配電網(wǎng)電能質(zhì)量敏感負(fù)荷分析

句符兵

(山西地方電力有限公司朔州分公司，山西 朔州 036000)

配電網(wǎng)電能質(zhì)量敏感負(fù)荷分析

句符兵

(山西地方電力有限公司朔州分公司，山西 朔州 036000)

分析了當(dāng)前配電網(wǎng)中的主要敏感負(fù)荷、負(fù)荷側(cè)電能質(zhì)量可能受到影響的原因以及電弧爐這種典型的電能質(zhì)量干擾源可能帶來的影響，認(rèn)為電壓降低是影響這些負(fù)荷正常運(yùn)行的重要原因。為了解決該問題，提出了在負(fù)荷側(cè)采用穩(wěn)壓器或無功補(bǔ)償設(shè)備改進(jìn)電壓質(zhì)量的方案以及處理電壓波動(dòng)問題的一些可行建議。

配電網(wǎng)；電能質(zhì)量；敏感負(fù)荷

0 引言

在配電網(wǎng)中有大量的負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量較為敏感，其突出表現(xiàn)為：在電能質(zhì)量滿足要求時(shí)，能夠保證生產(chǎn)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和精度；當(dāng)電能質(zhì)量下降時(shí)，輕則導(dǎo)致生產(chǎn)精度降低，生產(chǎn)出大量的次品或者報(bào)廢品，重則生產(chǎn)停頓，造成大量的浪費(fèi)和破壞。對(duì)于這種電能質(zhì)量敏感負(fù)荷，有必要進(jìn)行專門的研究。

1 敏感負(fù)荷及影響因素

1.1 幾種敏感負(fù)荷

敏感負(fù)荷，可以理解為是對(duì)電能質(zhì)量敏感的某些電氣元件或電氣設(shè)備。這些電氣元件往往對(duì)于生產(chǎn)運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用，如控制核心設(shè)備的工作，保證產(chǎn)品的質(zhì)量與性能，在計(jì)算機(jī)及電子設(shè)備越來越多地應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域的今天，電能質(zhì)量敏感負(fù)荷在電能質(zhì)量出現(xiàn)問題時(shí)，對(duì)于生產(chǎn)的影響越來越大。

在當(dāng)前的配電網(wǎng)中，典型的敏感負(fù)荷有：(1) 接觸器控制的負(fù)荷；(2) 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；(3) 變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷；(4) 可編程控制器(PLC)控制的負(fù)荷；(5) 計(jì)算機(jī)控制的負(fù)荷。

以上幾種負(fù)荷對(duì)于不同的電能質(zhì)量表現(xiàn)出的敏感性也不盡相同，對(duì)這些負(fù)荷產(chǎn)生影響的主要電能質(zhì)量問題為電壓偏差，特別是電壓驟升和驟降。

1.2 典型的干擾源

在單位所轄配電網(wǎng)范圍內(nèi)，大功率交流電弧爐是典型的電能質(zhì)量干擾源，廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)，如錳鋼冶煉等，其冶煉通過電極放電實(shí)現(xiàn)。放電過程中負(fù)荷的不停變化導(dǎo)致電弧爐冶煉過程中負(fù)荷電流的隨機(jī)變化，其特點(diǎn)為具有很強(qiáng)的非線性和啟停過程中的強(qiáng)大沖擊性。非線性負(fù)荷導(dǎo)致了電流富含諧波以及電壓畸變，沖擊性導(dǎo)致電壓在負(fù)荷投入退出時(shí)瞬間升高或降低。電流的隨機(jī)變化還可能導(dǎo)致三相不平衡以及無功功率，并使線路中電流增大，線損增大，從而進(jìn)一步導(dǎo)致電壓的不平衡和波動(dòng)。電壓持續(xù)波動(dòng)是閃變這一目前最難以解決的電能質(zhì)量問題產(chǎn)生的起源。

假如干擾源附近沒有對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償設(shè)備和措施，交流電弧爐帶來的電能質(zhì)量問題會(huì)通過配電網(wǎng)傳導(dǎo)至其他電力用戶，主要是電氣距離較近的用戶，可能導(dǎo)致電壓敏感設(shè)備的非正常運(yùn)行，如上邊提到的過程控制、可編程邏輯控制、變頻調(diào)速設(shè)備等。靜止無功補(bǔ)償器當(dāng)前被大量用于交流電弧爐的電壓補(bǔ)償，可以在一定程度上解決電弧爐導(dǎo)致的電壓質(zhì)量問題，還能提高電弧爐的使用效率，有效縮短冶煉時(shí)間。

