电能质量问题与解决方法.docx

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电能质量问题与解决方法

网络高等教育

本科生毕业论文（设计）

题目：

电能质量问题与解决方法

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专科起点本科

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年春/秋季

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内容摘要

近年来,随着国民经济和电力系统的发展，电能供求关系的矛盾已逐步得到解决,但与此同时,有关电能质量的问题却日益引起人们的重视。

电能质量如不能达到规定的要求，会给工、农业生产和日常生活带来种种问题，造成不可避免的损失。

现代电力系统提出电能质量问题的概念是，任何出现的电压、电流以及频率偏移导致的用户设备损坏或运行不正常的电能问题，主要包括频率、电压、波形等内容。

本文对电能质量存在的问题及原因进行了分析，同时对解决电能质量所存在的问题的方法做了较为详细的介绍。

关键词:

电能质量;电压偏差；频率偏差

1绪论

1。

1课题的背景及意义

电能质量，从严格意思上讲，衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形.从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。

其可以定义为：

导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等.

随着社会的进步和现代电力工业的迅速发展，电能已经成为人们日常生活中不可缺少的组成部分。

电能作为一种最为广泛使用的能源，其应用程度也成为衡量一个国家发展水平的主要标志之一。

随着科学技术和国民经济的发展，对电能质量的要求越来越高。

另一方面，大量非线性负荷、非对称设备以及冲击性用电设备的逐年增加，给电网的安全经济运行带来了新的挑战。

电力部门和用户都开始清楚的意识到电能作为一种特殊的商品，无疑应该讲求质量.劣质的电能必将损害供用双方的共同利益。

因此，将电能质量现象视为一个整体进行分类和研究，并进行有效的改善和治理是今后面临的一项极其重要的工作。

现在,世界各国都在对传统的电力管理体制进行改革，其目标是建立开放的电力市场，通过引进竞争机制，提高电力生产各个环节的效率,降低运营成本,最终使电力生产的各环节和用户从中受益。

电力市场的实施，电能作为走进市场的商品无疑更应该讲求质量,随着电力用户拥有选择权的不断扩大,卖方市场竞争的引入，电力部门经营思想不得不改变,现代电能质量的评估将转换为以用户侧为标准。

而CustomPower的核心思想就是能够对供应的电力进行控制、变换，为用户或负荷提供满足要求、质量合格、效能最佳的电能.

在这种条件下，传统得电能质量管理模式和治理方法都已经不能适应现阶段的需求。

它们既不能满足用户的需求,又增加了供电公司的负担。

同时传统的电能质量治理方法也不能满足市场化的要求。

在电力市场的条件下进行电能质量研究，可以更好的将我们所遇到的电能质量问题和市场相结合。

在电力供应上，供用双方权责明确、按质论价。

在电能质量改善上，同样从电力、电器质量行业、用户共同作用考虑.分清责任,明确义务,充分调度各方的力量来改善电能质量。

既满足市场条件下用户的需求,又减轻电力公司进行电能治理的负担。

在电能质量治理上应用合理方法和技术，争取用最少的投资，来获得最好的电能质量改善效果，增强电力公司的竞争能力.

1。

2国内外发展现状

国内外电力行业对现今电能质量问题都非常重视，电能质量检测技术已成为近年来电网技术研究中的热点.文献［1]对谐波、三相不平衡电压波动与闪变、电压凹陷、脉冲、振荡等稳态电能质量问题和动态电能质量问题的概念、产生原因和危害及电能质量指标等进行了详细介绍，还对其检测与治理措施进行了阐述。

国内外的学者在电能质量的检测技术研究中做了大量的工作,提出了许多新的理论方法并用到各种治理装置中[2-4］。

很多文献表明，目前电能质量的检测方法已经不仅仅局限于传统的电压有效值法和FFT算法，还发展了许多如小波变换、S变换、dq分解以及Kalman滤波等

由于电能质量关系重大，已普遍引起世界各国的重视。

其中，美国、日本、法国等发达国家已对此进行了多年的研究，并取得了许多重要的理论和应用成果。

而我国由于长期以来的电力供应比较紧张，人们关注的焦点主要在电力供应方面，对电能质量关心并不多.通常,也只对电压、频率两个指标进行监测、考核。

而近年来,随着电力供应紧张局面的初步缓解、电能质量的日益恶化和用户对电能质量要求的不断提高，电能质量的综合监测分析和治理技术的研究己经引起了各级电力部门以及电力终端用户的高度重视。

