沖擊負(fù)荷影響電力系統(tǒng)可靠性研究

摘 要：大量沖擊負(fù)荷存在于電力系統(tǒng)中，這些負(fù)荷嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，具體表現(xiàn)為導(dǎo)致閃變電壓，形成諧波，甚至直接威脅電力系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)沖擊負(fù)荷會(huì)對(duì)電力設(shè)備正常操作造成危害。不管是諧波危害還是機(jī)組振動(dòng)，這些因素長(zhǎng)期作用勢(shì)必減少設(shè)備使用時(shí)間，提高設(shè)備強(qiáng)迫停運(yùn)率。所以在研究電力系統(tǒng)可靠性的過程中，需要從多個(gè)方面進(jìn)行考慮，降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：沖擊負(fù)荷；電力系統(tǒng)；可靠性

1 硅鐵電弧和電解鋁生產(chǎn)特點(diǎn)

1.1 電弧爐生產(chǎn)特點(diǎn)

硅鐵生產(chǎn)屬于用戶大客戶，其特點(diǎn)是規(guī)模較大、持續(xù)生產(chǎn)的較多設(shè)備、集中負(fù)荷以及容易形成沖擊功率。當(dāng)利用電弧爐實(shí)施生產(chǎn)時(shí)，為了穩(wěn)固電弧以及約束短路電流，需要相當(dāng)于35%的變壓器容量的電抗容量向變壓器主回路中串入。

交流電弧爐大概需要1-2h周期冶煉硅鐵，供電電壓高低、電弧爐容量以及冶煉材料工藝等決定了冶煉時(shí)間。可以將普通電弧爐生產(chǎn)程度劃分為三個(gè)階段：熔化階段、氧化階段、還原階段。但是，不同于煉鋼出鐵過程實(shí)施斷電操作的是，硅鐵冶煉需要同時(shí)進(jìn)行出鐵與加料，不要求實(shí)施斷電。硅鐵冶煉電弧爐的功能屬于一個(gè)保持還原反應(yīng)的溫度場(chǎng)。因此，硅鐵冶煉過程中電弧爐利用連續(xù)生產(chǎn)方式，這三個(gè)階段沒有顯著區(qū)別。

冶煉過程較為穩(wěn)定，但是也形成了上抬與下壓電極現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為出鐵過程中人工調(diào)節(jié)電極與定時(shí)電極調(diào)節(jié)。

硅鐵生產(chǎn)不但需要很高要求的供電可靠性，而且產(chǎn)生了比較復(fù)雜的內(nèi)部供電方式，通常會(huì)產(chǎn)生中小型供電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)硅鐵電弧爐出現(xiàn)功率沖擊時(shí)，系統(tǒng)從原來(lái)的平衡狀態(tài)向新的平衡狀態(tài)順利過渡。

可見，硅鐵冶煉電弧爐的重要特點(diǎn)為：正常生產(chǎn)的穩(wěn)定過程加之電極調(diào)節(jié)，而其作用促使電弧弧長(zhǎng)在變化過程中體現(xiàn)出復(fù)雜性，進(jìn)一步改變了硅鐵功率。

1.2 電解鋁生產(chǎn)特點(diǎn)

電解鋁企業(yè)也屬于一種主要的沖擊負(fù)荷。熔融電解法具體在電解鋁生產(chǎn)中應(yīng)用。電解槽具體包括將碳素材料作為核心的陰陽(yáng)極。氧化鋁與氟化鹽是電解鋁生產(chǎn)需要的主要材料，而整流器則提供了電解需要的直流電。由于氧化鋁具有極高的熔點(diǎn)，所以很難通過直接熔化提取鋁?？墒枪虘B(tài)氧化鋁可以在較低熔點(diǎn)的冰晶石熔融液中溶解，產(chǎn)生均溶體，其具備很好的導(dǎo)電性能。熔融在電解質(zhì)中的氧化鋁由于直流作用，可以對(duì)金屬鋁進(jìn)行還原。鋁電解用于生產(chǎn)的直流電能，通過整流器與母線連接并且向串聯(lián)的電解槽進(jìn)行導(dǎo)入。

