电能质量是指供应到用电单位受电端电能品质的优劣程度。电能质量包括电压质量与频率质量两部分。

电压质量又分为电压允许偏差、电压允许波动和闪变、公用电网谐波、三相电压允许不平衡度。国家标准GB/T 12325《电能质量 供电电压允许偏差》、GB 12326《电能质量 电压允许波动和闪变》、GB/T 14549《电能质量 公用电网谐波》、GB/T 15543/《电能质量 三相电压允许不平衡度》、GB/T 15945《电能质量 电力系统频率允许偏差》等对电能质量都作了明确规定。

（一）供电电压允许偏差

在某一时段内，电压幅值缓慢变化而偏离额定值的程度，以电压实际值与额定值之差ΔU或其百分值ΔU%来表示，即：

式中 U——检测点上电压实际值（V）；

　　 UN——检测点电网电压的额定值（V）。

1.供电电压偏差超标的危害

供电电压偏差过大，会对电气设备和电力系统造成一系列的危害：

（1）对照明设备的影响 电气设备的正常运行都是在额定电压下，这是电气设备设计制造时确定的。一般情况下，常用的照明设备，白炽灯、荧光灯的发光效率、光通量和使用寿命，均与电压有关。图7-1中的曲线表示白炽灯和荧光灯端电压变化时，其光通量、发光效率和寿命的变化。

从图7-1（a）中可看到白炽灯对电压的变化很敏感，当电压比额定电压降低5%时，白炽灯的光通量将减少18%；当电压比额定电压降低10%时，光通量将减少30%，使照度显著降低。

当电压比额定电压升高5%时，白炽灯的寿命减少30%，当电压升高10%时寿命减少一半，这将加速30%白炽灯的损坏。

图7-1（b）中对于荧光灯而言，灯管的寿命与其通过的工作电流有关，电压增大、电流增加，则寿命降低；反之，电压降低，由于灯丝预热温度过低，灯丝发射物质发生飞溅也会使灯管寿命降低。

图7-1　照明灯的电压特性

（a）白炽灯；（b）荧光灯

（2）对电动机的影响 用户中大量使用的异步电动机，当其端电压改变时，电动机的转矩、效率和电流都会发生变化，异步电动机的最大转矩（功率）与端电压的平方成正比，如异步电动机在额定电压时的转矩为100%，则在端电压为90%额定电压时，其转矩将为额定转矩81%；如电压降低过多，电动机可能停止转动，使生产设备不能正常运行。

（3）对变压器、互感器的影响 当电压升高时，对变压器、互感器而言，其影响主要是两方面：一是励磁电流增加，铁芯温度升高；二是使绝缘很快老化。当电压降低时，在传输同样功率条件下，绕组损耗将增加。

（4）对家用电器及对其他用电设备的影响 电压降低使电视机亮度变差，色彩变坏。电压偏移过大时，使计算机和控制设备出现差错和误动作等。电压的变化广泛的影响各种工业用电设备。

（5）对电力系统的影响 电压降低对电力系统的运行的影响主要有三方面：

1）由于输电线路输送的功率与系统电压成正比，系统电压越低，线路输送功率越低，容易发生系统不稳定现象，严重时会造成系统瓦解的重大事故。

2）当电网电压降低，而又缺乏无功功率时，系统的发出无功功率小于吸收的无功功率，使电压进一步下降，造成无功功率缺额更大，如此恶性循环，会使大量用户停电或维系瓦解。

3）输电线路和变压器在输送相同功率的条件下，其电流大小与运行电压成反比，当电网低电压运行，会使线路和变压器电流增大，线路和变压器绕组的有功损耗和无功损耗将大大增加，并加大了线损，提高了供电成本。

2.关于电压考核点

影响电压质量的因素很多，有供电企业的，也有用户的因素，而电力系统各点的电压是不相同的，国标中规定供电电压为供电企业与用户产权分界处的电压或由供电协议所约定的电能计量点的电压，而不是用电设备处的电压。用户内部电气的设计和管理由用户自己负责，因此电压质量必须明确考核点，这样有利于供用电双方为保证电压质量共同承担责任，并采取相应措施。

