火力發(fā)電廠電能質(zhì)量測試與評估分析

李養(yǎng)俊，何子春，張強，涂偉

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

電能質(zhì)量是指電力系統(tǒng)指定點處的電特性，關(guān)系到供用電設(shè)備正常工作(或運行)的電壓、電流等各種指標(biāo)偏離基準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)的程度[1]，反映了電能質(zhì)量關(guān)注點(常指用戶端)的交流電能的品質(zhì)，可由標(biāo)志其好壞的各種指標(biāo)來衡量。隨著用電負(fù)荷的多樣化，電能質(zhì)量具體指標(biāo)也在不斷發(fā)展和完善[2]。

電能質(zhì)量測試在電力系統(tǒng)預(yù)定的運行方式下，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電能質(zhì)量檢測方法，應(yīng)用符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，對待定供用電(節(jié)點)電能質(zhì)量干擾指標(biāo)進行測試，并應(yīng)用符合標(biāo)準(zhǔn)的、或廣泛承認(rèn)的數(shù)據(jù)評估方法，得到針對該節(jié)點的電能質(zhì)量評估結(jié)果，將該結(jié)果與國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行比較，以判斷其電能質(zhì)量指標(biāo)是否超標(biāo)[3]。

本文在對多個火力發(fā)電廠電能質(zhì)量進行實時測量和數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，通過計算并分析發(fā)電機出口、升壓站母線、廠用電母線等關(guān)鍵監(jiān)測點的電能質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)，并把測試分析結(jié)果同相關(guān)國標(biāo)限值進行比對，最后給出了評估結(jié)論和合理化建議。

1 電能質(zhì)量超標(biāo)問題的產(chǎn)生

近年來，由電能質(zhì)量引發(fā)的各類問題已經(jīng)成為重要焦點，越來越受到發(fā)電企業(yè)和電力用戶的關(guān)注，火力電廠也采取了大量必要的技術(shù)手段來不斷提高電能質(zhì)量?；鹆Πl(fā)電廠輸出電能質(zhì)量指標(biāo)優(yōu)異的電能，對于提高電力系統(tǒng)生產(chǎn)效率及電能上網(wǎng)傳輸?shù)闹匾匀找嫱怀鯷4]。

由于火力發(fā)電廠的特殊接線形式及其運行特點，火力發(fā)電廠的電能質(zhì)量實際運行指標(biāo)有著其特殊性。火力發(fā)電廠電能質(zhì)量超標(biāo)問題主要表現(xiàn)在電壓偏差和諧波污染兩個方面。

1.1 電壓偏差問題

電壓偏差是指實際運行電壓對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的偏差相對值(以百分?jǐn)?shù)表示)。由于火力發(fā)電廠電氣部分配置的電氣設(shè)備種類繁多，部分大容量異步電動機、電弧焊機等設(shè)備快速啟停形成了間歇性的沖擊性負(fù)荷，在電動機起動時由于起動電流大而引起電壓跌落；當(dāng)沖擊性負(fù)荷突然退出時，廠用電電壓同樣會出現(xiàn)暫升。此外，雷擊、操作過電壓等因素同樣會引發(fā)電壓波動而出現(xiàn)電壓偏差問題。

1.2 諧波污染問題

諧波是由于施加在電力設(shè)備中的電壓與產(chǎn)生的電流之間未形成線性關(guān)系而導(dǎo)致的。隨著控制理論和計算機技術(shù)的不斷更新進步，電力電子技術(shù)在火力發(fā)電廠生產(chǎn)現(xiàn)場被廣泛應(yīng)用。大量使用的整流、變頻等設(shè)備，一方面滿足了火力發(fā)電廠的節(jié)能減排需求，另一方面又因整流變頻設(shè)備的非線性特點，為火力發(fā)電廠電能質(zhì)量關(guān)鍵監(jiān)測點注入了大量的諧波。其諧波源主要包括以下四類設(shè)備：

1）變頻調(diào)速設(shè)備。如在空冷風(fēng)機、凝結(jié)水泵、吸風(fēng)機組、供油泵、工業(yè)廢水處理水泵及給煤機等調(diào)速頻繁電動機的設(shè)備中使用的各類變頻調(diào)速設(shè)備。

2）輸變電設(shè)備。如變壓器、電抗器等具有飽和特性的鐵心設(shè)備。

3）晶閘管類設(shè)備?；鹆Πl(fā)電廠配置的大容量不間斷電源(uninterrupted power supply，UPS)以及晶閘管整流設(shè)備等。

4）照明燈具。如發(fā)電廠照明中通常使用的是金屬鹵化物燈。

2 電能質(zhì)量超標(biāo)對火力發(fā)電廠的危害

2.1 電壓偏差對發(fā)電廠安全運行的危害

目前，電力系統(tǒng)中大多數(shù)電力設(shè)備的工作電壓均無法達到額定電壓，但由于二者之間相差不大，對電力設(shè)備不會造成太大的影響。但對于火力電廠，在運作過程中仍應(yīng)密切關(guān)注電壓的變化情況，避免因電壓超過規(guī)定的偏移范圍而引起電力設(shè)備故障。