2 硅鐵與電解鋁對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的影響

2.1 電弧爐對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的影響

氣候?qū)τ陔娀t性質(zhì)的沖擊負(fù)荷影響并不大，生產(chǎn)情況的變化發(fā)揮了決定作用。在短時(shí)間內(nèi)有功功率與無(wú)功功率體現(xiàn)出沒有規(guī)律性的沖擊改變趨勢(shì)，這樣不但影響了周圍電廠機(jī)組的運(yùn)作，并且也不利于整個(gè)電網(wǎng)的可靠運(yùn)作。

可見，電弧爐冶煉的生產(chǎn)過程是一個(gè)巨大變化功率的過程。也可以理解為，在冶煉過程中，無(wú)窮大的電弧爐阻抗與零之間發(fā)生改變，電弧爐有功功率的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值變化范圍是0-1-0，而無(wú)功功率的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值變化范圍是0-2。巨大變化的有功功率會(huì)極大影響小型電網(wǎng)的頻率；劇烈波動(dòng)的無(wú)功功率，也會(huì)造成電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。

通過研究現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況可知，出鐵過程是功率劇烈變化的具體原因。出鐵的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生下壓和提高電極以及添加原料，導(dǎo)致電弧弧長(zhǎng)出現(xiàn)較大變化，造成整個(gè)過程中出現(xiàn)顯著地功率變化。由此可知，出鐵在統(tǒng)一的生產(chǎn)周期內(nèi)，功率消耗十分穩(wěn)定。

但是出鐵過程較為短暫，具體原因是通過連續(xù)生產(chǎn)方式生產(chǎn)硅鐵，隨著生產(chǎn)進(jìn)行將原料持續(xù)添加到電弧爐內(nèi)，由于電極是向爐內(nèi)深入的，進(jìn)一步導(dǎo)致上部電弧爐溫度比較低。在爐上部集中原來(lái)實(shí)施焙燒，在出鐵過程中提升電極與降低爐液，導(dǎo)致坍塌原料，迅速改變電弧爐弧長(zhǎng)，繼續(xù)進(jìn)入下一階段生產(chǎn)。由于在硅鐵冶煉過程中出鐵操作具有反復(fù)性，功率勢(shì)必頻繁變化。

硅鐵生產(chǎn)過程較為復(fù)雜，導(dǎo)致波動(dòng)功率的原因很多。比如本次原料中存在大量的還原劑，容易出現(xiàn)塌料進(jìn)而產(chǎn)生劇烈變化的電爐功率。

2.2 電解鋁對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的影響

陽(yáng)極效應(yīng)是電解鋁生產(chǎn)過程中最為常見的現(xiàn)象。目前尚沒有探明形成陽(yáng)極效應(yīng)的原因，但是工業(yè)上已經(jīng)很熟悉這一現(xiàn)象的成因并且產(chǎn)生了共識(shí)。陽(yáng)極效應(yīng)是氧化鋁在電解質(zhì)中逐步減少導(dǎo)致的，外在體現(xiàn)為陽(yáng)極與電解質(zhì)交界處，存在著顯著的弧光放電。平均每天每個(gè)電解槽正常發(fā)生0.5-1次陽(yáng)極效應(yīng)。

電解鋁正常生產(chǎn)過程，生產(chǎn)線電流具體維持在某一數(shù)值。當(dāng)某一槽出現(xiàn)陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)，也會(huì)迅速提高槽電壓。由于通過恒電流控制，這一需求也會(huì)迅速增加有功功率，相應(yīng)的增大了無(wú)功功率。陽(yáng)極效應(yīng)是無(wú)法避免的。