3.电压偏差的允许值

1）35kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过额定电压10%。

2）10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的为±7%。

3）220V单相供电电压允许偏差为额定电压的＋7%、－10%。

4）对供电电压允许偏差有特殊要求的用户，由供用电双方协议确定。

35kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%。

这说明，对每一个供电考核点，其电压偏差的波动范围不超过标称电压的10%。对整个供电系统而言，其供电电压不应高于标称电压的110%，也不应低于标称电压的90%。这样规定是考虑了以下因素：

1）35kV及以上供电电压无直接用电设备，一般都直接接用降压变压器，降压变压器一次侧均设有分接开关，配置分接开关的目的就是为适应电力网中不同运行方式时的电压变化，因此用户合理选择降压±10%变压器分接开关的分接头与供电电压相适应的位置，其二次侧就可获得合适的电压。

2）把不同位置供电点总的电压允许偏差定为±10%，可适应高压电网输送电能的需要。

10kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的±7%，这规定是针对直接从电网受电的用户而制定的，这和用户的电动机运行直接相关，考虑到用户内部线路的电压损耗，电动机端电压的偏差可能为额定电压的＋5%～－10%，显然不能满足电动机额定出力的要求（电动机要求电压偏差不超过的±5%）。但在实际供电系统中，电压正偏差超过5%的概率是很低的，所以关键是负偏差达10%对异步电动机的影响。

根据分析用户异步电动机端电压偏差达－5%～－10%的平均概率约为10%，考虑到电动机本身允许±5%的电压偏差，以及不同负荷阻力特性、负荷率及环境温度等因素，对绝大多数异步电动机，用户是能满足正常用电要求的。因此规定10kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的±7%是合适的，这样规定对电压偏差要求较严的，可作为特殊用户对待，采取特殊措施将电压偏差限制在更小的范围内。

220V单相用户的供电电压允许偏差为标称电压的＋5%～－7%。这主要针对低压电动机、照明和家用电器，这些设备中，白炽灯寿命受电压升高的影响最大，一般不宜大于＋5%，考虑到电压测量点与用电设备间还有电压损耗，用电设备端电压只有少数在短时间内略超过＋5%，一般均保持在＋5%以下运行，我国低压电网采用TN—C系统，有的地区照明和动力混用，考虑到N线压降的影响，故220V单相供电电压允许偏差定为标称电压的＋5%～－7%。

（二）电压允许波动和闪变

由于电力负荷的快速增长，其中冲击性负荷的大量应用，使得电力系统的电压波动达到了难以承受的状况。电压波动和闪变标准的实施，对控制电网的电压波动和闪变起到了十分重要的作用。

电力系统的电压波动和闪变，主要是由于系统中带有冲击性负荷。这些负荷的特点是：

1）有功功率和无功功率随机地或周期性的大幅度波动；

2）运行中功率因数较低；

3）产生大量谐波；

4）用电单位中电弧炉与电气机车负荷三相严重不对称。

1.电压允许波动

在某一个时段内，电压急剧变化而偏离额定值的现象，称为电压波动，电压波动允许值如表7-1所示。电压变化的速率每秒大于1%的，即为电压急剧变化。电压波动程度以电压在急剧变化过程中，相继出现的电压最大值与最小值之差或依其百分比值来表示

式中 UN——额定电压（V）；

　　 Umax、Umin——某时段内电压波动的最大值与最小值（V）。

系统标称电压等级划分：

2.电压闪变

周期性电压急剧波动引起灯光闪烁，光通量急剧波动，灯光照度不稳定造成人眼视觉不舒适的现象称为闪变。闪变不仅与电压波动的大小（d值）有关，而且与波动频度、波形、照明灯具的型式和电压、功率有关，还与人的视感灵敏性有关。

