企業(yè)電能質(zhì)量分析

彭鵬 劉海山 魯愛(ài)輝

摘要：列舉了鋼鐵企業(yè)中常見(jiàn)的幾種電能質(zhì)量問(wèn)題，闡述了這些電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)供電系統(tǒng)造成的影響及危害，分析了產(chǎn)生電能質(zhì)量問(wèn)題的原因，并提出了相應(yīng)的解決方案，為提高企業(yè)電能質(zhì)量提供了參考。

關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng);電能質(zhì)量;解決方案

0 引言

在鋼鐵企業(yè)中，供電電源經(jīng)多條母線、多個(gè)變壓器、多個(gè)斷路器拓?fù)涑蓮?fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，電壓級(jí)別包括110 kV、35 kV、10（6）kV、400 V。一般來(lái)說(shuō)，在企業(yè)建設(shè)初期，企業(yè)電能質(zhì)量普遍較好，但隨著企業(yè)內(nèi)用電負(fù)荷的增加，電能質(zhì)量問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，主要包括電容器組投切或運(yùn)行時(shí)發(fā)生開(kāi)關(guān)爆炸事故;諧波導(dǎo)致大型電機(jī)震動(dòng)、發(fā)熱嚴(yán)重，甚至燒壞定子繞組;電壓陡降造成供電系統(tǒng)大面積斷電等。提高電能質(zhì)量，能有效降低供電電網(wǎng)三相電壓的不平衡度，減小電壓驟升、驟降幅度，減少電網(wǎng)有害諧波，保證電力系統(tǒng)的安全、連續(xù)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，從而減少企業(yè)用電設(shè)備因電能質(zhì)量問(wèn)題而造成的絕緣擊穿、設(shè)備損壞現(xiàn)象，以免對(duì)企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)造成影響。

1 無(wú)功補(bǔ)償運(yùn)行裝置的電能質(zhì)量問(wèn)題

電網(wǎng)輸出功率包括有功、無(wú)功兩種形式，有功功率是我們獲得電能轉(zhuǎn)換的實(shí)際輸出量，無(wú)功功率是電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)做功的必備條件，在電網(wǎng)中電能之間完成周期性轉(zhuǎn)換。在電流元件內(nèi)部，電流做功期間，電流比電壓滯后90°;在電容元件內(nèi)部，電流做功期間，則剛好相反，電壓比電流滯后90°。相同電路情況下，電感電流同電容電流，兩者方向保持相反，互差180°。對(duì)于帶有容性負(fù)載的裝置，在相同電路中將其與感性負(fù)載保持并聯(lián)連接，使能量完成相互轉(zhuǎn)換。由于絕大多數(shù)的用電設(shè)備均為感性負(fù)載，因此采用串聯(lián)電容進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞阶顬槌Ｒ?jiàn)和普遍，可以有效提高設(shè)備功率因數(shù)。

電容器組在不同合閘角度情況下，鑒于RLC中電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換的過(guò)渡作用，使電抗器L和電容器組C均要承受較高幅值的過(guò)電壓，對(duì)電抗器和電容器的絕緣造成長(zhǎng)時(shí)間損害，長(zhǎng)此以往，必將損壞電容器或電抗器，引發(fā)事故。在切除電容器組時(shí)發(fā)生開(kāi)關(guān)爆炸事故，主要是由于電容器上相電壓峰值與電感上振蕩電壓疊加幅值較高，再加上真空開(kāi)關(guān)重燃，使開(kāi)關(guān)觸頭兩端承受極高的過(guò)電壓，當(dāng)開(kāi)關(guān)表面絕緣由于各種原因不能承受這個(gè)過(guò)電壓時(shí)，將發(fā)生沿面放電現(xiàn)象，易形成對(duì)地?fù)舸┖拖嚅g短路事故，使開(kāi)關(guān)爆炸。

2 電網(wǎng)諧波的電能質(zhì)量問(wèn)題

對(duì)于變壓器來(lái)說(shuō)，諧波所產(chǎn)生的影響是使其溫度升高與損耗變大，負(fù)荷中存在諧波電流的情況下，由阻抗產(chǎn)生諧波電壓，諧波電壓形成渦流電流，繼而造成發(fā)熱及損耗現(xiàn)象，此部分損耗基于諧波電流具體頻率的平方呈正比上升，致使變壓器基波負(fù)載容量明顯降低。負(fù)載中存在較多三倍頻諧波的情況下，即零序諧波，諧波電流位于變壓器線圈及鐵芯中產(chǎn)生環(huán)流，若變壓器不存在中性點(diǎn)，或中性點(diǎn)未采取有效接地措施，則這些諧波磁鏈會(huì)在箱體和鐵芯中引起鐵磁諧振;若中性點(diǎn)有效接地，則中性點(diǎn)形成較多的三倍頻諧波電流，對(duì)負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。

