國標(biāo)GB/T 14549—93的諧波電壓限值執(zhí)行情況分析

馮宇,李澍森

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院 高壓電器研究所,湖北 武漢 430074)

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展,電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷日益增多,使得諧波成為一個普遍的、亟需治理的電能質(zhì)量問題。為了控制諧波污染,我國于1993年頒布了諧波國標(biāo)GB/T 14549—93[1],15年以來,電力企業(yè)及客戶以此為依據(jù),實現(xiàn)對電網(wǎng)諧波的控制和管理。

GB/T 14549—93中的諧波電壓限值是評判電網(wǎng)諧波電壓水平的主要依據(jù),而電網(wǎng)諧波電壓水平則是考察電力企業(yè)供電質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。實際上,電網(wǎng)的諧波電壓水平不單單由供電方?jīng)Q定,還受到電力用戶的影響[2]。因此,諧波電壓限值的合理性就成為一個攸關(guān)供用電雙方技術(shù)、經(jīng)濟利益的重大問題,一直備受關(guān)注。

本文通過整理大量的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),以總諧波畸變率為例,考察諧波電壓限值的合理性。分析結(jié)果表明,我國各電壓等級的諧波水平大體可控制在現(xiàn)行國標(biāo)的限值之內(nèi),各重點行業(yè)的超標(biāo)諧波源經(jīng)治理后、其諧波水平可降低到現(xiàn)行國標(biāo)的限值之內(nèi)并具有節(jié)能效益,盡管在一些地區(qū)電鐵諧波水平較高,超出現(xiàn)行國標(biāo)限值,但經(jīng)過治理可降低到國標(biāo)限值之內(nèi)。

2 我國各電壓等級諧波電壓的基本狀況

諧波國標(biāo)的制定、頒行以及修訂,既要立足于我國地域幅員遼闊、各地區(qū)間經(jīng)濟發(fā)展水平存在明顯差異的基本國情以反映各地區(qū)的現(xiàn)有諧波狀況,又要起到裁決諧波事故糾紛、為諧波治理提供參考依據(jù)的作用,還需具有前瞻性、在標(biāo)準(zhǔn)頒行后的若干年內(nèi)都能客觀合理地反映我國各地區(qū)的諧波發(fā)展水平。

通過對現(xiàn)有資料的整理,總結(jié)出我國部分地區(qū)各電壓等級的諧波電壓基本狀況如表1[3～17]所示,從中可得如下結(jié)論:

1)各類非線性負(fù)荷的數(shù)量多少是影響該電壓等級諧波水平的重要因素,而非線性負(fù)荷的數(shù)量又與地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平密切相關(guān)。如文獻[5]的數(shù)據(jù)統(tǒng)計于 1994年(GB/T 14549—93頒布不久),當(dāng)時浙江的經(jīng)濟規(guī)模和發(fā)展階段使非線性負(fù)荷的數(shù)量不斷增加,在接入電力系統(tǒng)時又基本上無章可循,因此諧波水平較高;

2)隨著地區(qū)經(jīng)濟水平的不斷增強,供用電雙方對電能質(zhì)量的認(rèn)識和要求不斷提高,各類電能質(zhì)量治理的手段也日益完善。在這種情況下盡管非線性負(fù)荷不斷增多,但諧波電壓水平仍有可能降低、控制在現(xiàn)行國標(biāo)的限值之內(nèi)。如文獻[6]的電鐵在采用了治理措施后,可使諧波水平不超標(biāo);

表1 部分地區(qū)各電壓等級諧波THD普查結(jié)果匯總T ab.1 The THD survey results collect of each voltage grade harmonic in some areas

3)在各類非線性負(fù)荷中,由于110 kV電網(wǎng)對電鐵供電,因此電鐵對該電壓等級的諧波電壓水平影響巨大。如不加治理,則必然超標(biāo)[4,7],通過治理則可將諧波電壓水平限制在現(xiàn)行國標(biāo)的限值之內(nèi)[3,6];

4)參照110 kV等級的限值,現(xiàn)階段各地區(qū)220 kV等級的諧波水平不超標(biāo)。

綜上所述,盡管某些地區(qū)的諧波水平較高,但考慮到國標(biāo)應(yīng)具有“約束落后、鼓勵先進、促進電網(wǎng)諧波水平不斷降低”的作用,在電能質(zhì)量治理手段不斷進步的大背景下,我國各電壓等級的諧波電壓水平大體可控制在現(xiàn)行國標(biāo)的限值之內(nèi)。