由波动负荷引起的短时间闪变值P和长时间闪变值P应满足表7-2的限值。

表7-1　电压波动允许值

注 r为单位时间内电压变动的次数，称为频度。

表7-2　各级电压下的闪变限值

（三）公用电网谐波

在理想状况下，供电电压波形应是正弦波，但由于电力系统中存电网供电点的短路阻抗及电网谐振情况。谐波电压叠加在供电网正弦波形50Hz的电压上。并施加于供电网的电气设备。将对这些设备为正常工作产生影响。

在有大量非线性阻抗特性的用电设备，即存在大量的谐波源，如交直流变换器、电机变频调速器、计算机、数控设备等引起电流为陡峭的脉冲电流。由于这样的脉冲电流，在中性线和相线以及电源（变压器）上引起同样波形的电压降，使电网电压畸变，实际的电压波形偏离正弦波，这个畸变的电压通过负载施加在电路中。此外感性负载和容性负载配置不合理，引起电网震荡也会产生谐波。

电压正弦波形畸变程度以电压波形畸变率DFU表示，而谐波电流波形畸变率以DFI表示。

谐波电流在电网阻抗上产生谐波电压。谐波电压的大小取决于：

各谐波源产生的谐波电流的幅值与相位。

同时工作的谐波源的数量，用户内部无功补偿装置的容量：

电网供电点的短路阻抗及电网谐振情况。

1.电子设备的谐波现象及原因

电子设备的电源一般是整流电源，只有在交流电压接近峰值时，整流管才导通有输入电流。由于在一周期内导通的时间很短，又必须维持设备正常的工作电流，所以输入电流呈脉冲状。这种脉冲状输入电流的基波含量小，而谐波含量大，且工作电流越大，脉冲电流的幅值就越大，形成严重的畸变电流注入低压电网，成为不可忽视的谐波源。

可分别算得电子镇流器日光灯的谐波电流含量和谐波总畸变率IH＝0.057A，THDi＝35%。

电子计算机和电视机的谐波电流含量大，谐波电流总畸变率高。这样高含量的负载谐波电流在负荷使用高峰期注入低压电网，会造成电网电压和电流总谐波畸变率升高，对电能质量产生影响。

2.高次谐波对电气设备的直接危害

（1）对变压器的危害 3次及其倍数次的高次谐波对星形连接的变压器，当绕组中性点接地，其电网中分布电容较大，或安装了中性点接地的并联电容时，会形成3次谐波振荡，使变压器附加损耗大大增加。对三角形连接的变压器会使其在绕组中形成环流，使绕组过热，而且谐波电流使变压器的铜损和铁损大大增加。

（2）对电动机的危害 高次谐波电流在电动机中产生的集肤效应、磁势涡流等随着频率增高而使电动机铁心和绕组中的附加损耗增大，在电动机启动时容易发生脉动干扰力矩使电动机产生较大的嗓音。由于电动机负荷的总量很大，高次谐波产生的附加损耗在电力负荷中的影响十分显著。

（3）对测量用仪器仪表的影响 测量用仪器仪表均在50 Hz的标准正弦波的理想状态下设计的，当供电电压或电流中含有高次谐波成分时，就会影响仪器仪表测量的准确性，并影响感应式电表的正常工作。(www.daowen.com)

（4）对通信系统的干扰 高次谐波在电力线路中流过的等幅值较大的低频谐波电流经过磁场耦合。在相邻的通信线路中会产生干扰，在谐波和基波的共同作用下，误触发电话铃声，干扰通信线路系统的正常工作。影响通信线路的通话，在特定的条件下，还会威胁通信设备和人员的安全。

（5）对继电保护和自动装置的影响 高次谐波会严重影响电力系统的继电保护和自动装置，引起各类保护误动作，威胁电力系统安全运行。

（6）对电力电缆和配电线路，谐波电流频率增高引起明显的集肤效应，导线电阻增大，线损加大，发热增加，绝缘过早老化，容易发生接地短路故障，形成潜在的火灾隐患。同时，3次谐波使三相平衡负荷的N线电流显著增加。在配电回路负荷主要是大量集中使用电子计算机和大面积采用电子节能气体光源照明的场合，N线电流甚至达到相线电流的两倍，致使N线过热、烧毁，甚至导致火灾。