2 敏感負(fù)荷受影響分析

下面分別對(duì)幾種敏感負(fù)荷及其可能受到的影響進(jìn)行分析。

(1) 接觸器是當(dāng)前工業(yè)中廣泛采用的控制器件。對(duì)由接觸器控制的負(fù)荷而言，會(huì)對(duì)電壓驟降表現(xiàn)得尤為敏感，并且與下降幅度及持續(xù)時(shí)間都有關(guān)系。而是否會(huì)產(chǎn)生影響，還取決于電壓驟降發(fā)生時(shí)刻的相位。如電壓在0°相位時(shí)發(fā)生驟降，由于接觸器線圈內(nèi)存儲(chǔ)的能量為最大，則躲過影響的可能性就較高；相應(yīng)地，電壓驟降發(fā)生在90°相位時(shí)，躲過的可能性就較低。一般來說，電壓幅值下降到0.6Un以下，且持續(xù)時(shí)間超過20 ms(即一個(gè)周波)時(shí)，接觸器發(fā)生脫扣的可能性很大。

(2) 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是工業(yè)應(yīng)用中最主要的負(fù)荷形式，生產(chǎn)中有大量的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)受電壓降低的影響很大，持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短則會(huì)決定造成影響的程度。由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T正比于電壓U的平方，因此電壓降低的程度越大，造成的影響也就越來越大。當(dāng)電壓下降較少時(shí)，電機(jī)尚能維持運(yùn)行，但有可能導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)速度不平穩(wěn)。當(dāng)電壓下降到一定程度時(shí)電機(jī)將停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致生產(chǎn)的停止，這對(duì)于流水線生產(chǎn)的影響是破壞性的，因?yàn)殡姍C(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，可能其他環(huán)節(jié)還在繼續(xù)生產(chǎn)，于是部分環(huán)節(jié)的停止就破壞了生產(chǎn)秩序。此外，短時(shí)間停止后，即使電壓恢復(fù)，也需要較大的啟動(dòng)電流才能啟動(dòng)，這時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩將出現(xiàn)短時(shí)間的波動(dòng)，可能對(duì)負(fù)荷產(chǎn)生不利影響，甚至造成設(shè)備的機(jī)械損壞。

(3) 變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷主要是利用電力電子設(shè)備的通斷性能來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。變頻器電路一般由整流、逆變、中間環(huán)節(jié)和控制等部分組成，電壓降低或升高將導(dǎo)致整流出的直流電壓發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致被控制設(shè)備的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或功率變化，導(dǎo)致變頻器性能降低，更有可能造成設(shè)備過熱損壞。對(duì)于電力電子設(shè)備而言，發(fā)熱是嚴(yán)重威脅，為解決這一問題，電力電子設(shè)備普遍配置了過電壓、失壓、過熱等保護(hù)功能。但這些保護(hù)功能的動(dòng)作，卻會(huì)導(dǎo)致被控制設(shè)備運(yùn)行的停止，給正常生產(chǎn)帶來不利影響。

(4) PLC和計(jì)算機(jī)控制的負(fù)荷具有一定的共同點(diǎn)，二者都是由電子器件組成，一般包括電源、CPU、I/O模塊(輸入/輸出模塊)。當(dāng)電源發(fā)生變化，特別是電壓降低時(shí)，將導(dǎo)致CPU的邏輯判斷出錯(cuò)，影響I/O輸出的正確性，從而影響整個(gè)控制過程。由于PLC和計(jì)算機(jī)控制往往具有連續(xù)性和較強(qiáng)的邏輯性，一旦某一個(gè)環(huán)節(jié)或某一個(gè)步驟出現(xiàn)錯(cuò)誤，將導(dǎo)致后續(xù)控制功能的持續(xù)錯(cuò)誤，從而造成一連串影響。這類控制負(fù)荷的突出特點(diǎn)表現(xiàn)為：短時(shí)間的、甚至不易檢測(cè)出的電能質(zhì)量問題，卻可能在生產(chǎn)結(jié)果中得到體現(xiàn)。可以認(rèn)為，PLC和計(jì)算機(jī)控制的生產(chǎn)系統(tǒng)，是檢驗(yàn)電能質(zhì)量水平的指示器。但由于電能質(zhì)量問題的發(fā)生具有很強(qiáng)的偶然性，如果沒有適當(dāng)?shù)臋z測(cè)設(shè)備，即使發(fā)生了問題，也往往難以發(fā)現(xiàn)和證明是電能質(zhì)量問題導(dǎo)致的，這是此類問題難以得到有效解決的重要原因。