在對(duì)電解槽進(jìn)行啟動(dòng)的過程中也會(huì)沖擊整個(gè)系統(tǒng)，其成因在于啟動(dòng)過程中產(chǎn)生人造效應(yīng)。這里所指的人造效應(yīng)是指對(duì)新電解槽進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)對(duì)整體實(shí)施斷電，與新的電解槽接入之后，可以人為加大槽電壓，并且維持10-20分鐘。此時(shí)槽中會(huì)提升電解質(zhì)溫度，通過高溫反應(yīng)會(huì)分離炭渣。對(duì)其進(jìn)行打撈以后，降低槽的電壓，但是還需要1-2天恢復(fù)到工作電壓。

3 沖擊負(fù)荷下電力系統(tǒng)可靠性計(jì)算

通過調(diào)研統(tǒng)計(jì)某地區(qū)電網(wǎng)中的具體沖擊源，明確沖擊具體過程以及強(qiáng)度的參數(shù)，修正不考慮沖擊下的設(shè)備常規(guī)PFOR，對(duì)比之后獲得沖擊負(fù)荷影響電力系統(tǒng)可靠性的情況。

這一地區(qū)存在的高能耗用戶很多，出現(xiàn)了嚴(yán)重的用電負(fù)荷。一些高耗能企業(yè)外部變壓器長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)作，采取電負(fù)荷一天之內(nèi)多次進(jìn)行投切，對(duì)變壓器進(jìn)行了沖擊，進(jìn)一步縮減了變壓器使用時(shí)間，加大了故障概率。系統(tǒng)中形成了下列沖擊源：攜帶重負(fù)荷的鋁廠、體現(xiàn)出備用特點(diǎn)的鋁廠、鋁合金廠以及鉛鋅廠。此外還有一些高耗能小型廠礦與牽引變。系統(tǒng)中，鋁廠與冶金廠出現(xiàn)的突發(fā)甩負(fù)荷是形成巨大沖擊的沖擊源。

這里需要對(duì)變壓器獲得沖擊之后的影響積極考慮，利用公式計(jì)算變壓器均運(yùn)行期望時(shí)間，并且對(duì)強(qiáng)迫停運(yùn)效率科學(xué)修正。

接下來(lái)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)水平科學(xué)評(píng)估，并且對(duì)存在的沖擊負(fù)荷影響進(jìn)行觀察。第一，在對(duì)沖擊負(fù)荷影響不考慮的情況下，通過計(jì)算機(jī)抽樣整體地區(qū)的電網(wǎng)系統(tǒng)，可以獲得這一地區(qū)對(duì)沖擊負(fù)荷因素引入之前可靠性指標(biāo)電力不足概率以及電量不足期望數(shù)值。很明顯引入沖擊負(fù)荷的電力系統(tǒng)更加缺乏可靠性。

通過上述分析了解到，沖擊負(fù)荷下電力系統(tǒng)整體運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)相較于一般負(fù)荷有所提升，尤其是沖擊負(fù)荷沖擊電力系統(tǒng)之后明里提高了風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于電網(wǎng)整體風(fēng)險(xiǎn)與接入點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)來(lái)講沖擊源形成了巨大的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

在電力系統(tǒng)中，由于具有特殊性的沖擊負(fù)荷，其生產(chǎn)過程出現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)造成的功率沖擊。文章具體研究了硅鐵與電解鋁兩種沖擊負(fù)荷在生產(chǎn)過程中的特性，結(jié)合理論基礎(chǔ)以及統(tǒng)計(jì)調(diào)查探討了二者沖擊負(fù)荷影響電力系統(tǒng)可靠性的具體成因。在思考生產(chǎn)特點(diǎn)的前提下獲得了功率沖擊產(chǎn)生的概率，有利于維持電力系統(tǒng)的可靠性。

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作者簡(jiǎn)介：鄧舒平（1988-），女，云南宣威人，助理工程師，本科，主要研究方向：電力系統(tǒng)。