（7）配电回路的谐波电流含量高会使断路器遮断能力降低 这是因为畸变电流过零点时，电弧电流随时间的变化率要比工频正弦电流大，电弧电压的恢复要迅速得多，使电弧容易重燃。事实表明，空气电磁断路器不能遮断其分断能力范围内波形畸变率超过50%的故障电流，还会导致断路器损坏。

（8）对用电设备的影响 高次谐波对于带有起动用的镇流器和提高功率因数的电容器的灯光照明会造成谐振过电压损坏锁流器和电容器。高次谐波还会对电视机、计算机的图形畸变，画面亮度产生波动。使机内元件过热，计算机数据出错。

（9）对电容器的影响 高次谐波可使电容器介质损耗增加、发热、寿命缩短，吸收谐波后会导致电容器过电流，使熔丝熔断，电容器与电网电感形成串联谐振时，将谐波放大，烧毁电容。

在谐波电压作用下，电容器会产生额外的功率损耗，加快绝缘介质的老化。更为严重的是，大量谐波电流很可能引发电容器和系统其他元件之间的并联谐振或串联谐振，造成对某次谐波电流的放大和谐波电压的增高。这种危险的谐波过电压和过电流，不仅会使电容器超载而损坏，也会使与电容器连接的配电回路中所有线路、设备因电压闪变超压过负荷而损坏。据统计，70%以上的谐波故障发生在电容器装置上。

3.居民用电中的谐波分析

城镇居民用电中，随着家用电器种类、数量的增多和电器功率的加大，以及民用负荷中商业、服务业使用电子元件用电设备的增多，民用负荷供电网中的谐波分量不断增加，使电能质量问题日渐突出。

（1）测试实例分析 测试对象为常见家庭用户，家庭音响、微波炉、电子调光灯具等不列入测试范围。

用电设备：彩色电视机、分体式空调机、冰箱、电脑和电风扇，钨丝灯，微波炉。

用电情况：用户所接公用变压器为630kVA，全为民用类负荷（单相交流220V用电设备），夏季高峰负荷略超过额定容量，测试时各设备都在正常工作状态；测试时段属秋季居民日用电高峰时段（一般家用空调机已停开），亦是系统日负荷高峰时段。

测试分析

从测试数据看，被测用户用电环境的谐波污染有以下特征：

0.4kV供电网络电压波形畸变严重，畸变率分别超过8%和10%，大大高于国家标准规定5%的要求。谐波电压以3次、5次、7次和11次分量为主。

被测用户用电电流波形畸变也较严重，分别超过24%和22%，谐波电流中以2次、3次、5次和7次分量为主。

据有关资料，在家用电器（主要是电视机）集中使用的居民小区，对低压电网的电压质量有明显的影响。在负荷高峰时，电压的总畸变率和3次、5次谐波均已达到或超过国标规定的限值，而且还有进一步增加的趋势。

（2）常用家用电器中谐波的含量 常用家用电器中谐波的含量见表7-3。

表7-3　家用电器中谐波的含量

（3）家用电器 家用电器的大量普及，而彩电、冰箱、空调等家用电器都是非线形负荷，功率因数一般在0.7左右，如彩电的功率因数在0.4左右，洗衣机的功率因数达到0.3左右，而现在推广使用的节能灯功率因数也只有0.4左右，这些家用电器耗电量非常小，但耗费的功率因数却非常大。随着电力技术和人类生活水平的提高，由低电压电网供给电源的各种电器设备，在市政生活和企事业单位应用十分广泛，在这些家用电器中，有不少家用电器含有非线性元件，会产生谐波电流，主要有电视机、各种节能灯、电冰箱、洗衣机、微波炉、电磁炉、计算机、激光打印机、充电器、各种医疗和科研用的仪器和设备、调速驱动，例如空调用压缩机、高层建筑用的大型电梯等，它们大都是用晶闸管、小功率的整流装置等电力电子元件，有的电器带小容量变压器。其励磁电流所占比例较大，虽然其单个容量小，数十瓦到数千瓦，但数量较多且分布很广，它们产生的高次谐波也会对电力系统造成影响，加重电力网的谐波污染。