国外关于电能质量的研究始于上世纪90年代初,美国电力科学研究院幵始实施的全美配电系统电能质量普查（DPQ项目）,幵创了电能质量在线监测的先河.从

1993年到1995年,对全美277个监测点实施电能质量在线监测.DPQ项目的实施标志着电能质量监测从被动型转为主动型,为防范事故的发生提供了有效的依据.

在电能质量监测终端检测技术方面，国际电工委员会（IEC）2008年颁布了

《IEC61000-4—30电能质量测量方法》对电压有效值、频率、不平衡度、谐波/间

谐波、电压波动、闪变、电压暂降、瞬变等电能质量参数的测量方法以及各参数准确度稳态测试方法做了具体规定.美国电力标准实验室（PSL）和荷兰KEMA灵活电网实验室（Flexpowergridlab）目前已开展了基于IEC61000—4—30的监测设备认证服务,包括频率、电压幅值、闪变、电压谐波/间谐波、电压不平衡度、电压暂升/暂降等电能质量参数测量方法、时间标识、准确度、数据组合方法、时钟不确定度、标记功能等的测试和认证在电能质量监测系统的检测方面,目前尚未有专门的针对电能质量监测系统的测试和认证服务,国际上仅幵展了基于IEC61850的通讯测试研究,荷兰KEMA等实验室可提供这方面的测试服务，但是均缺乏基于IEC61850-7-4（Ed2。

0）针对电能质量监测系统和设备的功能测试研究.

在电能质量数据集成方面,美国、加拿大、欧盟等国家和地区己经建立了较大规模的电能质量监测系统,为掌握全网电能质量水平、电能质量信息挖掘及区域间

电能质量协调管理奠定了基础。

1993年6月,美国电力科学研究院启动了配电电能

质量监测项目,针对全美24家供电公司的2n个监测点进行了为期21个月的数据

收集和统计分析。

美国能源部通过与各电力公司及主要制造商的合作,建立了基于

web的I—Grid分布式终端的电能（电压）质量及可靠性监测与通知系统。

欧洲能源监管委员会于2001年开始定期向公众发布电力企业供电质量报告,此举促进了欧各成员国电能质量监测工作的发展，目前部分国家已建立了全国性的电能质量监测系统，如法国、葡萄牙等国家.土耳其2006年3月启动国家电能质量项目,其中一个子项目为建设国家电能质量监测系统,重点监测输电网络，整个系统装设150台监测终端，电能质量监测中心设置于土耳其输电公司（TEIAS）.上述电能质量监测系统还仅限于监测终端到监测系统主站的简单网络结构，并未实现不同系统之间的数据集成。

在电能质量信息挖掘方面，国际上专家学者所开展的研究工作众多，包括故障源定位、扰动源识别、故障预测、经济性评估等多个方面，但目前应用于实际系统

可直接服务于生产管理的并不多。

美国电力科学研究院基于PQVIEW对监测数据开展了一系列电能质量高级分析工作,包括扰动源识别、配网电缆故障定位、输电网电能质量标杆水平研究等.

此外,随着风力发电、光伏发电等分布式电源的接入，电网电能质量呈现出了新特点.一方面，分布式电源的接入给电网带来了电压波动、高次谐波等电能质量问题;另一方面,电网电压水平也直接影响着分布式电源的运行能力。

因此国外基于电能质量监测数据对分布式电源接入电能质量问题开展了研究。

在DFACTS设备相互作用及对配网电能质量影响研究方面,国外结合优质电力园区和友好电力技术对动态电压恢复器（DVR）、固态切换开关、静止同步补偿器（STATCOM）、有源滤波器（APF）等DFACTS设备的配合展开了理论及仿真研究，并在部分优质电力园区得到应用,例如1999年美国电力公司（AEP）在德拉瓦工业园区建立了优质电力园区,对动态电压恢复器、DSTATCOM和快速机械开关的配合进行实际应用,保证园内两个主要用户Nippert公司和PPG公司的电能质量要求。

在谐波对电网设备的影响研究方面，国际上在制定IEC标准时对该方面进行了研究，也有较多学者对变压器、感应电机等设备的谐波损耗等问题进行了分析.

