造紙企業(yè)中典型電能質(zhì)量擾動(dòng)的危害及其監(jiān)測(cè)與治理措施

劉嫣 湯偉

摘要：造紙企業(yè)的發(fā)展離不開優(yōu)質(zhì)電能的供應(yīng)。本文就影響企業(yè)生產(chǎn)安全的典型電能質(zhì)量擾動(dòng)特征，造紙生產(chǎn)主要用電設(shè)備與典型電能質(zhì)量擾動(dòng)之間的關(guān)系，以及面向造紙企業(yè)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和治理措施等問題進(jìn)行分析和研究，旨在推動(dòng)造紙企業(yè)對(duì)電能質(zhì)量問題的認(rèn)識(shí)和重視，并助力造紙企業(yè)電力供應(yīng)的綠色發(fā)展。

關(guān)鍵詞：造紙;電能質(zhì)量擾動(dòng);電能質(zhì)量監(jiān)測(cè);電能質(zhì)量治理

中圖分類號(hào)：TS7; TM6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10. 11980/j.issn.0254-508X.2019. 12.012

造紙行業(yè)是一個(gè)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展關(guān)系密切并具有可持續(xù)發(fā)展特點(diǎn)的重要基礎(chǔ)原材料行業(yè)，該行業(yè)具有生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)和能耗高的特點(diǎn)[1]。據(jù)中國(guó)造紙協(xié)會(huì)調(diào)查資料顯示，2018年我國(guó)紙和紙板人均消費(fèi)量為75 kg（13. 95億人），遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的平均水平，行業(yè)發(fā)展前景廣闊。然而，隨著先進(jìn)制造技術(shù)和節(jié)能減排技術(shù)在造紙企業(yè)中的不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)[2-4]，使得企業(yè)用電設(shè)備的非線性化程度日益提高，電氣設(shè)備的敏感性不斷增強(qiáng)，由此引發(fā)了企業(yè)配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量“被污染”和“污染”問題[5]，繼而影響生產(chǎn)過程，甚至?xí)斐缮a(chǎn)事故。

本文針對(duì)造紙企業(yè)中出現(xiàn)的典型電能質(zhì)量擾動(dòng)問題展開分析和研究，旨在助力造紙行業(yè)電力供應(yīng)的綠色發(fā)展。

1典型電能質(zhì)量擾動(dòng)特征

電能質(zhì)量是指表征母線中電壓電流幅值和頻率為額定值且波形近似于正弦波的品質(zhì)[6]。衡量電能質(zhì)量品質(zhì)的指標(biāo)較多，其中對(duì)電力用戶安全生產(chǎn)影響較大的典型擾動(dòng)特征包括以下幾方面。

（1）電壓偏差。電壓偏差△U是指實(shí)際運(yùn)行電壓Ure對(duì)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓UN的偏差相對(duì)值，以百分?jǐn)?shù)表示，具體計(jì)算見式（1）。

△U=Ure-UN/UN ×100%

（1）

用戶允許的電壓偏差應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量供電電壓偏差》 （GB/T 12325-2008）。

（2）諧波。諧波通常由電力用戶中的非線性負(fù)荷產(chǎn)生，其頻率為電網(wǎng)基波頻率的整數(shù)倍。諧波電壓和電流可用傅里葉級(jí)數(shù)展開，具體計(jì)算見式（2）。 u（t）=M∑h=2√2Uhsin（2πhft+αh）

（2） i（t）=M∑h=2√2Ihsin（2 πhft+βh）

式中，Uh、Ih為第h次諧波電壓、電流的均方根值，αh、βh為第h次諧波電壓、電流的初始相角。標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公共電網(wǎng)諧波》（GBIT 14549-1993）規(guī)定了不同等級(jí)電壓下諧波的發(fā)射限值和畸變率。

（3）電壓波動(dòng)。電壓波動(dòng)d為電壓均方根值曲線上相鄰兩個(gè)極限電壓之差與其標(biāo)稱電壓UN之比的百分?jǐn)?shù)，表示為式（3）。

d=Umax - Umin/UN × 100%（3）

標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)與閃變》（GBIT 12326-2008）規(guī)定了不同等級(jí)電壓下的極值。