諧波也會(huì)造成電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)溫度升高與損耗變大的情況，具體表現(xiàn)為諧波頻率下鐵損與銅損明顯增多，諧波電壓發(fā)生畸變，電動(dòng)機(jī)效率明顯降低，并產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)出響聲。針對(duì)部分由多臺(tái)電動(dòng)機(jī)共同組成的傳動(dòng)設(shè)備，電動(dòng)機(jī)速度及轉(zhuǎn)率應(yīng)當(dāng)相同，運(yùn)行速度及轉(zhuǎn)矩若出現(xiàn)差異，則會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時(shí)可能造成工件報(bào)廢，這些情況均是由于諧波中包含各種特殊頻率的諧波電流所致。

3 電壓陡降的電能質(zhì)量問(wèn)題

外網(wǎng)短路以及企業(yè)內(nèi)網(wǎng)任意支路短路，均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓明顯跌落，且短路支路電壓等級(jí)相對(duì)較高，影響范圍較廣。短路情況下，支路保護(hù)裝置及時(shí)動(dòng)作，使斷路器跳閘，有效切除故障支路。短路至故障切除階段，系統(tǒng)電壓出現(xiàn)明顯的跌落和恢復(fù)現(xiàn)象，稱之為“陡降”。“陡降”電壓對(duì)繼電器、電機(jī)、變頻器以及變電站的正常供電帶來(lái)了嚴(yán)重影響，尤其是在內(nèi)網(wǎng)支路產(chǎn)生較大的短路電流后，會(huì)造成同母線其余支路欠壓，導(dǎo)致母線段全部斷電。

4 解決方案

4.1 ? ?分相控制器控制電容投切

通過(guò)分析，當(dāng)電容器組接入回路時(shí)，不同的接入角度造成了過(guò)電壓及過(guò)電流幅值的巨大變化，如何降低過(guò)電壓幅值是提高電能質(zhì)量的關(guān)鍵。采用分相控制器及動(dòng)態(tài)分組循環(huán)投切技術(shù)，保證在給裝置提供可靠保護(hù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可使電容過(guò)電壓由2.27倍降到1.54倍，電抗器過(guò)電壓由10.6倍降到4.66倍。

4.2 ? ?投入有濾波調(diào)諧功能的電抗器

在電源回路始端投入有濾波調(diào)諧功能的電抗器，保證了裝置在一般諧波運(yùn)行環(huán)境下不發(fā)生因串聯(lián)或并聯(lián)諧振引起的諧波放大，以免發(fā)生電容器燒壞、爆炸或群爆事故。當(dāng)信號(hào)畸變較嚴(yán)重時(shí)，可以單獨(dú)加裝濾波裝置，過(guò)濾掉諧波，保證電能質(zhì)量，延長(zhǎng)了裝置的使用壽命，提高了系統(tǒng)安全性。

4.3 ? ?短路解決方案

一旦外網(wǎng)支路的單路電源由于故障原因斷電，受制于不允許雙回路并網(wǎng)運(yùn)行的條件約束，勢(shì)必會(huì)造成該段母線所帶負(fù)載全部斷電，從停電到送電會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)間的空白期，這對(duì)設(shè)備的正常使用、企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)以及作業(yè)人員的人身安全帶來(lái)了極大的隱患。

為解決此問(wèn)題，可將兩段母線的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)通過(guò)繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置為當(dāng)某一段母線失壓后，通過(guò)失壓繼電器提供閉鎖信號(hào)，聯(lián)動(dòng)聯(lián)絡(luò)柜合閘，使失壓母線得電運(yùn)行。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，單純的繼電保護(hù)雖能夠?qū)崿F(xiàn)電源的轉(zhuǎn)移，但是仍然有一個(gè)停電到恢復(fù)的過(guò)程，雖然時(shí)間很短，但無(wú)法滿足連續(xù)供電的要求。某35 kV變電站電壓錄波曲線如圖1所示，正弦波曲線有超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)的停止時(shí)間，這主要是由于斷路器的固有動(dòng)作持續(xù)時(shí)間在40 ms以上，超過(guò)了20 ms波長(zhǎng)保持時(shí)間，因此不能滿足連續(xù)供電的要求。

原有斷路器的固有動(dòng)作時(shí)間是制約電網(wǎng)連續(xù)供電的主要因素，因此采用快速聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)雙回路進(jìn)線電源的瞬時(shí)切換，在15 ms內(nèi)切換至另一路，實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)出現(xiàn)故障后仍能連續(xù)供電的目標(biāo)。某35 kV變電站采用快速聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)后的電壓錄波曲線如圖2所示，采用快速聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)后，中間停電過(guò)程的正弦波雖然有所下降，但保持電壓值在額定值的50%以上，且未出現(xiàn)明顯的斷點(diǎn)，電壓陡降實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)過(guò)渡，滿足了連續(xù)供電的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

在大型鋼鐵企業(yè)中，供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量會(huì)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)造成極大的影響，如果因?yàn)殡娔苜|(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致各類安全事故，會(huì)對(duì)企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，本文提出了幾種提高企業(yè)電能質(zhì)量的措施，能夠使企業(yè)供配電系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠，給企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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收稿日期：2020-05-06

作者簡(jiǎn)介：彭鵬（1986—），男，河北唐山人，工程師，研究方向：控制工程。