但对各类电气设备的影响研究仍以定性为主，虽有部分试验数据,但仅限于部分具体的型式设备的部分参数,尚未开展全面的试验研究.

国内在电能质量监测终端及监测系统检测评估技术方面，主要参照电力行业标准DL/T1028—2006《电能质量测试分析仪检定规程》对电能质量测试分析仪的电压、

频率、谐波、闪变和三相不平衡度等功能的检定方法和技术要求做了规定.国家电网公司即将颁布的《电能质量监测终端技术规范》和《电能质量监测系统技术规范》参照IEC61000-4-30和IEC61850等标准对电能质量监测系统的参数测量方法、统计方法、准确度测试方法、通信等方面做了具体规定,为电能质量监测终端和系统的检测提供了参考技术规范。

目前，尚未幵展对电能质量监测终端准确度、统计方法、测量方法、通信等方面的全面测试服务。

在监测终端检测方面，中国电科院、浙江计量科学院幵展了精度测试，华北电科院除精度测试外对谐波测量方法的检测也做了一些研究,但检测指标、测量方法等的测试上还不够完善。

中国电科院等部分单位也开展了对监测终端和监测系统行IEC61850的测试服务，但均缺乏基于IEC61850—7-4（Ed2。

0）针对电能质量监测系统和设备的功能测试研究。

在电能质量监测系统建设方面，部分省（市）电力公司如上海、江苏、福建、山西、辽宁、江西、河南等先后建立了全省（市）的电能质量监测系统,部分省公司也建立了省内的多个地市级电能质量监测系统。

此外,针对风力发电、光伏发电等分布式电源、大型冶炼负荷、电气化铁路等特殊负荷,部分省（市）还建立了专门的电能质量监测系统，为开展特殊负荷电能质量问题研究奠定了基础.但目前所建立的电能质量监测系统,均相互独立，所采用的标准及结构均不统一,尚未实现监测系统间的数据集成,且不能与生产管理服务系统互联，使电能质量监测分析数据不能为生产管理提供决策支持。

由于电能质量问题已经呈现出了由配电侧向发电侧和高压侧渗透的新局面,有必要建立全网的电能质量监测系统，以掌握全网电能质量水平，协调区域间电能质量管理。

目前，我国仅在2011年启动的国家电网公司科技项目《京沪高铁电能质量监测及其综合治理关键技术研发》建立跨省的京沪高铁电能质量监测系统，但尚未形成能够掌握全网电能质量水平的电能质量数据服务中心。

在电能质量信息挖掘方面，目前各省（市）电能质量监测系统虽然基本达到了电能质量基本数据采集、报表生成等功能,但还严重缺乏高级分析技术，致使采集到的海量电能质量数据得不到充分利用，造成了严重的数据浪费.虽然部分省（市）公司的监测系统加入了专家系统分析功能，但是受到数据来源等条件的约束,使分析结果的可信度降低，并且大多数分析方法在实用性上还有待提高.针对风力发电、光伏发电等分布式电源、大型冶炼负荷、电气化铁路等特殊负荷，甘肃、山西等部分省（市）基于电能质量监测数据开展了电能质量分析与治理工作,但在电能质量治理决策支持方面尚未开展研究。

同时，这些已具备部分专家系统分析功能的监测系统,均未实现与生产管理系统的互联,使分析结果尚不能很好的为生产管理服务。

1.3本文的主要内容

本文研究的是电能质量存在问题与解决的方法。

全文共分为四章，各章内容简介如下:

第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容。

第二章对电能质量存在的问题以及产生的原因做了简要介绍，并对影响电能质量的因素做了分析研究。

电能质量问题主要分为,稳态电能质量问题和动态电能问题两大类。

其产生原因大体分为五点:

电压偏差,频率偏差，谐波,电压波动及闪边，三相不平衡.

