電壓波動的危害及應(yīng)對措施探討

郝 明 芳

(大秦鐵路股份有限公司太原供電段，山西 太原 030013)

電壓波動的危害及應(yīng)對措施探討

郝 明 芳

(大秦鐵路股份有限公司太原供電段，山西 太原 030013)

闡述了電網(wǎng)和電氣設(shè)備在電壓偏高或偏低條件下運(yùn)行的危害性，對電壓波動的原因及范圍進(jìn)行了分析，并結(jié)合鐵路用電現(xiàn)場實際情況，提出了加強(qiáng)供電管理、合理補(bǔ)償無功等調(diào)節(jié)電壓的應(yīng)對措施，以保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩珪惩ā?/p>

電壓波動，危害性，電氣設(shè)備，電力系統(tǒng)，鐵路

近年來，隨著高速、普速等鐵路運(yùn)營線里程的不斷加大、客貨運(yùn)量的持續(xù)增加，10 kV電力系統(tǒng)的供用電線路設(shè)施也在不斷延伸擴(kuò)充，伴隨著鐵路電力系統(tǒng)供電任務(wù)的日益加重，對鐵路電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性要求也越來越高。

鐵路10 kV電力線路沿鐵路線分布，承擔(dān)著鐵路運(yùn)營各站場區(qū)間及鐵路沿線地區(qū)的生產(chǎn)、生活供電任務(wù)，10 kV電力供電系統(tǒng)是鐵路運(yùn)輸安全不間斷前行的指航燈與加油站。鐵路10 kV電力系統(tǒng)運(yùn)行的正常與否直接影響著鐵路生產(chǎn)秩序的安全穩(wěn)定、關(guān)系著鐵路運(yùn)營任務(wù)的順利完成以及鐵路居民日常生活的平穩(wěn)安寧。

電壓是衡量電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，不斷提高鐵路電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，對鐵路電力系統(tǒng)在日常運(yùn)行中電壓波動危害進(jìn)行探析，并提出相應(yīng)的管理技術(shù)措施是本文研究的主要目的。

1 電壓波動的危害

電壓、波形、頻率是衡量電力系統(tǒng)供電電能質(zhì)量的三大技術(shù)指標(biāo)，供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到用電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)與安全運(yùn)行，關(guān)系到企業(yè)安全生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，供電質(zhì)量不合格極易造成傳動運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備、繼電保護(hù)裝置或電子設(shè)備工作失常，產(chǎn)品質(zhì)量低劣，嚴(yán)重時還會危及到人身與設(shè)備安全。因此，電壓作為衡量電能的重要技術(shù)指標(biāo)，嚴(yán)格確保用戶受電端電壓波動在可控、可許的正常公允范圍是供電質(zhì)量的基本要求，也是電力系統(tǒng)工作人員的基本職責(zé)。眾所周知，額定電壓是電氣設(shè)備最基本的技術(shù)參數(shù)，各種電氣設(shè)備只有在標(biāo)準(zhǔn)的額定電壓下運(yùn)行才能實現(xiàn)最佳的工效，電源電壓一旦超出標(biāo)準(zhǔn)電壓的正常允許偏差范圍，就會給用電設(shè)備及用戶將帶來非常嚴(yán)重的不良后果。無功功率的失衡是導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行電壓波動的根本原因，電力系統(tǒng)中各種無功功率的輸出應(yīng)充分滿足電力系統(tǒng)所有負(fù)荷和電力網(wǎng)損耗在規(guī)定電壓下對無功功率的需求，反之，供電電壓質(zhì)量就無從談起。電壓的波動(升高或降低)如果超出了允許范圍，便會造成電力網(wǎng)和用戶電氣設(shè)備在電壓偏高或偏低條件下運(yùn)行，在這種運(yùn)行條件下，電氣設(shè)備既不經(jīng)濟(jì)、也缺乏安全穩(wěn)定的基本工作前提。