3 重點行業(yè)的諧波電壓水平分析

電力系統(tǒng)中的非線性元件(主要是各種電力電子裝置)是產(chǎn)生諧波的主要原因,這些非線性諧波源主要分布在電鐵、冶金、化工、軌道交通等行業(yè),因此這些行業(yè)對國標(biāo)GB/T 14549—93諧波電壓限值的執(zhí)行情況基本可以反映出國標(biāo)諧波電壓限值的整體執(zhí)行情況。

軌道交通是近幾年才在大城市中出現(xiàn)的諧波源,通常在設(shè)計之初就會考慮到諧波治理問題,對電力系統(tǒng)影響不大;電鐵影響巨大,將專做討論。本節(jié)主要以冶金、化工行業(yè)為例分析其國標(biāo)執(zhí)行情況,典型數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表2[11,12,14,16,18,19]所示。

由表2可得如下結(jié)論:

1)在6個測試對象當(dāng)中,編號1,4(進線電壓),6的THDu可達到現(xiàn)行國標(biāo)的限值,占測試對象總數(shù)的50%。編號4(出線電壓)的THDu超過現(xiàn)行國標(biāo)的限值,占測試對象總數(shù)的16.7%,參考文獻中未指明這3個測試對象是否進行了諧波治理。編號2,3,5等3個測試對象在未進行諧波治理的情況下,其THDu超過現(xiàn)行國標(biāo)的限值,占測試對象總數(shù)的50%;

2)編號2,3,5等3個測試對象經(jīng)過諧波治理后,其THDu低于現(xiàn)行國標(biāo)的限值;

3)各類典型諧波源除了產(chǎn)生諧波之外,通常還會引起無功、功率因數(shù)等電能質(zhì)量問題,對系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害。為保證系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性,對這些電能質(zhì)量問題必須加以治理。如果選用(無源、有源、混合)濾波器作為治理手段,則不僅可以濾除諧波,同時還可以提高功率因數(shù)、減少無功損耗、具有節(jié)能效益。由此可知,對各類諧波源進行諧波治理是提高電能質(zhì)量的有效途徑。

表2 典型諧波源執(zhí)行GB/T 14549—93的THD限值情況匯總Tab.2 The T HD limitation value situation collect of typical harmonic source execute GB/T 14549-93

綜上所述,各類典型諧波源的諧波電壓水平大體可控制在現(xiàn)行國標(biāo)的限值之內(nèi)。對于諧波水平超標(biāo)的諧波源,經(jīng)治理后,其諧波電壓水平可降低到現(xiàn)行國標(biāo)的限值之內(nèi)。進行諧波治理可有效提高電能質(zhì)量,十分必要。

4 電氣化鐵路對電網(wǎng)諧波電壓的影響分析

電鐵負(fù)荷是一種對電網(wǎng)諧波電壓水平影響巨大的諧波源。目前我國絕大部分的電力機車是韶山型機車(如 SS4改進型、SS8型、SS9型),采用直流驅(qū)動方式,使得電氣化鐵道的諧波具有如下特點:

1)單相獨立性。我國鐵路供電系統(tǒng)均采用兩相供電制,但兩相負(fù)荷相關(guān)性很小,通常認(rèn)為兩臂負(fù)荷是獨立的;

2)隨機波動性。相控機車電流的波形隨相控角的變化而改變,諧波電流隨基波負(fù)荷劇烈波動,諧波含量取決于機車的運行工況;

3)相位廣泛分布。諧波向量可在復(fù)平面4個象限上廣泛分布;

4)高壓滲透性。任一次諧波都通過高壓系統(tǒng)向全網(wǎng)滲透,不受變壓器接線方式的阻礙;

5)穩(wěn)態(tài)奇次性。單相整流負(fù)荷在穩(wěn)態(tài)運行時只產(chǎn)生奇次諧波,僅在涌流中含有偶次諧波。

以上特點導(dǎo)致牽引供電網(wǎng)的功率因數(shù)低(一般額定工況時在0.8左右)、諧波含量高,進而影響電網(wǎng)諧波電壓水平。

電鐵諧波的治理可從機車本身或牽引變電站兩方面入手:

1)機車裝設(shè)濾波裝置,或改進機車的主電路和工作流程,如韶山4改進型采用不等分3段半控橋式整流電路、同時配合一定的工作流程,可在提高功率因數(shù)的同時有效抑制諧波;

