电能质量的治理
电能质量的治理
摘要: 介绍了电能质量问题带来的危害，分析了影响电能质量的原因及治理方案，以及简要叙述了电能质量的国家标准。
关键词：电能质量；治理；国家标准
一、引言
随着近些年冶金、化学工业及电气化铁路的发展, 大型电弧炉、电力机车、整流设备、变频装置等非线性用电设备越来越多。这些非线性负荷及冲击性负荷, 对电力系统的/ 污染0日趋严重, 造成系统电压、电流波形的严重畸变, 三相电压、电流的不平衡度加大,电能质量下降, 给发、供电设备及用户用电设备带来严重危害, 并使国民经济遭受损害,因此对电能质量进行治理十分重要。我国已先后颁布了 6 个有关电能质量的国家标准, 即电力系统频率允许偏差、供电电压允许偏差、公用电网谐波、三相电压允许不平衡度、电压波动和闪变、暂时过电压和瞬态过电压。但在实际治理过程中面临的 1 个很重要的问题是如何根据电能质量标准依法管理电能质量。
图1：电能质量现象部分波形图
二、电能质量问题的危害
电网电压的波动、跌落、骤升、不平衡、谐波等除了影响电能质量敏感负荷正常工作外，还会有一下几项危害：
1、使电网中的元件产生附加损耗，降低发电、输电以及用电设备的效率和使用
寿命；
2、导致继电保护和自动装置的误动作，并可能使电器测量仪表剂量不准；
3、产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部过热；
4、谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，甚至损坏；
5、谐波还会导致公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，大
大增加了谐波的危害性，有时会引起严重的事故；高次谐波还会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声、降低通信质量；
6、在电压严重不平衡时，会使对于电压过零点有严格要求的某些直流电机发生
故障。
三、影响电能质量的因素
1.电压偏差的产生
(1) 系统电源阻抗和峰、谷负荷的存在是产生电压偏差的主要原因。同时系统无功电源没有达到分层控制和动态就地平衡的原则就地平衡, 导致系统无功容量严重不足, 或电容器、调相机不能按照功率因数自动投切也增加了附加电压偏差。
(2) 电网中有载调压设备不足或有载调压设备配置不合理, 导致为用户供电的某一系列电压变换系列中没有电压调整手段, 在系统电能质量低劣时电压质量低劣。
(3) 配电网结构不合理, 供电负荷与电网的阻抗参数不匹配: 如电源结构不合理, 没有靠近负荷中心, 导线截面偏小, 线路中负荷电流密度过大, 供电半径偏大超出了允许范围等。
(4) 用户功率因数太低或用户变电设备负荷率太低。
2.电网谐波污染的产生
产生谐波的主要原因是各类非线形负荷的大量增加使电压波形发生畸变, 产生谐波电压和谐波电流。谐波污染是电网受到污染的重要原因, 产生谐波的主要用电设备是大功率的可控硅整流装置如电气化铁路、电力牵引机车、电化学的电解装置和直流输电的换流装置等; 主要有产生冲击负荷的装置如炼钢用电弧炉和钢铁轧机; 节能型电器如节能灯和变频器; 各种医疗装置和不间断电源和电子整流装置; 自饱和电抗器和可控饱和电抗器; 电力变压器的励磁回路等。
3.电压波动和电压闪变的产生
导致电压波动和闪变的原因很多, 主要有:
(1) 大的冲击负荷如系统短路、电气化铁路中重载列车通过、交流电焊机、炼钢炉和轧钢机等设备的频繁使用;
(2) 系统短路故障如三相短路故障、两相短路故障或单相接地故障引起的电网电
压波动与闪变;
(3) 大容量电气设备如电力电容器、电抗器、电力变压器和电动机的投切等;
(4) 备用电源、自动重合闸等装置的自动投切;
(5) 雷击导致避雷器放电引起的电网电压波动与闪变。
四、影响电能质量因素的主要治理方案
1.治理电压偏差的主要手段
治理电压偏差需要从多个方面入手, 综合治理。
(1) 做好负荷规划和电网的合理布局, 实现电网结构优化。在电网规划过程中应按照用户电能质量要求合理地规划电网结构。规划人员要对规划小区内用户的负荷变化情况做好详细预测, 避免用户负荷大幅度变化时电网无法做出及时的反应。将中压配电网络深入到负荷中心, 扩大中压供电网络的覆盖面。合理缩小配电变压器的容量, 增加配变台数, 缩短供电半径。调整线路, 均衡线路负荷。合理调整设备负荷, 防止用电设备长期过负荷运行。