電網(wǎng)和用戶電氣設(shè)備在電壓偏高或偏低條件下運(yùn)行的危害性分述如下：

1)在電壓偏高條件下運(yùn)行的危害。a.供、用電設(shè)備的絕緣加速老化，縮短設(shè)備的使用壽命；b.電動機(jī)、變壓器空載損耗增大，導(dǎo)致電力網(wǎng)整體損耗增加；c.影響電壓波形，甚而導(dǎo)致過電壓，危及人身、電網(wǎng)及用電設(shè)備的安全；d.無功補(bǔ)償裝置無法正常工作，無功補(bǔ)償效果大大降低，增大網(wǎng)絡(luò)線損；e.用電設(shè)備無法正常工作，嚴(yán)重影響產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量。例如，照明設(shè)備壽命縮短，我們經(jīng)常用到的熒光燈裝置上的鎮(zhèn)流器就屬于電壓敏感元件，熒光燈通過鎮(zhèn)流器為它提供啟動電壓和運(yùn)行電壓，同時鎮(zhèn)流器也能起到對熒光燈的限流作用，電壓過高時鎮(zhèn)流器就會過熱燒損。研究測試表明：當(dāng)電源電壓升高10%時，熒光燈的壽命會減少20%，白熾燈的壽命會驟減70%。

2)在電壓偏低條件下運(yùn)行的危害。a.降低發(fā)、供電設(shè)備的效率；b.電功率和電能耗損增大；c.危及電力網(wǎng)的安全運(yùn)行，嚴(yán)重時可導(dǎo)致部分電網(wǎng)崩潰；d.增大了電動機(jī)的啟動難度，電動機(jī)長期在低電壓狀態(tài)下運(yùn)行極易燒毀；e.大大降低用電設(shè)備的實際工作質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量。 比如，照明設(shè)備不能正常發(fā)光或發(fā)光不足，電氣設(shè)備容量不能充分利用。我們在生活中必不可少的照明燈，當(dāng)電壓下降10%時，熒光燈的光通亮下降20%，白熾燈的光通亮下降32%，此時將嚴(yán)重影響人的視力和工作效率。如：異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距是與其端電壓的平方成正比的，當(dāng)電源電壓下降到10%時，轉(zhuǎn)距大約要降低19%，當(dāng)端電壓太低時，電動機(jī)可能由于轉(zhuǎn)距太小而失速甚至停止轉(zhuǎn)動，也可能會造成電動機(jī)運(yùn)行中溫升不斷增高，甚至將電動機(jī)繞組燒壞，嚴(yán)重影響到企業(yè)的正常生產(chǎn)。

2 電壓波動的原因

電壓波動是由于電力網(wǎng)的無功功率失去平衡引起的，電壓波動就是供電電源在某一時段內(nèi)超出或低于電壓額定標(biāo)準(zhǔn)值的異?，F(xiàn)象。如電壓變化的速率大于每秒1%時，可稱為電壓的急劇變化。

電力系統(tǒng)電壓波動一般有以下三方面的原因：

1)改變電力網(wǎng)運(yùn)行方式，引起電網(wǎng)阻抗與功率分布發(fā)生變化；2)電力網(wǎng)的某些設(shè)備發(fā)生事故或故障；3)電力負(fù)荷在不同時段、不同季節(jié)隨用戶生產(chǎn)格局的調(diào)整而變化。