3 問題的解決方法

如前分析，對(duì)以上幾類負(fù)荷產(chǎn)生影響的電能質(zhì)量問題主要為電壓降低，非常短時(shí)間的電壓降低都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。因此，解決此類問題需要有效的電壓穩(wěn)定手段。

引起電壓波動(dòng)的原因一般是負(fù)荷的急速變動(dòng)。電焊機(jī)、軋鋼機(jī)、電弧爐都是典型的沖擊性負(fù)荷，在運(yùn)行中會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)。這類負(fù)荷導(dǎo)致的電壓波動(dòng)，不但會(huì)引起電壓的持續(xù)降低或升高，還可能導(dǎo)致電機(jī)無法啟動(dòng)、電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)、燈光閃爍等現(xiàn)象。

解決電壓偏差問題的常規(guī)辦法是進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，當(dāng)前采用的主要方法是調(diào)節(jié)變壓器分接頭。但當(dāng)前10 kV變壓器普遍采用無載調(diào)壓變壓器，調(diào)節(jié)電壓需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行停電，因此無法做到自動(dòng)調(diào)節(jié)，只能依據(jù)負(fù)荷變動(dòng)情況按季節(jié)進(jìn)行。在負(fù)荷側(cè)裝設(shè)穩(wěn)壓裝置是有效的解決手段。穩(wěn)壓器的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)電壓升高或降低，保證電壓維持在一定范圍內(nèi)，保障電壓的持續(xù)性。無功補(bǔ)償器對(duì)于沖擊性負(fù)荷、短時(shí)較大負(fù)荷的穩(wěn)壓作用較為明顯，這是由于就地補(bǔ)償了負(fù)荷消耗的無功，避免了負(fù)荷范圍內(nèi)電壓的短時(shí)降低；其缺點(diǎn)是不能改善電壓過高的問題，而且會(huì)使電壓高的問題更為嚴(yán)重。

對(duì)于引起電壓波動(dòng)問題的負(fù)荷的處理，也是解決此類問題的重要手段?？刹扇〉拇胧┯校?/p>

(1) 妥善安置負(fù)荷劇烈變動(dòng)的大型電氣設(shè)備，可以采用專線或?qū)ｉT變壓器供電。這類負(fù)荷包括大型機(jī)床、沖擊性設(shè)備等。

(2) 增加供電容量。這可以在很大程度上改善配電網(wǎng)受到?jīng)_擊性負(fù)荷時(shí)電壓下降的程度。但由于沖擊性負(fù)荷的不連續(xù)性，增加供電容量會(huì)相應(yīng)導(dǎo)致供電損耗的增加。

(3) 提高系統(tǒng)的短路容量。這一方法可以很好地削弱沖擊性負(fù)荷的影響，但也相應(yīng)提高了發(fā)生短路故障時(shí)的短路電流，需引起注意。

(4) 必要時(shí)切除負(fù)荷。當(dāng)電壓波動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，可以通過切除沖擊性負(fù)荷的方式，保證受影響用戶的電能供應(yīng)?？紤]到當(dāng)前的供電服務(wù)問題，需要事先與沖擊性負(fù)荷所屬單位協(xié)商。

4 結(jié)語

本文分析了當(dāng)前配電網(wǎng)中的主要敏感負(fù)荷，負(fù)荷側(cè)電能質(zhì)量可能受到影響的原因。分析指出，電壓降低是影響這些負(fù)荷正常運(yùn)行的重要原因。鑒于電壓降低也是當(dāng)前配電網(wǎng)最重要和普遍的電能質(zhì)量問題之一，提出了在負(fù)荷側(cè)采用穩(wěn)壓器或無功補(bǔ)償設(shè)備改進(jìn)電壓質(zhì)量的方案。

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2014-07-02

句符兵(1979—)，男，山西朔州人，助理工程師，從事電力生產(chǎn)運(yùn)行工作。