在區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行電能質(zhì)量測試的重要性

李 波

國網(wǎng)黑龍江黑河供電公司

電力系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的整體，在保證向用戶提供優(yōu)質(zhì)電力的同時(shí)，還要避免遭受用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的干擾。了解各類負(fù)荷對(duì)公用電網(wǎng)帶來的危害，采用技術(shù)手段進(jìn)行監(jiān)督管理，采取措施進(jìn)行抑制和治理。

1 前言

電能是一種經(jīng)濟(jì)適用、清潔方便的能源形式，其生產(chǎn)、輸送、分配和轉(zhuǎn)化直至消耗是同時(shí)進(jìn)行的。電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量始終處在動(dòng)態(tài)變化中，其狀況相互影響。在發(fā)、供、用構(gòu)筑的整體中，不論哪個(gè)環(huán)節(jié)引起電能質(zhì)量問題，質(zhì)量一旦達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，都會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。

2 電能質(zhì)量問題存在的原因及產(chǎn)生的危害

專家認(rèn)為，對(duì)現(xiàn)代電能質(zhì)量的定義應(yīng)該理解為“導(dǎo)致用戶設(shè)備不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差，造成用電設(shè)備故障或錯(cuò)誤動(dòng)作的任何電力問題都是電能質(zhì)量問題”。則表征電網(wǎng)電能質(zhì)量好壞的技術(shù)指標(biāo)有五個(gè)方面。下面首先從這幾個(gè)方面所產(chǎn)生的原因和由此造成的危害進(jìn)行主要闡述。

電壓偏差

電壓偏差是指電力系統(tǒng)電壓緩慢變化，其實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差。由于系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不合理，供電電源不靠近用電負(fù)荷中心，供電半徑過大，無功負(fù)荷沒有遵循就地平衡的原則，都會(huì)產(chǎn)生電壓偏差。其超標(biāo)的危害主要表現(xiàn)在用電設(shè)備會(huì)由于過電壓或過電流而損壞；對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也造成危害，可能產(chǎn)生同步運(yùn)行穩(wěn)定破壞或電壓不穩(wěn)定的嚴(yán)重電力系統(tǒng)事故。

頻率偏差

在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率與用電設(shè)備及送電設(shè)備消耗的功率不平衡時(shí)，將引起電力系統(tǒng)頻率變化。無論電力系統(tǒng)低頻率運(yùn)行還是高頻運(yùn)行，都會(huì)對(duì)發(fā)電廠和電力用戶產(chǎn)生不利影響，引起惡性循環(huán)，危害電力設(shè)備的絕緣，增加用戶和系統(tǒng)的損耗，甚至造成嚴(yán)重事故。

三相不平衡

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不斷出現(xiàn)的大量不平衡負(fù)荷以及一些大容量負(fù)荷，使電網(wǎng)三相不平衡日趨嚴(yán)重，危及電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，特別是當(dāng)電網(wǎng)中同時(shí)存在諧波時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行是有嚴(yán)重威脅的。如區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)10kV工業(yè)干為某一鋼廠供電，鋼廠采用中頻電弧爐煉鋼。電弧爐在熔化期三相電極不規(guī)則的調(diào)整，其電弧電阻的非線性導(dǎo)致大量諧波注入電網(wǎng)引起三相負(fù)荷的不平衡，嚴(yán)重的三相不平衡使采用三相四線制系統(tǒng)供電的配電網(wǎng)中性線過負(fù)荷，在中性線上產(chǎn)生不平衡電流，引起零電位漂移，導(dǎo)致臨近某學(xué)院多臺(tái)計(jì)算機(jī)燒損，損失嚴(yán)重。

電壓波動(dòng)與閃變

電壓波動(dòng)和閃變大多產(chǎn)生于配電系統(tǒng)，并通過配電變壓器傳遞到低壓側(cè)的用戶電源端。有些電壓波動(dòng)盡管在限度以內(nèi)，但可能產(chǎn)生照明閃爍、干擾計(jì)算機(jī)等電壓敏感型設(shè)備的正常運(yùn)行。