比如：起重機(jī)起重提升、大型用電設(shè)施負(fù)載的快速突變或大型電動機(jī)直接啟動等都會引起電壓的異常波動。

3 電壓波動的范圍

電力系統(tǒng)調(diào)壓的目的是保證供電系統(tǒng)中各負(fù)荷點(diǎn)的電壓保持在允許的偏移范圍內(nèi)。供電設(shè)備理想的工作電壓應(yīng)保持在額定電壓的水平。但是在電力系統(tǒng)的實際運(yùn)行過程中，供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓耗損會隨著用電負(fù)荷的變動、電網(wǎng)運(yùn)行方式的更改而變化，所有用戶在任何時刻受電端電壓完全符合額定電壓的標(biāo)準(zhǔn)量值只是一種理想的供電模式。實際上供電電壓總是或多或少會產(chǎn)生上下偏移。因此，從經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上綜合考慮，規(guī)程允許設(shè)備的運(yùn)行電壓比額定電壓稍有出入也是完全合理的。通常，用電設(shè)備電壓偏移的范圍是根據(jù)該設(shè)備對電壓偏移的敏感性以及可能造成后果的嚴(yán)重程度所決定的。

中國鐵路總公司《鐵路電力管理規(guī)則》明確規(guī)定：1)自動閉塞信號變壓器二次端子為額定值的±10%；2)220 V單相供電電壓允許偏移為額定電壓值的+7%～-10%；3)10 kV及以下三相供電電壓的允許偏移值應(yīng)為額定電壓值的±7%；4)35 kV及其以上高壓供電設(shè)備其電壓正、負(fù)偏差的絕對值之和不得超過額定電壓值的10%。電力系統(tǒng)即使在非正常情況下，用戶受電端的電壓最大允許偏差也不應(yīng)超過額定值的±10%。

4 電壓波動的應(yīng)對

為了確保鐵路電力系統(tǒng)嚴(yán)格滿足用戶受電端電壓波動的正常取值，可結(jié)合鐵路用電現(xiàn)場實際情況在以下幾個方面采取調(diào)節(jié)電壓的應(yīng)對措施：

1)加強(qiáng)供電管理。對于鐵路工廠、車間(比如，鐵路機(jī)務(wù)段檢修車間、車輛段、鐵路器材廠等)一般在白天上班，設(shè)備開機(jī)及運(yùn)行時間較集中，用電負(fù)載在同一時段急劇增加容易引起電壓降低或大幅度波動，有時會導(dǎo)致大功率設(shè)備不能正常啟動工作。在這種情況下，供電部門應(yīng)積極主動與用電單位進(jìn)行協(xié)商，可以采取“消峰填谷”、改變工作制式(由一班制改為多班制)、將單位劃時段作業(yè)、改變“峰谷”收費(fèi)制鼓勵低峰用電等措施有效平衡用電負(fù)荷，最大限度地降低電力系統(tǒng)的電壓波動以及無功損耗，確保供電質(zhì)量。

2)合理補(bǔ)償無功。a.電容補(bǔ)償。 鐵路用電設(shè)備大多為照明、電機(jī)等，這些用電設(shè)備均屬于感性負(fù)載，因此對電力貫通線的無功補(bǔ)償多在配電室設(shè)置高壓電容器，用來進(jìn)行感性無功功率的補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，既節(jié)能又能保證設(shè)備的正常工作。對0.4 kV側(cè)動力負(fù)荷較集中的車間可采取就地適時補(bǔ)償，這樣既能穩(wěn)定0.4 kV側(cè)的電壓，又能控制對10 kV電力系統(tǒng)的波及影響，起到事半功倍的效果。在工作實踐中，我們太原供電段對太原機(jī)務(wù)段、太原車輛段的變電廳0.4 kV側(cè)均采用了就地適時集中電容補(bǔ)償?shù)霓k法，在穩(wěn)定卡控動力負(fù)荷較集中地段電壓波動的同時，又有效地滿足了鐵路功率因數(shù)與供電質(zhì)量的要求。b.電抗器補(bǔ)償。目前快速推進(jìn)的高鐵電力線路多為全電纜電力線路，電纜線路在交流電的作用下能夠產(chǎn)生大量的電容電流，實際現(xiàn)場中10 kV電力高鐵系統(tǒng)本身的供用電負(fù)荷不太大，這樣就會產(chǎn)生無功倒送的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的升高。因此對長距離電纜線路宜采用電抗器分散補(bǔ)與集中補(bǔ)相結(jié)合的形式，同時我們考慮到并聯(lián)電抗器補(bǔ)償方式具有接入與投退的便利性，高鐵電纜線路多選擇并聯(lián)電抗器補(bǔ)償，可隨時進(jìn)行分相補(bǔ)償、隨時投切全部或部分電抗器，這種補(bǔ)償非常適應(yīng)現(xiàn)場運(yùn)行、方便靈活、工況可控性較強(qiáng)。