（4）三相不平衡度。三相不平衡度￡U為負(fù)序分量均方根值U_與正序分量均方根植U+的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，見式（4）。 ￡U=U+/U- ×100%

（4） 用戶允許的三相不平衡度應(yīng)符合《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》標(biāo)準(zhǔn)（ GBIT 15543-2008）。

（5）電壓暫降。電壓暫降是指在工頻條件下某點(diǎn)電壓均方根值跌落至0.01～0.9 pu，并在短暫持續(xù)時(shí)間0.5 T—1 min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。其中，T為擾動(dòng)持續(xù)周波（當(dāng)T頻為50 Hz時(shí)，T為0.02 s）。常見的電壓暫降有三相、兩相和單相暫降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因配電網(wǎng)故障而引起的電力用戶投訴中，電壓暫降占到70%～80%，其他各類擾動(dòng)總和占到20%～30%。

2主要用電設(shè)備與電能質(zhì)量擾動(dòng)的相互影響關(guān)系

由造紙生產(chǎn)工藝和自動(dòng)化生產(chǎn)裝備可知[7]，造紙企業(yè)的主要用電設(shè)備分為兩大類：諧波源和敏感負(fù)荷。

2.1諧波源

諧波源用電設(shè)備通常包括：①磁芯設(shè)備（變壓器、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等）;②氣體放電設(shè)備（電弧爐、弧焊機(jī)和高壓放電管等）;③電子電力設(shè)備（整流器、變頻器、開關(guān)電源和UPS等）。

造紙企業(yè)的諧波源以磁芯設(shè)備和電子電力設(shè)備為主。由諧波傳遞特性等效電路可知[8]，諧波源產(chǎn)生的諧波電流注入配電系統(tǒng)，引起諧波電壓，諧波電壓進(jìn)而施加在同級(jí)或上一等級(jí)母線下的其他用電設(shè)備上，繼而造成對(duì)用電設(shè)備和供配電系統(tǒng)的危害[9-10]，具體危害如表1所示。

電子電力設(shè)備的誤動(dòng)作、額外容量和損耗的產(chǎn)生、生產(chǎn)設(shè)備提前老化等問題，將影響正常生產(chǎn)并導(dǎo)致企業(yè)承擔(dān)額外的費(fèi)用。

2.2敏感負(fù)荷

敏感負(fù)荷是指電壓發(fā)生變動(dòng)或突變情況下不能正常工作或功能下降的用電設(shè)備。電壓暫降是發(fā)生頻次最高的一種電壓變動(dòng)現(xiàn)象，其成因是由電網(wǎng)、變電設(shè)施的故障或負(fù)荷突然出現(xiàn)所引起。工業(yè)中常用的敏感負(fù)荷受電壓暫降的影響程度各不相同，如圖1所示。圖1中開關(guān)電源的電壓耐受能力最強(qiáng)，傳感器的電壓耐受能力最差，而當(dāng)電壓暫降跌落至額定電壓55%以下時(shí)，絕大多數(shù)敏感負(fù)荷失去抗電壓能力，出現(xiàn)故障或跳閘現(xiàn)象，從而引發(fā)生產(chǎn)中斷。

造紙企業(yè)中的主要敏感負(fù)荷及其受電壓暫降的危害表現(xiàn)在以下幾方面。（1）開關(guān)電源類負(fù)荷

開關(guān)電源類負(fù)荷的典型代表有PLC和計(jì)算機(jī)，它們?cè)谠旒埳a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)起到控制生產(chǎn)工藝、信號(hào)處理、通信等多種作用。這類負(fù)荷受電壓暫降影響時(shí)，干擾會(huì)通過開關(guān)電源耦合到其內(nèi)部的CPU、I/O等模塊[11]。當(dāng)電壓低于65%、立刻或是持續(xù)幾個(gè)周波時(shí)，CPU就會(huì)停止工作。而當(dāng)電壓低于90%、持續(xù)幾個(gè)周波時(shí)，一些I/O設(shè)備就會(huì)被切除。一旦這類負(fù)荷出現(xiàn)無預(yù)期停止運(yùn)行或輸出錯(cuò)誤指令，將會(huì)對(duì)其所在的操作和控制系統(tǒng)造成巨大影響，引起生產(chǎn)工藝紊亂、相關(guān)控制設(shè)備誤操作、產(chǎn)品報(bào)廢甚至是安全問題。