(2) 合理配置有载调压装置。在制定用户业扩方案时应使用户电源点至少经过系统中一级有载调压装置和调压变压器。如果用户负荷变化大, 电压结构复杂, 制定用户供电方案至少应当使用户的供电电源经过系统中两级有载调压装置, 同时适当的加大供电线路的线径。
(3) 加强无功负荷管理, 做到无功负荷分层分区就地平衡。加大执行功率因数调整电费电价的范围, 鼓励用户合理投切无供补偿装置; 在各个电压等级上合理配备无功补偿装置,减少无功在电网中的流动。对功率因素偏低的用户大功率设备要使无功补偿装置与设备同步投切, 合理安排电网运行方式, 做好无功功率分层分区平衡。
(4) 加强需求侧管理, 降低负荷峰谷差, 提高系统的负荷率。应按照国家政策实行分时电价, 适当加大峰谷电价差, 从而达到消峰填谷的目的。电力企业应指导用户合理调整厂休日和上下班时间, 有计划地避开高峰负荷, 并通过制定相关政策要求用户定期淘汰高能耗的用电设备, 减少无功损耗。
2. 电网谐波有效治理方案和措施
(1) 采取措施限制用电客户谐波电流注入电网。对具有谐波源负荷的用户应在业务扩充阶段审查其治理措施方案, 在建设阶段严格监督其治理措施的实施情况; 有谐波源的设备投入前后应对其相关联的送电变电站和受电变电站母线谐波背景值和增量值进行监测, 应使其符合设计要求。
(2) 要求具有谐波源的客户在其设备出口处安装谐波吸收装置。
(3) 在变电站安装APF 抑制非线形负荷产生的电流谐波,对电网谐波13 次以上的应安装AFT 和L- C 联合消谐装置。
( 4) 对配电变压器的接线组别进行改进。由于家用电器特别是电子产品进入家庭引起三次和三倍频率的谐波对10 千伏线路的干扰已经超过标准, 对已经对电网造成危害的应将10/ 0. 4 千伏高压配电变压器的高压侧星型接线改为三角型接线。
3. 减少电压波动和闪变的技术措施
( 1) 电源侧解决的技术措施在用户业务扩充和增容时, 应当合理选择大容量设备的供电电压等级和相关的启动方案, 如轧钢机、电弧炉等具有大的冲击负荷或波动负荷的设备经过计算选择高一级或高两级的电压供电。同时选择在线路中配备大容量电抗器抑制冲击负荷和波动负荷。合理增加供电设备容量, 增大导线的截面, 缩短供电半径, 构成合理的负荷矩, 减少供电阻抗引起的电压损失。对敏感负荷应采取来自两个不同电源的供电方式。如用户有特殊要求且用户愿意支付费用的, 应安装改善电能质量的装置。
( 2) 在用户侧解决的措施对有特殊要求的用户应要求其在敏感负荷点安装不间断供电电源(UPS) , 安装可控硅控制补偿器( TSC) 来平滑电压波形和维持电压水平在一个可控制的范围之内。利用动态电压恢复装置( DVR) 随时检测电源状况, 根据设定的电压曲线进行动态调整, 使电压维持在一个满足正常工作的合格水平。对超敏感负荷利用固态电子转换开关( SSTS) ) 进行电源间的快速切换。当一路电源发生波动时, 可以在最短时间内将负荷切换到其他几路正常的电源上, 保证设备继续正常工作。也可采用两路或三路大功率整流设备利用来自大功率整流设备整流后并联工作, 将敏感电力负荷经逆变电源供电。
五、电能质量的国家标准
目前我国组织制定电能质量标准的单位是：全国电压电流等级和频率标准化技术委员会(TC1)和全国电磁兼容标准化技术委员会(TC246)。
TC1制定的标准及其主要指标：
(1)GB12325-1990供电电压允许偏差:35KV及以上正、负偏差的绝对值之和小于10%;10KV及以下小于±7%;220V小于+7%、-10%
(2)GB/T15945-1995电力系统频率允许偏差:允许偏差±HZ;系统较小±HZ
(3)GB/T15543-1995三相电压允许不平衡度:三相电压允许不平衡度为2%、短时不超过4%;用户引起不平衡度为%
(4)GB12326-1990电压允许波动和闪变:电压允许波动:小于10KV %;35～110KV 2%；大于220KV %
闪变：要求较高%【FS：PAGE】；一般%
(5)GB/T14549-1993公用电网谐波：电网谐波电压限值；电网电压/KV 、1035、66110；畸变率/% .0（该标准就用户向电网注入谐波电流限值也作了规定。）(6)GB/T18481-2001暂时过电压和瞬态过电压：标准规定了交流电力系统中作用于电气设备的暂时过电压和瞬态过电压要求、电气设备的绝缘水平，以及过电压保护方法。其中暂时过电压包括工频过电压和谐振过电压；瞬态过电压包括操作过电压和雷电过电压。
六、总结
电能质量的治理问题一直是国内外电力行业十分关注的问题。因此, 研究电能质量的治理技术很有价值。相信随着电力电子技术的不断提高和发展, 将有更多的、功能更强大的电能质量治理装置被研制出, 使电力系统的电能质量得到保证。