2)在變電站牽引母線上裝設(shè)濾波裝置集中補償,也可以裝設(shè)無功補償裝置、具有一定的諧波抑制作用。如株洲變流技術(shù)國家工程研究中心研制的TCR型靜止型動態(tài)無功補償裝置于2005年10月在百色牽引變電所正式投入使用,同年10月11日進行南昆線重載牽引擴能試驗,測得動補裝置投運后,運行穩(wěn)定,多項數(shù)據(jù)反應(yīng)良好。

特別需要指出的是,采用PWM技術(shù)的交流變頻調(diào)速機車在今后將逐漸投入運行,諧波和無功的問題將會得到更大改善。高速鐵路由于采用交直交型電力機車,機車運行功率因數(shù)一般高于0.93,產(chǎn)生的諧波較小(總諧波電流畸變率小于5%),使得諧波和無功沖擊問題對電力系統(tǒng)的影響較小。因此,不論是立足于現(xiàn)有技術(shù)條件,還是考慮到鐵路今后的發(fā)展趨勢,鐵路部門都有條件對諧波進行有效治理,降低對電網(wǎng)的影響。

通過對現(xiàn)有資料的整理,總結(jié)出電鐵負(fù)荷對電網(wǎng)諧波電壓水平的影響狀況如表3[3,4,6,7,20～22]所示,從表3中可得如下結(jié)論:

1)在電鐵負(fù)荷的影響下,相當(dāng)一部分測試對象的電網(wǎng)電壓THDu超過現(xiàn)行國標(biāo)的限值;

表3 電鐵負(fù)荷對電網(wǎng)(110 kV)諧波電壓水平的影響結(jié)果匯總Tab.3 The results collect of effect that electrified railway load on power network(110 kV)harmonic voltage level

2)從測試對象1,2的THDu指標(biāo)可知,電鐵對系統(tǒng)電壓的影響大于系統(tǒng)背景諧波,由此可見電鐵諧波源對電網(wǎng)諧波電壓水平的巨大影響;

3)測試對象6的THDu在未治理時超標(biāo),經(jīng)治理后低于現(xiàn)行國標(biāo)限值。測試對象5在未治理時T HDu超標(biāo),投入4種無功補償裝置后,盡管仍有3種情況超標(biāo),但其中2種情況的T HDu已經(jīng)接近現(xiàn)行國標(biāo)限值。不難推知,如果采用濾波裝置,則 THDu必然會降低到現(xiàn)行國標(biāo)限值之下。因此可以說,現(xiàn)行國標(biāo)限值對于電鐵諧波源是合理的。

綜上所述,盡管在一些地區(qū)電鐵諧波水平較高,超出現(xiàn)行國標(biāo)規(guī)定的限值,但經(jīng)過治理是可以低于現(xiàn)行國標(biāo)限值的。

5 結(jié)論

1)非線性負(fù)荷的數(shù)量多少與經(jīng)濟發(fā)展水平密切相關(guān),是影響電網(wǎng)諧波電壓水平的重要因素。隨著經(jīng)濟水平的不斷增強,供用電雙方對電能質(zhì)量的認(rèn)識和要求也不斷提高。因此盡管非線性負(fù)荷不斷增多,某些地區(qū)的諧波水平較高,但考慮到國標(biāo)應(yīng)具有“約束落后、鼓勵先進、促進電網(wǎng)諧波水平不斷降低”的作用,在電能質(zhì)量治理手段不斷進步的大背景下,我國各電壓等級的諧波電壓水平大體可控制在現(xiàn)行國標(biāo)的限值之內(nèi)。

2)在冶金、化工等重點行業(yè)中,各類典型諧波源的諧波電壓水平大體可控制在現(xiàn)行國標(biāo)的限值之內(nèi)。超標(biāo)諧波源經(jīng)治理后、其諧波水平可降低到現(xiàn)行國標(biāo)的限值內(nèi)并具有節(jié)能效益。對各類諧波源進行治理還可以在一定程度上解決無功、功率因數(shù)等問題,是提高電能質(zhì)量及節(jié)能的有效途徑。

3)電鐵負(fù)荷對系統(tǒng)電壓的影響大于系統(tǒng)背景諧波,致使相當(dāng)一部分測試對象的電網(wǎng)T HDu超過現(xiàn)行國標(biāo)的限值。通過對多處電鐵諧波治理案例的分析可知,經(jīng)過治理后的電鐵諧波電壓水平是可以低于現(xiàn)行國標(biāo)限值的。加之今后交直交型電力機車的不斷增多,對電網(wǎng)諧波電壓的影響可進一步降低,因此可以說,現(xiàn)行國標(biāo)限值對于電鐵諧波源是合理的。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—93.電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].

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