電能質(zhì)量對(duì)發(fā)電廠安全運(yùn)行的影響分析

【摘要】結(jié)合電廠生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際，通過(guò)電壓偏差、頻率偏差、諧波產(chǎn)生對(duì)電廠電能質(zhì)量的影響進(jìn)行分析，提出應(yīng)對(duì)措施。

【關(guān)鍵詞】電壓波動(dòng);頻率;偏差;諧波污染;絕緣

1、引言

隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，電廠電力系統(tǒng)中增加了較多的非線性負(fù)載，尤其是電除塵整流變，由于整流變是由雙向可控硅開(kāi)關(guān)控制，會(huì)引起6KV系統(tǒng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，造成6KV電壓系統(tǒng)出現(xiàn)諧波污染，甚至造成保護(hù)動(dòng)作；另外，沖擊性、波動(dòng)性負(fù)荷，如大型電機(jī)、變壓器的投入退出等不僅會(huì)產(chǎn)生高次諧波，而且使電壓波動(dòng)、三相不平衡現(xiàn)象的出現(xiàn)，這些都對(duì)電力設(shè)備安全照成影響。為此國(guó)家對(duì)供電電壓、頻率的偏差幅度進(jìn)行了規(guī)定和限制。

2、電壓偏差

電力設(shè)備的運(yùn)行指標(biāo)和額定壽命是對(duì)其額定電壓而言。當(dāng)其電壓出現(xiàn)偏差時(shí)，其運(yùn)行安全和壽命將受到影響，影響程度視偏差大小、持續(xù)時(shí)間和設(shè)備狀況而定。電壓偏差計(jì)算公式如下：

電壓偏差（%）=（實(shí)際運(yùn)行電壓-額定電壓）/額定電壓*100%

《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》（GB12325-2008)規(guī)定電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，電壓允許偏差：

（1）220KV及以上電網(wǎng)電壓正、負(fù)偏差絕對(duì)值的和不超過(guò)額定電壓為10%；

（2）6KV電壓等級(jí)電壓允許偏差為+7%-- -7%

（3）400V電壓能級(jí)電壓運(yùn)行偏差為+10%-- -10%

電廠電壓偏差趨勢(shì)表現(xiàn)為220KV側(cè)電壓正偏差，6KV、400V電壓負(fù)偏差。

原因分析：（1）電廠220KV直接進(jìn)入電網(wǎng)220KV系統(tǒng)，電網(wǎng)中的負(fù)荷大部分為感性負(fù)荷，再加上電網(wǎng)中的各級(jí)變壓器也為感性，這樣電網(wǎng)需的無(wú)功功率就需要較多，系統(tǒng)就會(huì)無(wú)功不足，甚至在夜間時(shí)段出現(xiàn)電壓偏差超過(guò)上線。（2）電廠6KV、400V系統(tǒng)為電廠自用負(fù)荷電源，電壓偏差主要由于負(fù)荷分配不均勻和變壓器分接頭調(diào)整不合理造成。

電壓偏差的不利影響：（1）220KV側(cè)電壓偏高，對(duì)降壓變壓器有功輸出有一定影響，會(huì)造成降壓變壓器輸送的有功功率降低；（2）電廠側(cè)電壓長(zhǎng)期偏高得不到有效調(diào)整，若出現(xiàn)由于無(wú)功電源（發(fā)電機(jī)）突然切除，有可能造成區(qū)域電壓不穩(wěn)定；（3）電壓偏高會(huì)造成變壓器勵(lì)磁電流增加，鐵損增加，鐵芯發(fā)熱；（4）電壓偏低會(huì)造成電動(dòng)機(jī)電流顯著增加，引起電機(jī)定子繞組發(fā)熱增加，造成電機(jī)絕緣老化。