3)降低線路阻抗。鐵路電力線路點(diǎn)多線長，對于線路偏長負(fù)荷變化較大的地段，當(dāng)負(fù)荷較小或空載時，線路末端電壓就會高于正常標(biāo)值范圍；當(dāng)負(fù)荷較大或滿載時，線路末端電壓就會低于正常標(biāo)值范圍。出現(xiàn)這種情形生產(chǎn)現(xiàn)場的一些電氣設(shè)備就不能正常發(fā)揮功效，僅從提高變壓器電壓仍不能從根本上改變這種情況。面對此類問題，我們分析電壓究竟損失到哪里，分析結(jié)論是輸電線路截面不滿足現(xiàn)場需求，必須通過增大線路截面或更換導(dǎo)線(比如將鋁線改換為銅線)來降低線路阻抗進(jìn)而降低線路電壓損失。結(jié)合實際我們在每年的電力線路大修改造中，深入現(xiàn)場、實地考察、充分調(diào)研測算，對屬于這類問題的線路就采用“增截面、鋁換銅”的形式，有效地提高了鐵路供電線路的穩(wěn)定性和可靠性。

4)有載調(diào)節(jié)電壓。針對供電系統(tǒng)電源受電的上級電源常常發(fā)生系統(tǒng)電壓變化，我們不可能通過上述方法來穩(wěn)定系統(tǒng)電源電壓，為此我們可通過利用變壓器能改變二次電壓的特性來實現(xiàn)穩(wěn)定系統(tǒng)電源電壓的目的，同時在調(diào)整電壓時必須確保不間斷供電。

2012年太原供電段太北地區(qū)擴(kuò)能改造過程中，我們將變壓器由分接連片調(diào)壓改為有載調(diào)壓，有效解決了系統(tǒng)電壓波動不能隨時調(diào)整電壓的問題。太北動力變電源取自110 kV系統(tǒng)電源，改造前當(dāng)110 kV系統(tǒng)電源變化時我們根本做不到馬上將110 kV系統(tǒng)電源停電來調(diào)整分接連片改變電壓，只能順其自然，在末端電壓降嚴(yán)重時(黑土巷鐵路宿舍)用戶無法正常用電，改造后變壓器采用有載調(diào)壓有效解決了系統(tǒng)電源電壓波動的問題，從根本上解決了太原北、太原東兩個地區(qū)10 kV電力系統(tǒng)的穩(wěn)壓問題，供電質(zhì)量得到大幅度的提升。

總之，只有不斷提高鐵路電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，才能確保鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩珪惩?，才能更好地提升鐵路工作的服務(wù)質(zhì)量。

On hazards of voltage fluctuation and its countermeasures

Hao Mingfang

(TaiyuanPower-SupplySection,Datong-QinhuangdaoRailwayCo.,Ltd,Taiyuan030013,China)

The paper illustrates the dangers in operating grids and electronic equipment at higher or lower voltages, analyzes the reasons for the voltage fluctuation and scopes, and points out the countermeasures of adjusting voltages by promoting the power-supply management and reasonable compensation reactive power, so as to ensure the safety in the railway transportation.

voltage fluctuation, hazards, electronic equipment, power system, railway

1009-6825(2015)28-0125-03

2015-07-21

郝明芳(1964- )，女，工程師

TM861

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