1）电视机：家用电器中对电网谐波影响最大的电器就是电视机群。由于采用单相桥式整流电容平波电路，其整流元件要等到整流电压大于电容器的储能电压时才能导通。故交流侧电流只有正弦波的波头部分。其谐波特点是谐波的峰值与基波的峰值重合，同一相电压供电的多台电视机产生的谐波相位相同，同时率高，造成电网谐波增大。有关谐波的实测调查表明，在低压电网供电的大量电视机负荷的系统中，晚上8时左右，电视机收看率达到高峰的时间段内，各级电压的谐波畸变率也明显升高（大约在2%～3%）。彩色电视机的尖峰电流比黑白电视机的大，特别是3次、5次、7次及9次尤为严重。

2）非线性照明用电：最广泛采用的照明灯是白炽灯，但它效率低，电耗较大。近些年来出现的各种节能灯，效率比白炽灯高许多。但白炽灯是线性负荷，而节能灯几乎都是谐波源，在晚上，即是高峰时段，但大多节能灯的谐波电流畸变率比电视机要低，不同种类和型式节能灯的主要谐波电流的相位也有所分散。主要的节能灯有荧光灯、高压气体放电灯和调光白炽灯等。

①荧光灯：各种荧光灯的谐波电流含有率相差很大。以前用的是普通的长管荧光灯，现在愈来愈多的是紧凑型灯，特征谐波电流全为奇次谐波。线绕镇流器的电流含有率3次谐波较高，可达8%～10%。电子镇流器型脉冲式各奇次含有率15%～18%，其中3次为70%～80%，次数愈高，含有率愈低；高频时各谐波含有率低，一般为3%～15%。

②高压气体放电灯：高压气体放电灯利用有一定压力的汞、钠、镝、铟和金属卤化物的蒸气，放电时有负电阻特性，故串接非线性的镇流器、高压钠灯和汞灯用得较多。高压气体放电灯主要用于街道、广场、露天矿等处的照明，其谐波特征是主要产生3次、5次、7次谐波，其量随灯具的容量而幅度增大。

③调光白炽灯：调光白炽灯或其他家用电器的电力调节电路是通过用可控硅切除正弦电流的一部分来调节负载电流的大小。其特征谐波电流全部为奇次谐波，不同控制角的谐波电流含量不同，一般地，控制角越大，谐波电流含量越大。

3）空调机：由于空调机功率较大 每台600W到数千瓦，因此在许多城市中空调负荷将跃居市政用电的榜首。因此，空调用电在性质上属于线性还是非线性，与未来城网背景谐波的涨幅密切相关，相关测试表明，空调机谐波电流大小依工作方式而变，只开风扇时，电流总谐波畸变率（THDi）为6%～9%，制冷时为20%～27%，制热时为22%～34%，谐波分布为2～17次，可见，无论是制冷还是制热，电流总谐波畸变率，即THDi都不小，而单台的各次谐波电流比电视机的还要大得多。况且空调机的工艺不断改进，变频空调应用已日益广泛，变频装置的谐波含量与分布更大，因此就配电网的谐波管理来讲，应对各型空调机的谐波量进行调查，并制订相关标准。

4）电冰箱：家用电冰箱的功率和彩电差不多，其谐波电流含有率比彩电小得多，但电冰箱谐波参与夜晚出现的家电谐波高峰。其谐波主要是3次、5次和7次，其中含有率3次为10%～13%，5次为3%～5%，7次为0.5%～2%，7次以上小于0.8%。