在發(fā)電企業(yè)中，改善電壓偏差的主要措施：（1）電廠端220KV電壓偏差調(diào)整的主要手段是通過(guò)調(diào)整勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電流，使其超前或滯后運(yùn)行，進(jìn)而改變發(fā)電機(jī)無(wú)功輸出，從源頭開(kāi)展無(wú)功補(bǔ)充。這種調(diào)整可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)電壓調(diào)整裝置AVR在大型火電廠已開(kāi)始使用。在機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，要特別注意廠用電壓的下降情況，防止由于廠用電壓下降幅度超過(guò)5%影響到大型輔機(jī)（如給水泵電機(jī)、引風(fēng)機(jī)電機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)電機(jī)）的自啟動(dòng)。（2）6KV、400V電壓系統(tǒng)電壓偏差主要措施一是通過(guò)調(diào)整各段負(fù)荷分配，使負(fù)荷分配均勻，避免由于某段負(fù)荷過(guò)重而出現(xiàn)電壓過(guò)低；二是調(diào)整變壓器分接頭，其中啟備變可根據(jù)電壓偏差動(dòng)態(tài)調(diào)整有載分接開(kāi)關(guān)。

3、諧波產(chǎn)生

諧波的產(chǎn)生主要原因是由于系統(tǒng)某些設(shè)備和負(fù)荷的非線性特征，即所加電壓與產(chǎn)生的電流不成線性關(guān)系而造成的波形畸變。

電廠側(cè)諧波源：（1）鐵磁飽和型：各種鐵芯設(shè)備，如變壓器，其鐵磁飽和特性呈非線性；（2）電子開(kāi)關(guān)型：主要為各種交直流換流設(shè)備，如高壓電機(jī)變頻器；還有就是雙向晶閘管開(kāi)關(guān)設(shè)備，如電除塵整流變的控制開(kāi)關(guān)。（3）斷路器在操作過(guò)程由于不同期產(chǎn)生諧波過(guò)電壓。

諧波對(duì)系統(tǒng)的影響：（1）諧波對(duì)系統(tǒng)主要影響是引起附加損耗，對(duì)電動(dòng)機(jī)和變壓器的主要危害是引起附加損耗和發(fā)熱增加，長(zhǎng)期間的熱量累計(jì)會(huì)使設(shè)備絕緣出現(xiàn)老化，甚至造成設(shè)備故障跳閘；（2）諧波還會(huì)引起電動(dòng)機(jī)和變壓器振動(dòng)并發(fā)出噪音，長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)會(huì)造成設(shè)備零部件金屬疲勞和損壞。如發(fā)電機(jī)端部綁扎緊固件松動(dòng)、變壓器鐵芯緊固件松動(dòng)、電機(jī)軸系振動(dòng)；（3）諧波會(huì)引起電感、電容發(fā)生諧振，諧振會(huì)造成保護(hù)裝置誤動(dòng)。

在發(fā)電企業(yè)中，避免諧波造成不利影響的主要措施;(1)大型變壓器設(shè)備在空載合閘時(shí)都會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，一般最小二次諧波電流僅為基波的10-15%左右，為防止變壓器設(shè)備送電時(shí)發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)作，差動(dòng)保護(hù)采用二次諧波制動(dòng)，一般二次諧波制動(dòng)系數(shù)選擇0.15。（2）加強(qiáng)諧波管理，在6KV電源段加裝諧波監(jiān)視裝置，監(jiān)視諧波發(fā)生的規(guī)律，通過(guò)調(diào)整運(yùn)行方式減少諧波的產(chǎn)生。（3）定期開(kāi)展發(fā)電機(jī)端部線棒的固有頻率測(cè)試，通過(guò)調(diào)整端部緊固件把發(fā)電機(jī)端部固有頻率控制的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)（見(jiàn)表1）。

表1 透平型發(fā)電機(jī)定子繞組端部局部或整體橢圓固有頻率避開(kāi)范圍

額定轉(zhuǎn)速r/min）支撐型式線棒固有頻率HZ引線固有頻率HZ整體橢圓固有頻率HZ

3000剛性≤95，≥106≤95，≥108≤95，≥110

3000柔性≤95，≥106≤95，≥108≤95，≥112

3600剛性≤114，≥127≤114，≥130≤114，≥132

3600柔性≤114，≥127≤114，≥130≤114，≥134

（4）電廠側(cè)斷路器普遍采用快速開(kāi)斷真空斷路器，并定期測(cè)試開(kāi)關(guān)同期，保證開(kāi)關(guān)有很好的同期度，一般真空斷路器相間合閘不同期不大于5ms，相間分閘不同期不大于3ms。