公用電網(wǎng)諧波

非線性用電設(shè)備是諧波產(chǎn)生的主要原因，由于非線性設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)注入系統(tǒng)電源中，畸變電流流經(jīng)系統(tǒng)阻抗使母線電壓發(fā)生畸變，如化工行業(yè)的高頻爐、鋼鐵行業(yè)的煉鋼爐等；隨著電子設(shè)備應(yīng)用的大量增加，具有UPS 電源、電子調(diào)速設(shè)備及家用電器中的計(jì)算機(jī)、微波爐等各類非線性設(shè)備使用集中地區(qū)諧波污染也已相當(dāng)嚴(yán)重。諧波污染的影響使電能質(zhì)量明顯下降，對(duì)電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及電力用戶的可靠用電都造成了威脅。

值得一提的是，諧波污染還會(huì)引起變電站的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成電壓互感器等設(shè)備損壞；造成變電站系統(tǒng)中的設(shè)備和元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，引起變壓器、電力電纜等設(shè)備發(fā)熱、電容器損壞。例如局域網(wǎng)某變電所投產(chǎn)初期，由于非線性負(fù)荷比重較大，并聯(lián)電容器組投入時(shí)電容器的諧波阻抗小，注入電容器組的諧波電流大，造成電容器的過電流和過電壓，致使電容器的損耗增加、發(fā)熱異常，絕緣加速老化。同時(shí)，諧波使工頻正弦波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生鋸齒狀尖頂波，在絕緣介質(zhì)間引發(fā)局部放電，局部放電也同時(shí)加速了絕緣介質(zhì)的老化，致使該變電所電容器在短期內(nèi)多次損壞。

3 區(qū)域網(wǎng)現(xiàn)狀及所面臨的問題

區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行方式特殊，由220kV 變電站8 座，220kV 線路總長1200km；110kV 變電所22 座，110kV 線路總長1500km ；35kV 變電所13 座等構(gòu)成，由省網(wǎng)和俄網(wǎng)共同供電，供電半徑大，負(fù)荷情況復(fù)雜，使電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行壓力較大。

區(qū)域電網(wǎng)高耗能，僅工業(yè)園區(qū)就有工業(yè)硅冶煉企業(yè)七家，供電容量在200MVA 以上，化工企業(yè)陸續(xù)投產(chǎn)，使非線性負(fù)荷所占比重越來越大。這些工業(yè)負(fù)荷一般都安裝有無功補(bǔ)償電容器，由于供電系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中都呈感性，電容器的存在就創(chuàng)造了諧振的條件，因此可能放大來自非線性負(fù)荷的諧波電流，從而引起電網(wǎng)中電壓畸變率的增高產(chǎn)生其他問題。

風(fēng)電場接入電網(wǎng)后，在向電網(wǎng)提供電能的同時(shí)，也會(huì)給電網(wǎng)的運(yùn)行帶來一些負(fù)面影響。風(fēng)能作為一種無污染的可再生能源，在未來的能源系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，在風(fēng)能資源豐富的區(qū)域，得到了快速發(fā)展，近兩年來，局域電網(wǎng)就有多家風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行。風(fēng)電是一種清潔能源，但是隨自然條件變化的，風(fēng)速與風(fēng)向的隨機(jī)變化，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的隨機(jī)性和間歇性，隨著風(fēng)電場的建設(shè)和裝機(jī)容量在系統(tǒng)中所占的比例的增加，大風(fēng)速擾動(dòng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的電壓和頻率產(chǎn)生較大影響，且機(jī)組啟動(dòng)時(shí)從系統(tǒng)大量吸收無功，并網(wǎng)瞬間的沖擊電流為額定電流的2～3 倍，造成系統(tǒng)電壓水平下降，危及系統(tǒng)穩(wěn)定。