影响电能质量的主要因素主要分为三点即：

自然因素,用户因素，输电线路.通过对以上三部分的介绍，基本上对电能质量问题的重要概念做了介绍。

第三章介绍了解决电能质量问题的方法.解决方法无外乎传统方法和基于用户的解决方法两类。

文章对第二类方法做了比较详细的介绍

第四章本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。

2电能质量存在问题

2。

1电能质量问题分类及产生原因

近30年来电力电子装置的应用日益广泛，使得电力电子装置成为最大的谐波源.在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。

目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。

带阻、感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉.二极管整流电路也是严重的谐波污染源。

这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。

但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重的污染，也使得总的功率因数很低。

另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波交流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。

除上述电力电子装置外，逆变器、直流斩波器的应用也较多。

但这些装置所需的直流电源主要来自整流电路,因而其谐波和无功功率问题也很严重.在这类装置中，各种开关电源、不间断电源和电压型变频器等的用量越来越大，其对电网的谐波污染问题也日益突出.特别是单台功率虽小，但是数量及其庞大的设备其内部都含有开关电源，它们的日益普及所带来的谐波污染问题是非常严重的。

电能质量问题按产生和持续时间可分为稳态电能质量问题和动态电能质量问题.

（1）稳态电能质量问题

稳态电能质量问题以波形畸变为主要特征，一般持续时间较长，在一段时间内（通常是1min以上）出现的电能质量不正常的情况，主要有下列类型:

（1）过电压，是指持续时间大于1min，数值大于标称电压的电压。

（2）欠电压，是指持续时间大于1min,数值小于标称电压的电压。

（3）电压不平衡，是指电压的最大偏移与三相电压的平均值的比值超过规定的标准。

（4）谐波，对周期性电压或电流进行傅立叶分解，得到频率为基波整数倍分量的含有量.谐波是衡量电能质量的重要指标之一。

（5）电压闪变，电压波形包络线呈规则的变化或电压幅值一系列的随机变化，一般表现为人眼对电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受.闪变分为周期性和非周期性两种。

（2）动态电能质量问题

动态电能质量问题通常是以暂态持续时间为特征,包括脉冲暂态和振荡暂态两大类，主要有以下几种形式：

（1）电压骤升、骤降,持续时间为0。

5个周期至1min,电压有效值上升或下降至标称电压的110％～180％或10%～90％。

（2）电压瞬变，持续时间很短的电压值发生快速的变化。

（3）短时断电，持续时间在0.5个周期至3S之间的供电中断。

2.2电能质量问题产生的原因

2。

2.1电压偏差

GB12325－1990《电能质量－供电电压允许偏差》规定电力系统在正常运行情况下，用户受电端电压允许偏差大小的标准是:

（1）35KV及以上用户端供电电压允许值为额定电压的－5％~5％。

（2）10KV及以下高压供电及低压用电电压允许值为额定电压－7％～7％.

（3）低压照明用户为额定值的－10％~5％。

一般来说造成电网电压偏差的最主要原因是无功功率的传输。

另外，电力电容器的投切对母线电压偏差的影响也是十分大的。

电压偏差产生的危害是很明显的，电压偏高将损坏绝缘设备，电压偏低将使异步电动机转速降低从而影响产品质量等等.

调整电网电压偏差的一般性的措施主要有下面三种：

（1）就地进行无功功率的补偿，如投切电容器，装设SVG等。

（2）调整发电机的励磁电流使发电机增发无功功率改善电网功率因数。

（3）采取有载电压可调的变压器调节电压变比实现电压的调整。

2。

2.2频率偏差

GB/T15945－1995《电能质量－电力系统频率允许偏差》对电网频率偏差作了若干规定:

（1）300万KW以上的电力系统频率偏差不得超过±0。

2Hz.

（2）300万KW以下的小容量电力系统频率偏差规定不能超过±0.5Hz。

（3）冲击性负荷造成的电力系统频率偏差一般不超过±0.2Hz.