（5）電廠采用變頻器控制的高壓電機(jī)，為消除諧波對(duì)電機(jī)振動(dòng)的影響，可采用空間電壓矢量控制方法進(jìn)行控制，此方法把電機(jī)和逆變器作為一個(gè)整體進(jìn)行控制，以三相對(duì)稱(chēng)正弦交流電機(jī)理想圓磁通為基準(zhǔn)，去控制逆變器開(kāi)關(guān)，將能有效降低電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)脈動(dòng)，消除諧波對(duì)電機(jī)振動(dòng)的影響。

4、頻率偏差

根據(jù)《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定，電力系統(tǒng)頻率偏差允許值為0.2Hz，偏差超過(guò)（50+-0.2）Hz為頻率異常。對(duì)容量在300MW及以下的電網(wǎng)，頻率允許偏差為0.5Hz。在實(shí)際運(yùn)行中，頻率偏差能夠保持在+0.1— -0.1Hz。頻率偏差的原因主要是電源和負(fù)荷間功率不平衡造成。在電廠側(cè)由于機(jī)組突然與電網(wǎng)解列也會(huì)造成廠用電頻率出現(xiàn)較大幅度正偏差。

頻率偏差的不利影響：（1）偏離偏差較大，尤其是發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷引起的頻率快速上升，引起電廠輔機(jī)由于工頻電壓升高跳閘，進(jìn)而引起機(jī)組與系統(tǒng)解列；頻率負(fù)偏差會(huì)造成發(fā)電機(jī)組低頻保護(hù)動(dòng)作，造成發(fā)電機(jī)組與系統(tǒng)解列。（2）頻率偏差大引起汽輪機(jī)葉片強(qiáng)烈振動(dòng)，甚至造成汽輪機(jī)葉片斷裂的危險(xiǎn)，尤其是汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)造成金屬應(yīng)力累積，進(jìn)而造成斷裂。

表2 汽輪發(fā)電機(jī)組頻率異常允許運(yùn)行時(shí)間

頻率范圍

（ Hz）允許運(yùn)行時(shí)間

累計(jì)（min）每次（s)

51.0-51.5>30>30

50.5-51.0>180>180

48.5-50.5連續(xù)運(yùn)行

48.0-48.5>300>300

(3)頻率下降也會(huì)造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的鼓風(fēng)量減少，影響發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子冷卻效果，造成發(fā)電機(jī)絕緣老化。

在發(fā)電企業(yè)中，避免頻率偏差造成不利影響的主要措施：1）一般大型火電廠都裝有一次調(diào)頻裝置，此裝置可以根據(jù)電網(wǎng)頻率波動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，主要是通過(guò)調(diào)整機(jī)組輸出容量，來(lái)滿(mǎn)足電網(wǎng)負(fù)荷增、減變量需求，達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的目的。300WM機(jī)組一次調(diào)頻頻率死區(qū)為2r/Min（0.033Hz），一次調(diào)頻最大負(fù)荷調(diào)整按照不小于機(jī)組額定負(fù)荷8%進(jìn)行限幅。（2）在發(fā)電機(jī)保護(hù)中，設(shè)有低頻累加保護(hù)，防止汽輪機(jī)葉片及其拉筋在極端低頻工況下發(fā)生諧振，造成斷裂事故發(fā)生。由于汽輪機(jī)葉片材料的疲勞是一個(gè)不可逆積累的過(guò)程，所以汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)保護(hù)一般規(guī)定某個(gè)頻率下允許累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。

表3 某300MW機(jī)組低頻累計(jì)保護(hù)表

頻率（Hz）累計(jì)時(shí)間(s)延時(shí)(s)

48.5100050

47.580040

46.560030

45.5015

5、結(jié)束語(yǔ)

加強(qiáng)電能品質(zhì)管理，提高電能品質(zhì)，對(duì)電網(wǎng)和電廠都很重要。它關(guān)系到用戶(hù)用電質(zhì)量，也關(guān)系到電力系統(tǒng)設(shè)備安全，所以發(fā)電廠側(cè)也要加強(qiáng)電能質(zhì)量監(jiān)督的管理，通過(guò)對(duì)電廠側(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，采取有效措施提高電能質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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