（2）電磁線圈類負(fù)荷

電磁線圈類負(fù)荷是指運(yùn)用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)其功能的負(fù)荷。典型代表有交流接觸器和繼電器，它們用來接通或分?jǐn)鄮ж?fù)載的交流主電路或大容量控制電路。如電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與控制、正反轉(zhuǎn)運(yùn)行、Y-△降壓?jiǎn)?dòng)等。當(dāng)電壓低于60%、持續(xù)時(shí)間超過幾個(gè)周波時(shí)，接觸器線圈釋放電壓，造成接觸器欠壓脫扣[12]。使電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)斷開，引發(fā)生產(chǎn)中斷。而當(dāng)電壓暫降恢復(fù)時(shí)，部分大功率電機(jī)脫網(wǎng)后的重新啟動(dòng)又非常繁瑣，造成生產(chǎn)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)受損嚴(yán)重。

（3）電子電力類負(fù)荷

電子電力類負(fù)荷的典型代表有變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器。隨著造紙行業(yè)節(jié)能降耗工作的深入推進(jìn)，變頻器在造紙企業(yè)中應(yīng)用廣泛。分析變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知[13]，為了避免不正常工作或過載，變頻器通常會(huì)安裝直流母線低電壓保護(hù)電路。當(dāng)遇到淺幅電壓暫降時(shí)，僅會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，而當(dāng)電壓低于75%時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，變頻器低壓跳閘，從而導(dǎo)致電機(jī)停機(jī)，特別是關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)電機(jī)變頻器低壓跳閘造成的非計(jì)劃停機(jī)，給企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

今后隨著造紙企業(yè)的不斷升級(jí)轉(zhuǎn)型，敏感負(fù)荷的范圍將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，還會(huì)包含各種智能化設(shè)備等[14]。如智能流漿箱、智能液壓控制、在線水分監(jiān)測(cè)、智能毛布管理、智能張力控制、智能卷紙系統(tǒng)、智能排刀控制系統(tǒng)等。這類設(shè)備或系統(tǒng)的核心芯片對(duì)深度電壓暫降十分敏感，若發(fā)生深度電壓暫降，則會(huì)導(dǎo)致電路主板故障，無法實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)。

3面向造紙企業(yè)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)措施

為減少電能質(zhì)量擾動(dòng)對(duì)造紙生產(chǎn)過程和生產(chǎn)設(shè)備造成的影響，需要對(duì)其進(jìn)行治理，而電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)治理的前提。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是指采用符合規(guī)范的測(cè)試儀器對(duì)電網(wǎng)中所關(guān)心節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)測(cè)方式一般包括3種[15]：①定期巡檢，主要適用于不需要或不具備在線監(jiān)測(cè)條件的場(chǎng)合;②專項(xiàng)監(jiān)測(cè)，主要用于負(fù)荷容量變化大或有干擾源的場(chǎng)合;③在線監(jiān)測(cè)，主要用于公共配電點(diǎn)（PCC）、有事件型電能質(zhì)量問題或需要在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合。

為適應(yīng)不同場(chǎng)合的監(jiān)測(cè)需要，測(cè)試儀器一般可分為便攜式和在線監(jiān)測(cè)[15]，各自優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

考慮到造紙企業(yè)內(nèi)大型諧波源和敏感負(fù)荷量大、面廣且現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用三級(jí)監(jiān)測(cè)措施，三級(jí)監(jiān)測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)可以更好地分析諧波在企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)部的傳播關(guān)系、統(tǒng)計(jì)外網(wǎng)或內(nèi)網(wǎng)電壓暫降的發(fā)生頻次及其對(duì)敏感負(fù)荷造成的影響，以及有利于企業(yè)各部門更及時(shí)地了解故障原因和預(yù)診設(shè)備健康狀態(tài)。