商業(yè)負(fù)荷和民用負(fù)荷對(duì)局域配電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響也不容忽視。商業(yè)客戶中大量的不間斷電源、電信交換機(jī)、壓縮機(jī)等交流調(diào)速裝置都是典型的非線性設(shè)備，而家用電器也都會(huì)產(chǎn)生諧波，雖然單個(gè)容量較小，但是數(shù)量巨大。在以三相四線制供電的配電系統(tǒng)中，這些非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流會(huì)導(dǎo)致供電線路的中線導(dǎo)體過熱、變壓器過熱以及干擾通信系統(tǒng)。

電能質(zhì)量測試在預(yù)防、檢修中的作用

要保障電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，就必須及時(shí)地對(duì)電網(wǎng)中的污染源進(jìn)行定量的分析，采取適當(dāng)?shù)拇胧┘右韵拗坪凸芾?，目前無法進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析，只有依靠測量手段。

2009年初，工業(yè)園區(qū)合盛硅業(yè)投運(yùn)前，對(duì)其進(jìn)行了接入諧波評(píng)估測試。該負(fù)荷由220kV 愛輝變35kV 八號(hào)線（俄網(wǎng)）供電，主要用電設(shè)備總?cè)萘繛?2600kVA（三臺(tái)單相變壓器，單臺(tái)容量4200kVA），主要負(fù)荷為交流電弧爐，額定出力為12500kW，這類設(shè)備在冶煉過程中，工作電流極不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生較大數(shù)量的諧波電流注入電網(wǎng)，引起區(qū)域網(wǎng)電壓波形畸變，其電弧爐運(yùn)行時(shí)三相電機(jī)不能保持同步升降，形成三相負(fù)荷不對(duì)稱，造成電網(wǎng)電壓三相不平衡。通過測試所得，該企業(yè)生產(chǎn)時(shí)所注入的各次諧波電流中，3、5、7 次都超出國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值要求，愛輝變35kV八號(hào)線母線電壓諧波的總畸變率為5.5%，超出國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值（3%）。要求合盛硅業(yè)對(duì)諧波源進(jìn)行綜合治理，必須采取濾波補(bǔ)償措施。該企業(yè)采用高壓并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器的補(bǔ)償措施，補(bǔ)償裝置投運(yùn)后，進(jìn)行實(shí)測，生產(chǎn)時(shí)所注入的3、5、7 次諧波電流顯著減少，愛輝變35kV八號(hào)線線母線電壓諧波的總畸變率為2.67%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。通過監(jiān)測手段，加強(qiáng)了電網(wǎng)中諧波源的管理，限制了用戶諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流，有效預(yù)防各種危險(xiǎn)諧振現(xiàn)象的發(fā)生。

在區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行電能質(zhì)量定期監(jiān)測，還可以及早捕捉系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，及時(shí)進(jìn)行檢修預(yù)防，減小系統(tǒng)潛在危險(xiǎn)。如某變電所在短時(shí)期內(nèi)先后發(fā)生兩次因10kV 母線過電壓造成對(duì)地短路，絕緣子爆炸，引線、刀閘燒毀的事故。經(jīng)過對(duì)此變電所進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)發(fā)生事故的母線電壓不平衡（電壓互感器二次電壓最低相為55V，最高相為62V），各項(xiàng)電壓諧波含量很高，其三次諧波含量達(dá)22%，且該母線所帶的各負(fù)荷進(jìn)線的電流諧波含量并不高，僅為1.5%。經(jīng)分析驗(yàn)證，確定為該10kV 母線上的電壓互感器中性點(diǎn)接地不良造成的。檢修排除故障后，三相電壓恢復(fù)平衡，電壓諧波降至1.1%的正常值。結(jié)合此次事件，對(duì)同等情況的變電所進(jìn)行了排查，避免同類事故的再次發(fā)生。

4 結(jié)語

隨著地域經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，地區(qū)負(fù)荷不斷增長，用電需求不斷增大，電能質(zhì)量問題備受關(guān)注。為了避免電能質(zhì)量事故的發(fā)生，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行電能質(zhì)量測試，對(duì)非線性負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)測、治理，是保障局域電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要手段。