电力系统产生频率偏差的原因主要是发电机有功出力和有功负荷的不平衡.当频率偏低时，汽轮机低压级叶片将由于振动加大而产生裂纹，甚至发生断落事故;频率的降低也将引起交流电动机转速相应降低，更加影响火电厂的出力，引起频率下降的恶性循环，频率的下降也会使电动机的转速下降影响产品质量。

而高频情况下会使系统电压升高损坏绝缘设备，不利于电气设备稳定运行，而且会增加设备损耗等。

频率的调整原则是实现有功负荷动态输入与输出的平衡。

一般性方法有：

（1）通过电网的一次和二次调频实现负荷和出力的平衡维持频率水平,系统自动调频装置和自动减负荷装置要能够及时、迅速投入出理事故。

（2）要做好日负荷曲线预测精度,使计划发电出力与实际负荷偏差减小在一定范围内。

电力系统需要一定的旋转备用容量，一般要求达到1％~3％.

2.2.3谐波

谐波主要是由非线性设备的使用引起的，这些设备包括敏感性的电力电子设备、整流器和一些诸如空调、电视机的家用电器等。

谐波将使电网母线电压产生畸变影响供电质量，使电网和电容器产生谐振,影响通讯干扰设备正常工作等。

GB/TI4549－93<<电能质量公用电网谐波>〉中关于公用电网谐波电压限制值如表2—1所示.

表2-1公用电网谐波电压限值

对允许注入不同电压等级母线的谐波电流，在国家标准GB/TI4549－93《电能质量公用电网谐波》也作了相应规定。

为把谐波电压畸变率和注入电网的谐波电流限制在国家标准以内，必须进行有效的滤波措施。

传统的滤波方式采用无源滤波器（PassiveFilter），通过LC的阻抗－频率特性可以对某些频率的谐波形成低阻抗通路从而起到滤波作用，无源滤波器可以分为单调滤波器、高通滤波器等。

但是无源滤波装置有其局限性，比如不能动态补偿、容易产生谐振等。

基于电力电子技术的有源滤波器（ActivePowerFilter）以其优良的技术优势，良好的补偿特性成为谐波治理的有效手段。

2.2.4电压波动与闪边

电压波动与闪变主要是由冲击性功率负荷引起的，如电力牵引机、炼钢电弧炉、电弧焊机和轧钢机等.这些非线性、不平衡冲击性负荷产生的有功和无功功率会随机或者周期性的变动，有功和无功的剧烈变化将会使电压产生周期性或随机的变化，从而使同一电网上其它用户电压以相同的方式波动。

这种电压幅值在一定范围内（通常为额定值的90％～110%或110％~180%）有规律或随机地变化，即称为电压波动。

闪变表现为人眼对电压波动所引起的照明异常的视觉感受。

电压波动对诸如调速电机、计算机、PLC、芯片制造生产流程线这样的对电压质量要求很高的敏感性负荷影响是十分巨大的，造成的经济损失也不容忽视。

目前，抑制电压波动与闪变的主要方法还是TCR型SVC，抑制电压波动的另一种方式就是SVG。

另外有源滤波器（APF）动态电压恢复器（DVR）等对电压波动与闪变也能起到抑制作用.

2.2.5三相不平衡

三相不平衡定义为相电压或相电流对于三相电压或者电流平均值偏移的最大值。

对三相交流系统，我们可以使用对称分量法分解为正序分量、负序分量以及零序分量,称负序分量和正序分量之比为不平衡度，GB/TI4549－95《电能质量－三相电压允许不平衡》规定:

（1）正常运行方式下系统在公共连接点的电压允许不平衡度为2%，短时不得超过4％。

（2）用户的电压不平衡度的一般限制为1。

3％，而电气设备额定工况的电压允许不平衡度和负序电流则由各自标准规定.造成三相不平衡的主要原因有两类：

一类是大容量非对称负荷的接入，如电力机车等；另一类是电网的谐波造成三相不平衡.除此以外，系统故障例如短路故障也会造成三相不平衡。

三相电压或电流不平衡会对电网和用户造成很多危害，比如：

（a）引起旋转电机附加发热和振动.（b）零序电流会使保护装置误动作,干扰通讯。

（c）变压器的三相负荷不平衡会使负荷较大的一相绕组过热导致寿命缩短和发热。

改善三相不平衡的措施主要有：

（1）将不对称负荷分散接到不同供电点，避免集中连接。

（2）对于单相负荷,可以进行适当的切改负荷。

（3）装设动态无功补偿装置和单相动态补偿器以及消谐装置。

2。

3电能质量影响指标

电能质量直接关系到电力系统的供电安全和供电质量，从技术上讲，影响电能质量的因素主要包括三个方面：

（1）自然现象的因素，如雷击、风暴、雨雪等对电能质量的影响，使电网发生事故,造成供电可靠性降低。

（2）电力设备及装置的自动保护及正常运行的因素，如大型电力设备的启动和停运、自动开关的跳闸及重合等对电能质量的影响,使额定电压暂时降低、产生波动与闪变等。

（3）电力用户的非线性负荷、冲击性负荷等大量投运的因素,如炼钢电弧炉、电气化机车运行等对电能质量的影响，使公用电网产生大量的谐波干扰、产生电压扰动、产生电压波动与闪变等.

电能质量的关键指标中，电源电压质量的标准是一项重要的内容，它主要以频率质量指标和电压质量指标来衡量。

频率质量指标为频率允许偏差的标准;电压质量指标包括电压幅值质量和波形质量。

幅值质量包括电压允许偏差、电压波动和闪变、三相电压不平衡度、瞬时过电压与暂态过电压等。

波形质量包括谐波含量和电压正弦波波形的畸变率。

电压质量主要是受到大容量非线性负荷及冲击性负荷的影响。

凡是具有非线性阻抗特性的电气设备都是电能质量的污染源，包括各种电力电子设备的用电负荷、炼钢电弧炉负荷、电力机车负荷等，使电网中产生电压波动与闪变、产生高次谐波电压、造成系统电压不平衡等,从而引起电压正弦波形畸变。

冲击性负荷的影响，主要使电网中大功率用电设备的启动和切换。

电能质量的污染，影响到电力系统、电力用户、通信系统及其他相关行业。

因此，电源电压质量指标恶化并造成危害不仅影响了电力系统和相关领域的正常运行，而且对正常的安全可靠用电也造成了一定的威胁。

认识电能质量污染的影响并采取相应的防范措施和对策，确保电能的高品质，是优质供电服务的一项重要内容。

电力系统电压骤降是指供电电压幅值（有效值）短暂降低，随后恢复正常的特征。

根据欧洲标准EN50160以及美国国际电气电子工程师协会推荐标准IEEEStd1159—1992,电压骤降的定义为:

供电电压有效值突然降至额定电压的90％～10%（0。

9p.u.~0.1p.u.）,然后又恢复至正常电压,这一过程的持续时间为10ms~60s。

供电可靠性反映的是供电中断程度，一般只考虑持续时间5min以上的电压中断问题，有些国家对1min以下的中断不予统计.随着经济的发展,高科技设备得到了广泛的应用。

这些设备对电压变化很敏感，短时的供电中断或电压有效值下降，往往会造成设备不能正常运行、发生停机等事故.电压骤降就是针对这一问题提出的。

引起电压骤降的主要原因是电网或用电设备发生雷击、外力短路故障，一些用电设备（如电动机）启动或突然加荷也会造成电网电压瞬时下降。

与长时间供电中断事故相比，电压骤降又发生频度高、事故原因不易觉察的特点，处理起来也比较困难。

3电能质量解决方法

3.1传统方法

传统的解决办法主要有下面四种:

（1）调节有载调压变压器的分接头，可保持电压稳定,保证电压质量,但不能改变系统无功需求平衡状态，同时也可能影响变压器运行的可靠性.

（2）局部并联电容器组,可补偿系统无功功率,解决电压偏低的情况，但对轻载电压偏高的电能质量问题却无能为力.

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