圖2中不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)下的監(jiān)測(cè)方式和測(cè)試設(shè)備包括：①一級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要針對(duì)PCC公共接線端或企業(yè)進(jìn)線端，可實(shí)現(xiàn)電壓暫降、瞬態(tài)事件、閃變和高至63次諧波的采集與分析，可選在線監(jiān)測(cè)方式及在線監(jiān)測(cè)儀器。②二級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要針對(duì)車間變壓器、主開關(guān)設(shè)備和主配電柜，可實(shí)現(xiàn)電壓暫降、瞬態(tài)事件和高至40次諧波的采集與分析，可選在線監(jiān)測(cè)方式及在線監(jiān)測(cè)儀器。③三級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要針對(duì)重要生產(chǎn)用電設(shè)備或敏感負(fù)荷等，可實(shí)現(xiàn)每相的諧波測(cè)量和能源計(jì)量，可選專項(xiàng)監(jiān)測(cè)方式及便攜式測(cè)量?jī)x器。若某些生產(chǎn)設(shè)備或敏感負(fù)荷需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，也可選擇在線監(jiān)測(cè)方式及在線監(jiān)測(cè)儀器。

4面向造紙企業(yè)的電能質(zhì)量治理措施

電能質(zhì)量治理是解決電能質(zhì)量問題，提高用電質(zhì)量的重要途徑，也是節(jié)能降耗的主要手段之一[16]。由第2節(jié)分析結(jié)果可知，造紙企業(yè)主要治理的對(duì)象是諧波和電壓暫降。

4.1諧波的抑制和治理

企業(yè)在實(shí)施諧波抑制和治理時(shí)應(yīng)綜合考慮電氣設(shè)備本身的抗干擾能力、是否超過標(biāo)準(zhǔn)限值要求、是否對(duì)用電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響、是否造成額外電能損耗等因素。若不可忽略時(shí)，應(yīng)根據(jù)配電網(wǎng)和負(fù)荷的特點(diǎn)以及負(fù)荷的諧波特性制定科學(xué)的治理策略和治理方案[17-18]。諧波不同治理策略下的常用方案及其裝置如表3所示。

目前，造紙企業(yè)為滿足電力公司的要求及考慮自身的治理成本，通常采取在低壓母線處并聯(lián)電容器的方式。該方式可有效進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)。然而，就從源頭處消除諧波而言，就地治理方式（諧波源處安裝濾波裝置或無功補(bǔ)償裝置）治理效果最佳，不僅能夠滿足電力公司的要求，還能保證企業(yè)內(nèi)部的用電質(zhì)量，從而獲得最大的節(jié)能效益。

因此，造紙企業(yè)可根據(jù)自身規(guī)模和治理成本，選擇如圖3所示的治理措施。若企業(yè)規(guī)模較小時(shí)，只需在較大功率諧波源處就近安裝濾波器，小功率諧波源暫不治理，再根據(jù)治理效果決定是否在低壓母線處實(shí)施集中治理;若造紙企業(yè)規(guī)模較大、企業(yè)內(nèi)部有變電站時(shí)，除就地治理、低壓母線處治理外，還應(yīng)考慮高壓母線處治理。

4.2電壓暫降治理

電壓暫降的成因較多且具有不可預(yù)防的特性，故電壓暫降治理主要著眼于降低發(fā)生頻次和控制其后果嚴(yán)重度，通過電壓暫降治理技術(shù)和設(shè)備可有效降低或緩解生產(chǎn)過程中斷以及生產(chǎn)設(shè)備損壞的危害[19]。目前，常用的治理設(shè)備有以下兩種。

（1）不間斷電源（UPS）

UPS是一種含有儲(chǔ)能元件（一般為蓄電池）并以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻不間斷電源。當(dāng)電壓暫降發(fā)生時(shí)，UPS儲(chǔ)能元件中的電能會(huì)立即經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電，提供給負(fù)荷，保證其正常工作。

