电线路及电气设备发生短路故障时，若继电保护装置或断路器失灵，可能使故障持续存在，这样可能会损坏配电装置，造成大面积的停电，延长整个电网的电压波动的时间并扩大了电压波动的范围。
(2)大型电弧炼钢炉运行时造成的电压波动和闪变。
电弧炉在熔炼期间频繁切断，甚至在一次熔炼过程可能达到10次以上。熔炼期间升降电极、调整炉况等工艺环节，需要的电流很小，而炉料崩落则可在电极尖端形成短路，不同工艺环节所需电流的变化导致了电压波动。
(3)暂态过电压。
暂态过电压是由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压，又称工频电压升高。
(4)反复短时工作的负荷引起电压波动。
这类负载的特点为负载作增减地变化，且周期性交替。但交替的周期不为定值，其交替的幅值也不为定值。
(5)电源引起的电压波动。
用户负荷的剧烈变化，会引起电压波动。
(6)高压尖脉冲。
高压尖脉冲主要是由于雷击、电弧放电、静态放电或大型电气
设备的开关操作而产生的。突变性和不连续性。一旦产生将对用电设备造成极大的损坏。
2.2闪变产生的原因[6]：
(1)环境影响、雷电感应电压、输变电站大型开关的开合、大型负载的起停，都会伴随有闪变进入电力系统。其中环境因数产生的闪变约占系统闪变总量的20%-30%。
(2)电力系统内部产生的闪变约占占系统闪变总量的70%-80%。
电力系统中发生短路故障，引起电压波动与闪变。负载的起停和运行都会有大量的闪变产生，并回馈到本身的电力系统中，大的负荷起停和运行过程中产生的闪变会影响电网。包括有带冲击负载的电动机、反复或短时工作的负载、大功率电动机起动、电弧炼钢炉、供电系统短路电流。
(3)电弧放电也是闪变的一个主要来源，它可能是由于不良和松动的电气连接引起，或陈旧、不干净的电刷引起。电力系统当中闪变主要是由用户波动性负荷引起的。波动性负荷可分为周期性的波动性负荷和非周期性的波动性负荷，其中周期性的波动性负荷对电压闪变的影响更为严重。当负荷波动时，系统阻抗越大，或系统短路容量越小，导致电压闪变越严重。
综上所述，相比其它引起电力系统电压波动与闪变的原因来说，短路故障引起的电压波动最为严重，也是灵敏设备误动作的主要原因。短路故障发生后，短路点附近节点电压下降，电压波动发生。随着故障消失，短路点附近电压恢复正常，电压波动结束。
短路故障引起的电压波动可以分为两类：第一类为对称电压波动，即为三相短路故障引起的。第二类为不对称电压波动，即为单相短路引起的。
2.3电力系统电压波动与闪变的危害[7]：
(1)造成电动机的转速不稳定，影响产品质量，严重时危及设备本身安全运行。
如焊接工作由于电压波动造成电弧不稳而影响焊接质量；电弧炉由于电压波动影响金属熔炼时间和电能消耗。
(2)影响设备使用寿命。
电压长期偏高，会使电热元件寿命缩短，电容器电压如果长期超过额定电压的5%，将因过热面击穿，当电压较额定电压高于5%时，白炽灯的使用寿命将缩短50%。
(3)对电压波动较敏感的工艺过程或实验结果产生不良影响。
(4)导致电子仪器和设备、计算机系统、自动控制生产线以及办公自动化设备等工作不正常，或者损坏。
电压闪变增加电网的谐振，造成瞬态高电压、大电流。电子设备运行中，电压波动将作为一个扰动信号输入而产生效应，电子设备的直流电源是由电网交流电源经过整流后获取的，因而交流电源的波动必然导致直流电源的波动。虽然直流电源一般有专用的稳压装置或者稳压线路，但通常相对稳定电源的输出是不稳定的，特别是当电压的波动幅度过大时，数控装置可能出现数字乱跳、动作错乱的现象。加速电器设备老化，缩短使用寿命。
(5)引起照明灯光闪烁，降低了工作效率和生活质量。
3抑制电力系统电压波动与闪变的措施
抑制电力系统电压波动与闪变的措施[8][9]：
(1)合理地选择变压器的分接头以保证用电设备的电压水平。
(2)采用独立回路供电。
负荷变化剧烈的电气设备采用专线单独供电，较大功率的冲击性负荷或负荷群由专门的变压器供电，以限制对其他负荷的影响，这是最简便且有效的方法。
(3)降低共用配电线路阻抗。冲击性负荷与其他负荷共用配电线路时，应降低配电线路阻抗。
(4)提高供电电压。
电压损失的百分比与电网额定电压的平方成反比，因此，提高供电电压将对抑制电网电压波动与闪变的程度起到良好的作用。
(5)设置电容器进行人工补偿。
电容器补偿分为并联补偿和串联补偿两种。并联电容补偿主要是为了改变网络中无功功率分配，从而抑制电压的波动，提高用户的功率因数，改善电压的质量。串联补偿主要是为了改变线路参数，从而减少线路电压损失，提高线路末端电压并减少电能损耗。
在高电压或中压配电网中，电压波动主要与无功负荷的变化量以及电网的短路容量有关。在电网短路容量一定的情况下，电压闪变主要是由于无功负荷的剧烈变动所致，因此对于电压闪变的抑制，最常用方法是安装静止无功补偿装置，目前这方面技术已相当成熟。
(6)线路出口加装限流电抗器。
大容量变电所线路出口加装限流电抗器，以增加线路的短路阻抗，限制线路故障时的短路电流。
(7)大型感应电动机带电容器补偿。
其目的主要是为了对大型感应电动机进行个别补偿。在线路结构上使电动机和电容器同时投入运行，电动机较大的滞后起动电流和电容器较大的超前冲击电流的抵消作用，使其从一开始就有良好的功率因数，并且在整个负荷范围内保持良好的功率因数，对电力系统电压波动起到了很好的稳定作用。
(8)采用电压稳压器稳压。
电力稳压器主要用于低压供配电系统，能在配电网络的供电电压波动或负荷发生变化时自动保持输出电压的稳定，确保用电设备的正常运行。
(9)装设用于改善和提高电能质量的无功补偿装置。
由于现代技术的发展，无功补偿装置的性能已经得到提高，它们对于抑制电力系统电压波动与闪变都有良好的效果，如同步调相机、静止无功补偿器、静止无功发生器等。
同步调相机是传统的无功补偿装置。同步调相机的基本原理是当系统电压下降时，通过控制励磁发出和吸收无功功率，并通过电压调节器自动调节无功功率的大小以维持端电压恒定。应用时不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态补偿。在并联电容器得到大量采用后，它退居次要地位。
静止无功补偿器是能够快速调节无功功率，从而可以调整电力系统的电压，提高线路的输送功率。研究静止无功补偿器对于电力系统的电压稳定性的影响具有重要的意义。
静止无功补偿器可以从电力系统吸收或输送可连续调节的无功功率，以维持装设点的电压稳定，对抑制电力系统电压波动与闪变有显著的效果，并有利于电力系统的无功功平衡。
参考文献
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