當(dāng)火力發(fā)電廠發(fā)電機出口、升壓站母線、廠用電母線等電壓過高時，將會大大降低各類變壓器輸出功率，導(dǎo)致整個火力發(fā)電廠無法正常運轉(zhuǎn)。若無法及時處理電壓過高的狀況，發(fā)電機將會因觸動保護裝置而停止工作，還將導(dǎo)致供電區(qū)域無法正常供電。同時，電壓過高還將導(dǎo)致變壓器的電流大幅增大，使電力設(shè)備出現(xiàn)不正常的發(fā)熱，導(dǎo)致電力設(shè)備出現(xiàn)燒毀的現(xiàn)象，從而加劇了對電力設(shè)備的損害程度。除電壓過高外，電壓過低也會對電廠的安全運行造成巨大的影響。電壓過低將增大電動機的電流量，導(dǎo)致電動機定子繞組因過熱而出現(xiàn)老化的現(xiàn)象，不利于電動機的正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn)[5]。

2.2 頻率偏差對發(fā)電廠安全運行的危害

電源與負(fù)荷之間由于功率不同將會導(dǎo)致電子設(shè)備出現(xiàn)頻率偏差。若電力設(shè)備的工作頻率與額定頻率相差過大，電力設(shè)備出現(xiàn)故障的概率將大幅升高。

火力發(fā)電廠在運行過程中，發(fā)電機的頻率會因大負(fù)電荷的存在而迅速上升，使電廠的輔機因工作頻率以及電壓的急劇升高而出現(xiàn)跳閘的現(xiàn)象，使系統(tǒng)與發(fā)電機出現(xiàn)解列，導(dǎo)致電廠無法正常運轉(zhuǎn)。除此之外，頻率偏差過大還將導(dǎo)致汽輪機葉片出現(xiàn)劇烈震動，而長時間的震動會使葉片斷裂，妨礙電力設(shè)備長期正常運行。

2.3 諧波對發(fā)電廠安全運行的危害

火力發(fā)電廠中的諧波來源主要分為鐵磁飽和型以及電子開關(guān)型。鐵磁飽和型主要指鐵芯的鐵磁飽和性呈現(xiàn)非線性關(guān)系的電子設(shè)備，例如變壓器、電抗器等。而電子開關(guān)型指的是交流電與直流電換流期間產(chǎn)生諧波的設(shè)備，較為典型的是電除塵的整流變壓器。諧波的出現(xiàn)將增加電力設(shè)備在工作過程中產(chǎn)生的損耗。對于電動機及變壓器這類鐵磁飽和型設(shè)備而言，諧波不僅可增加設(shè)備的損耗而且還會產(chǎn)生過多熱量，當(dāng)設(shè)備產(chǎn)生的熱量超過其正常承受范圍時，將加快電力設(shè)備的老化速度，甚至?xí)闺娏υO(shè)備因溫度過高而出現(xiàn)跳閘。

除此之外，諧波還將導(dǎo)致電動機與變壓器因震動而使其零部件出現(xiàn)松動的現(xiàn)象，大大影響電廠的安全穩(wěn)定運行，還將影響到工作人員的生命安全。而對于電子開關(guān)型的設(shè)備而言，例如，電感與電容將因諧波而出現(xiàn)諧振的現(xiàn)象，這將觸動設(shè)備的保護裝置，導(dǎo)致相關(guān)電力設(shè)備無法正常工作。

3 測試數(shù)據(jù)評估分析

為了全面、準(zhǔn)確掌握火力發(fā)電廠運行中的電能質(zhì)量指標(biāo)狀況，通過對其電能質(zhì)量進行專門測試與評估分析，了解并掌握火力發(fā)電廠發(fā)電機出口、升壓站母線、廠用電母線等電能質(zhì)量監(jiān)測點的電能質(zhì)量水平，選定多座電廠的電能質(zhì)量專項測試數(shù)據(jù)進行評估分析。評估分析內(nèi)容主要包括：電壓閃變測試數(shù)據(jù)、頻率偏差測試數(shù)據(jù)、三相電壓不平衡度測試數(shù)據(jù)、諧波電壓及諧波電流測試數(shù)據(jù)。

3.1 電壓閃變測試數(shù)據(jù)

閃變是電壓波動在一段時期內(nèi)的累積效果，可通過燈光照度不穩(wěn)定造成的視感來反映，主要由短時閃變和長時閃變值來衡量，其國標(biāo)限值分別在國標(biāo)GB/T 12326—2008《電能質(zhì)量 電壓波動和閃變》中有詳細(xì)規(guī)定[6]。

通過對3座電廠的6臺機組，共計18條廠用電母線的閃變測試數(shù)據(jù)進行評估分析，發(fā)現(xiàn)某電廠6 kV 1 A段母線C相電壓長時閃變測試數(shù)據(jù)存在超標(biāo)情況，具體測試數(shù)據(jù)見表 1，其余測點電壓短時及長時閃變均在國標(biāo)限值以內(nèi)。