5）洗衣机：洗衣机的功率与电冰箱接近，谐波电流畸变率稍大。但每天开机时间短，参与夜晚出现的家电谐波高峰的同时系数不大。例如，洗衣机产生的谐波含有率3次21%～40%，5次4.5%～9%，7次3%～6%，9次1%～4%，13次以上很小。

4.谐波污染源

为了了解用户谐波电流的来源，测量了用户的几种用电设备的谐波电流，正是家用电器本身在用电过程中产生了大量谐波电流，虽然每台设备功率不大，但由于用户众多，使用时间集中统一，使供电网中出现大量谐波电流，并通过网络阻抗形成谐波电压，导致电压波形产生严重畸变，从而污染整个网络。

在以上测试分析中有大量居民用电负荷，在重载变压器的供电网络中，会出现较严重的谐波污染，从而会引起类似以下的不良后果：

谐波分量会辐射到其他电压级别的电网，将谐波污染进一步扩大。实际上，随着社会的发展，居民用电不断增加，其在整个电网负荷构成中所占比重也不断加重，居民用电负荷已成为继工业非线性负荷之外的又一重大谐波污染源。

近几年对220kV，500kV电网的多次监测表明，电网电压波形总畸变率的日变化曲线有2个高峰期，其中1个在19～22时之间，与居民用电高峰期（也是电网日用电高峰期）十分吻合。

居民用电负荷供电端电压波形严重畸变，对家庭用电设备产生严重干扰。按照产品设计要求（与IEC标准相一致），各类家电设备（包括电脑等IT产品和电能计量表计）对电源电压波形畸变率的要求是不大于5%，超过这一限值时设备效能和设计寿命将难以保证。事实上，有相当部分用户的电器设备工作电源电压波形畸变率远高于5%。

大量谐波分量的出现，将使用户设备附加损耗大大增加，温度升高；同时，也会增加电网损耗。

显然，要解决上述问题，就必须对供用电过程实行有效监管，改善网络电流、电压的波形，以提高供电网的电能质量。可以通过以下方法达到这一目的：

加强监察，在各公用变压器低压端装设在线谐波监测设备（投资不大），以便检查人员随时了解网络谐波污染的实际情况，及时发现和解决问题。

灵活利用变压器的接线方式（例如△/Y接法），限制3次及其倍数的谐波电流进入上一级电网。因为类似电视机等设备，其产生的谐波电流以3次最大。

在谐波污染严重的网络，应在公用变压器低压端装设滤波装置，以有效吸收各次主要的谐波电流，降低谐波电压水平。

随着电网用电量不断增加，网络的谐波污染情况也在加重，在网络的末端（与用户的界面），情况尤为如此。

作为电网重要污染源的居民用电，其对电力系统的影响正日益加重。

对这一污染源的管制，应考虑到居民用电的特点，例如其个体容量小，但用户数目众多；设备用电特性相似，且用电时间集中统一等等。所以根据这些特点提出了治理的办法，包括用电监管措施及降低谐波污染的具体方法，以期达到改善电能质量、提高居民生活水平、改善电网运行条件、促进电力市场健康发展的目的。

高次谐波电压的限值见表7-4。

表7-4　高次谐波电压的限值

注入公共电连接点的谐波电流允许值见表7-5。

表7-5　注入公共连接点的谐波电流允许值　单位：A

续表

注 220kV基准短路容量取2000MVA。

（四）供电频率允许偏差

供电电源频率缓慢变化的现象，常以实际频率与额定频率之差，或其差值Δf与额定值之比的百分数Δf%表示，即：

式中 f——实际供电频率值（Hz）；

　　 fN——供电网额定频率（Hz）。

1.频率偏差允许值

（1）电力系统正常频率偏差允许值为±0.2 Hz。当系统容量较小时，偏差值可以放宽到±0.5Hz。

（2）用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过±0.2 Hz，根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值，但应保证近区电力网、发电机组和用户的安全、稳定运行以及正常供电。

2.测量仪表

用于频率偏差指标评定的测量，必须用具有统计功能的数字式自动记录仪表，其绝对误差不大于0.01 Hz。