魯陽(yáng)煤電電能質(zhì)量分析及治理研究

喬曉幫

摘 要：電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)和發(fā)展，在煤礦電網(wǎng)電力管理中的地位越來(lái)越重要。為了保證煤礦電網(wǎng)的電能質(zhì)量，必須對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行精確分析和評(píng)估?；诖?，本文首先探討魯陽(yáng)煤電電能質(zhì)量現(xiàn)狀，然后提出其煤電電能質(zhì)量治理方案，以期為其他煤礦電能質(zhì)量的提升提供借鑒。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；諧波；動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）20-0094-03

Study and Application of the Quality Analysis and Study of

Coal and Electric Energy in Luyang

QIAO Xiaobang

（College of Electrical Engineering and Automation ， Henan University of Science and Technology，Jiaozuo Henan 454000）

Abstract： The quality of electric power is directly related to the safety production and development of coal mine enterprises， and plays an increasingly important role in the power management of coal mine power grid. In order to ensure the power quality of the coal mine power grid， the power quality must be accurately analyzed and evaluated. Based on this， this paper first discussed the status of coal-fired power quality in Luyang， and then put forward its coal-fired power quality control program， in order to provide reference for other coal mines to improve the power quality.

Keywords： power quality；harmonic；dynamic reactive power compensation

1 研究背景

近年來(lái)，隨著煤礦裝備技術(shù)水平不斷提高，尤其是計(jì)算機(jī)、控制技術(shù)、變頻技術(shù)和監(jiān)測(cè)監(jiān)控等技術(shù)的應(yīng)用，煤礦電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。但目前，煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量超標(biāo)，大范圍污染供電環(huán)境，電能質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響煤礦電力電網(wǎng)的安全運(yùn)行，如造成供電變壓器產(chǎn)生附加損耗，溫升增加，出力下降，影響絕緣壽命；造成旋轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生附加損耗，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)噪聲和諧波過(guò)電壓；造成并聯(lián)電容器因過(guò)電流及過(guò)電壓而損壞；造成變流裝置損壞；造成繼電保護(hù)或電網(wǎng)自動(dòng)裝置誤動(dòng)、拒動(dòng)；造成絞車電控失效等[1-5]。因此，電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)和節(jié)能降耗，在煤礦電網(wǎng)電力管理中具有越來(lái)越重要的地位。為了保證煤礦電網(wǎng)的電能質(zhì)量，必須對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行精確分析和評(píng)估，并進(jìn)行針對(duì)性治理，這對(duì)煤礦生產(chǎn)、安全和經(jīng)濟(jì)效益方面具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)在電能質(zhì)量控制方面的研究大多局限于諧波問(wèn)題，已提出和開發(fā)了部分改善和提高電能質(zhì)量的補(bǔ)償裝置，包括各種有源電力濾波器（APF）、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置等，還有基于單片機(jī)或工控機(jī)的監(jiān)測(cè)裝置[6-9]。本文主要對(duì)對(duì)魯陽(yáng)煤電魯101電能質(zhì)量狀況進(jìn)行分析，并提出治理方案。

2 魯陽(yáng)煤電電能質(zhì)量測(cè)試

2.1 測(cè)試目的

對(duì)魯陽(yáng)煤電魯101電能質(zhì)量狀況進(jìn)行測(cè)試，獲取電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，以判斷魯陽(yáng)煤電魯101的電能質(zhì)量指標(biāo)是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[10]。

2.2 測(cè)試時(shí)間及環(huán)境

于2018年5月采用普測(cè)、針對(duì)性測(cè)試等手段對(duì)魯陽(yáng)煤電供電系統(tǒng)的公共連接點(diǎn)及出線進(jìn)行測(cè)試。環(huán)境溫度為常溫。

2.3 測(cè)試儀器

用到的測(cè)試儀器為HIOKI 3198 電能質(zhì)量測(cè)試儀。

2.4 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)先后頒布了一系列關(guān)于電能質(zhì)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)頻率、電壓波動(dòng)和閃變、供電電壓允許偏差和三相電壓允許不平衡度等進(jìn)行規(guī)定，各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)如下：《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》（GB/T 12325—2008）、《電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變》（GB/T 12326—2008）、《電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度》（GB/T 15543—2008）、《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》（GB/T 15945—2008）和《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549—1993）。