（2）動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器（DVR）

DVR是一種不需要儲(chǔ)能元件的串聯(lián)補(bǔ)償裝置[19]，它從電網(wǎng)中吸取所需的額外能量補(bǔ)償?shù)涞碾妷骸．?dāng)電壓暫降發(fā)生時(shí)，DVR檢測(cè)電路檢測(cè)到變化的電壓后，經(jīng)控制策略產(chǎn)生控制信號(hào)對(duì)逆變器進(jìn)行控制，再經(jīng)串接變壓器向饋電線注入幅值、相角可調(diào)的電壓，以保證負(fù)荷側(cè)的電壓穩(wěn)定。整個(gè)響應(yīng)時(shí)間極短，僅為數(shù)毫秒，滿足動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

兩種設(shè)備的綜合對(duì)比結(jié)果如表4所示。由表4可知，DVR是一種能夠替代UPS的先進(jìn)補(bǔ)償裝置，更適合保護(hù)現(xiàn)代化的生產(chǎn)線。但因造紙企業(yè)負(fù)荷容量較大，特別是大型造紙企業(yè)負(fù)荷容量可達(dá)20萬kVA以上，利用DVR對(duì)全廠敏感設(shè)備進(jìn)行整體保護(hù)時(shí)，需根據(jù)經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估模型，計(jì)算投資成本和回報(bào)率[20]。若投資成本高、回報(bào)率低時(shí)，可選擇如圖4所示的就地治理措施，有效降低治理成本。圖4（a）中，DVR安裝在車間變壓器輸出端，即只保護(hù)車間中的全部敏感負(fù)荷;圖4（b）中，DVR就近安裝在重要敏感生產(chǎn)負(fù)荷旁，即只對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)及控制回路或?qū)謴?fù)時(shí)間長(zhǎng)的工位優(yōu)先治理。如將DVR串聯(lián)安裝在DCS、QCS及全廠計(jì)算中心旁或安裝在服務(wù)器及系統(tǒng)同電源之間，防止系統(tǒng)因電壓干擾造成計(jì)算機(jī)與服務(wù)器故障、數(shù)據(jù)丟失，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全可靠性。

5總結(jié)與展望

本文針對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)問題，分析了造紙企業(yè)主要用電設(shè)備與典型電能質(zhì)量擾動(dòng)的相互影響關(guān)系，研究并提出了面向造紙企業(yè)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理措施。然而，此項(xiàng)T作在造紙企業(yè)中開展還存在如下問題。

（1）從意識(shí)層面而言，對(duì)比我國(guó)的汽車、鋼鐵、化工等行業(yè)，造紙企業(yè)缺乏對(duì)優(yōu)質(zhì)電能的追求，還停留在對(duì)自身用電總量的關(guān)注階段。

（2）從經(jīng)濟(jì)層面而言，缺乏對(duì)生產(chǎn)過程和生產(chǎn)設(shè)備受電能質(zhì)量擾動(dòng)影響的經(jīng)濟(jì)受損指標(biāo)統(tǒng)計(jì)和分析，無法綜合優(yōu)化監(jiān)測(cè)和治理方案。

（3）從技術(shù)層面而言，缺乏一種融合電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、企業(yè)能源管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)三位一體的監(jiān)測(cè)、計(jì)量和診斷系統(tǒng)。

隨著我國(guó)新一輪電力體制變革的深入推進(jìn)，電能作為一種商品的觀念正逐步普及，用戶已成為電力市場(chǎng)的核心主體。而“誰的問題誰負(fù)責(zé)”的電力市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制必然推動(dòng)用電大戶積極主動(dòng)地關(guān)注自身用電質(zhì)量并開展電能質(zhì)量監(jiān)督與管理等相關(guān)工作。與此同時(shí)，“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施也將必然帶動(dòng)造紙企業(yè)生產(chǎn)方式和關(guān)鍵技術(shù)的重大變革。機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等新技術(shù)的應(yīng)用，迫切需要與之配套的優(yōu)質(zhì)電能，迫切需要企業(yè)加強(qiáng)對(duì)自身電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和治理。為此，這些變革必將為造紙企業(yè)主動(dòng)解決電能質(zhì)量問題帶來新契機(jī)。

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（責(zé)任編輯：董風(fēng)霞）