另外，系統(tǒng)中無(wú)功功率及功率因數(shù)的大小對(duì)供電電壓偏差、供電損耗等也有較大影響，原國(guó)家能源部及國(guó)網(wǎng)公司等也先后頒布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，例如：《國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則》（國(guó)家電網(wǎng)科〔2008〕1282號(hào)）、《電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則》（Q/GDW 212—2008）和《電力系統(tǒng)電壓和無(wú)功電力技術(shù)導(dǎo)則》（SD 325—1989）。

2.5 測(cè)量方法

測(cè)試項(xiàng)目的主要測(cè)試方法和步驟如下。

①確定電能質(zhì)量測(cè)試內(nèi)容[11]。測(cè)試內(nèi)容包括電壓不平衡度（Uunb）、電壓總諧波畸變率（UTHD）、各次電流諧波Ih、電壓短時(shí)閃變（Pst）、電壓長(zhǎng)時(shí)閃變（Plt）和電壓波動(dòng)等。

②確定電能質(zhì)量測(cè)試點(diǎn)[12]。

③測(cè)試儀器選擇[13-16]。本次測(cè)試采用HIOKI3198電能質(zhì)量測(cè)試儀器。HIOKI3198用于24h在線連續(xù)監(jiān)測(cè)及短期現(xiàn)場(chǎng)查看具體電能質(zhì)量情況。測(cè)試時(shí)采用連續(xù)記錄與超標(biāo)事件記錄兩種方式，連續(xù)記錄時(shí)間間隔為3s，事件記錄采用閾值觸發(fā)方式。

④測(cè)試數(shù)據(jù)處理。電能質(zhì)量數(shù)據(jù)處理算法依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，由于數(shù)據(jù)量較大，采用電子表格統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行。

3 電能質(zhì)量現(xiàn)狀分析

3.1 電壓偏差現(xiàn)狀

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，魯陽(yáng)煤電魯101線路A、B、C三相供電電壓上偏差均未超過(guò)規(guī)定限值7%的要求，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但值得注意的是，其電壓偏差盡管沒(méi)有達(dá)到國(guó)標(biāo)限值，但與限值很接近，A、B、C三相的電壓上偏分別達(dá)到6.88%、6.90%和6.83%。

3.2 電壓閃變現(xiàn)狀

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，魯陽(yáng)煤電魯101線路A、B、C三相的長(zhǎng)時(shí)間電壓閃變95%概率值分別為2.67、1.89和1.26，超過(guò)國(guó)標(biāo)限值1.00的要求[17]。

3.3 三相電壓允許不平衡度現(xiàn)狀

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，魯陽(yáng)煤電供電系統(tǒng)測(cè)試點(diǎn)的三相電壓允許不平衡度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的限值。

3.4 諧波電壓現(xiàn)狀

魯陽(yáng)煤電魯101線路A、B、C三相電壓總諧波畸變率的95%概率值均未超過(guò)國(guó)標(biāo)允許值4%，滿足國(guó)標(biāo)限值要求。

3.5 諧波電流現(xiàn)狀

魯陽(yáng)煤電魯101線路A、B、C三相各次諧波電流95%概率值均未超過(guò)該回路折算國(guó)標(biāo)允許值上限，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3.6 功率及功率因數(shù)現(xiàn)狀

在變電站正常運(yùn)行方式下，魯陽(yáng)煤電的功率及功率因數(shù)測(cè)試情況如表1所示。

從表1可以看出：魯陽(yáng)煤電魯101線路功率因數(shù)最小值為-0.99，平均值為0.74；最大值為0.99，說(shuō)明其無(wú)功負(fù)荷變化較大。目前，固定式的分組投切電容器遠(yuǎn)無(wú)法滿足工況的要求，系統(tǒng)中存在嚴(yán)重的無(wú)功倒送現(xiàn)象。國(guó)家電網(wǎng)公司2008版《國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則》第二十一條規(guī)定：“35kV～110kV變電站的容性無(wú)功補(bǔ)償裝置以補(bǔ)償變壓器無(wú)功損耗為主，并適當(dāng)兼顧負(fù)荷側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償。滿足35kV～110kV主變壓器最大負(fù)荷時(shí)，其高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95。”因此，魯陽(yáng)煤電的功率因數(shù)不符合要求。

綜上所述，根據(jù)魯陽(yáng)煤電電網(wǎng)電能質(zhì)量測(cè)試結(jié)果可知，其電能質(zhì)量現(xiàn)狀表現(xiàn)為功率因數(shù)、閃變不滿足要求，這主要是因?yàn)楣緹o(wú)功補(bǔ)償裝置為電容器分組投切，無(wú)法自動(dòng)快速跟蹤負(fù)荷無(wú)功的變化。

4 魯陽(yáng)煤電電能質(zhì)量治理方案設(shè)計(jì)

4.1 治理方案概述

對(duì)于測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的功率因數(shù)低、無(wú)功倒送及閃變等問(wèn)題，建議用SVG進(jìn)行治理，因?yàn)镾VG可以采用橋式交流電路的多重化技術(shù)、多電平技術(shù)或PWM技術(shù)來(lái)進(jìn)行處理，以使諧波減小到可以接受的程度，而SVG本身會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波，還需要裝設(shè)專門的濾波裝置。

4.2 補(bǔ)償容量計(jì)算

由于魯陽(yáng)煤電無(wú)功功率為0.79MVar，抑制諧波所需容量為113.62kVar，測(cè)試時(shí)系統(tǒng)總共投入無(wú)功功率為0.98MVar，參考無(wú)功功率變化，考慮負(fù)荷調(diào)整和一定的裕量的情況下，無(wú)功容量選擇2MVar。

綜合以上建議，魯陽(yáng)10kV Ⅰ段和Ⅱ段母線各配置一套SVG裝置，具體型號(hào)為KPSVG –C2.0/10。

4.3 魯陽(yáng)煤電主變壓器減容方案

依據(jù)前述測(cè)試結(jié)果可知，魯陽(yáng)煤電的有功功率最大值為2.69MW，平均值為1.01MW。目前的主變是5MW，負(fù)載率較低，變壓器運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，每月的變壓器基本電費(fèi)較高。

因此，筆者建議，將主變?nèi)萘空{(diào)換成3.15MW，在SVG的配合下，變壓器基本只帶有功負(fù)荷，這樣完全可滿足系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，同時(shí)能提高變壓器負(fù)載率，使其處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。更為關(guān)鍵的是，每年可節(jié)省可觀的基本電費(fèi)。

5 效益分析

5.1 線路及變壓器損耗節(jié)能分析

按照無(wú)功補(bǔ)償目標(biāo)功率因數(shù)0.98及以上進(jìn)行補(bǔ)償，全網(wǎng)的總網(wǎng)損會(huì)大大降低，經(jīng)濟(jì)性大大提高。

從電能質(zhì)量測(cè)試結(jié)果可以看出，魯陽(yáng)煤電無(wú)功功率為0.79MVar，抑制諧波所需容量為113.62kVar，測(cè)試時(shí)系統(tǒng)總共投入無(wú)功功率0.98MVar，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》（GB/T 12497—2006）中規(guī)定的無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量計(jì)算供電線路和變壓器的節(jié)能，即按照0.6元/kW·h，則可節(jié)約電費(fèi)49.51萬(wàn)元。

5.2 力率調(diào)整節(jié)能分析

以魯陽(yáng)煤電提供的2018年1月至2018年4月電費(fèi)單為依據(jù)，根據(jù)電費(fèi)力率表，可得到魯陽(yáng)煤電2018年前4個(gè)月力率調(diào)整節(jié)約的電費(fèi)，具體如表2所示。

通過(guò)計(jì)算可得，魯陽(yáng)煤電2018年1月至2018年4月可節(jié)約力率調(diào)整電費(fèi)合計(jì)117 111.35元，則一年可節(jié)約力率調(diào)整電費(fèi)約為351 334元。

5.3 變壓器減容節(jié)能分析

目前，變壓器容量為5MW，單位基本電費(fèi)為20元，若將變壓器減容為3.15MW，則僅此一項(xiàng)，每月可節(jié)約電費(fèi)（5 000-3 150）×20=37 000，每年可節(jié)約基本電費(fèi)為：444 000元。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本方案的實(shí)施，魯陽(yáng)101線路功率因數(shù)提高到了0.95以上，改善了電能質(zhì)量，并且經(jīng)濟(jì)效益顯著，每年可為魯陽(yáng)煤電帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)效益約為129.04萬(wàn)元。同時(shí)，在安全上，更是避免了因劣質(zhì)電能帶來(lái)的供電設(shè)備和用電設(shè)備的不利影響，為SVG設(shè)備的推廣應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

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