表1 6kV 1A段母線C相電壓長時閃變測試數(shù)據(jù)Tab. 1 The test data of phase C voltage long duration flicker for 6kV 1A segment bus

3.2 頻率偏差測試數(shù)據(jù)

頻率偏差測量的方法是測量電網(wǎng)基本頻率，每次取1 s、3 s或10 s間隔內(nèi)計到的整數(shù)周期與整數(shù)周期累計時間之比(與1 s、3 s或10 s時鐘重疊的單個周期應(yīng)丟棄)。測量時間間隔不能重疊，每1 s、3 s或10 s間隔應(yīng)在1 s、3 s或10 s時鐘開始計。國標(biāo)GB/T 15945—2008《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定電力系統(tǒng)正常運行條件下頻率偏差限值為±0.2 Hz[7]。

通過對3座電廠6臺發(fā)電機機端、18條廠用電母線、5條送出線路及1條并網(wǎng)母線頻率偏差測試數(shù)據(jù)評估分析，發(fā)現(xiàn)電廠所測線路或母線頻率偏差數(shù)據(jù)均在國標(biāo)限值以內(nèi)，頻率偏差測試數(shù)據(jù)全部合格。

3.3 三相電壓不平衡度測試數(shù)據(jù)

不平衡度的測量應(yīng)在電力系統(tǒng)正常運行的最小方式(或較小方式)下，不平衡負(fù)荷處于正常、連續(xù)工作狀態(tài)下進行，并保證不平衡負(fù)荷的最大工作周期包含在內(nèi)。國標(biāo)GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》中規(guī)定：電網(wǎng)正常運行時，負(fù)序電壓不平衡度不超過 2%，短時不得超過 4%；此外，接于公共連接點的每個用戶引起該點負(fù)序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%[8]。

通過對3座電廠6臺發(fā)電機機端、18條廠用電母線、5條送出線路及1條并網(wǎng)母線三相電壓不平衡度測試數(shù)據(jù)評估分析，發(fā)現(xiàn)某電廠 6 kV 1 A段母線三相電壓不平衡度測試數(shù)據(jù)存在超標(biāo)情況，具體測試數(shù)據(jù)見表 2，其余測點三相電壓不平衡度測試數(shù)據(jù)均在國標(biāo)限值以內(nèi)。

表2 6kV 1A段母線三相電壓不平衡度測試數(shù)據(jù)Tab. 2 The test data of three-phase voltage unbalance of 6kV 1A segment bus

3.4 諧波電壓及電流測試數(shù)據(jù)

諧波電壓/電流測量應(yīng)選擇在電網(wǎng)正常供電時可能出現(xiàn)的最小運行方式，且應(yīng)在諧波源工作周期中產(chǎn)生的諧波量大的時段內(nèi)進行(例如電弧煉鋼爐應(yīng)在融化期測量)。國標(biāo)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中規(guī)定了380 V~110 kV各電壓等級下的諧波電壓/電流限值[9]。

通過對3座電廠28個諧波測點諧波電壓和諧波電流測試數(shù)據(jù)評估分析，發(fā)現(xiàn)所測電廠部分發(fā)電機機端、6 kV廠用母線部分段諧波電壓含有率測試數(shù)據(jù)較為接近國標(biāo)限值，部分母線諧波電壓含有率測試數(shù)據(jù)存在超標(biāo)情況，部分發(fā)電機機端電壓和廠用電壓母線分支諧波電流含有量測試數(shù)據(jù)(同其他次電流諧波含有量相比)存在明細(xì)偏大的情況，具體數(shù)據(jù)見表 3(其中 THD為總諧波畸變率)和表4。其余大部分諧波測點諧波電壓和諧波電流測試數(shù)據(jù)均滿足國標(biāo)限值要求。

表3 諧波電壓含有率測試數(shù)據(jù)Tab. 3 The test data of harmonic voltage content %

表4 諧波電流含有量測試數(shù)據(jù)Tab. 4 The test data of harmonic current contains A

3.5 評估分析

通過對3.1~3.4節(jié)的測試數(shù)據(jù)進行評估分析，發(fā)現(xiàn)：

1）某電廠6kV 1A段母線C相電壓長時閃變測試數(shù)據(jù)超標(biāo)，同時該段母線三相電壓不平衡度測試數(shù)據(jù)也超標(biāo)。懷疑可能的原因是測試期間，此段母線上接大容量異步電動機等快速變化的沖擊性負(fù)荷且三相負(fù)荷分配很不均勻，若要準(zhǔn)確判定超標(biāo)原因，可對該段母線進行電能質(zhì)量復(fù)測，復(fù)測期間嚴(yán)格監(jiān)控母線所帶特殊負(fù)荷的分布情況。

2）各電廠所測頻率偏差測試數(shù)據(jù)均滿足國標(biāo)要求，不存在不合格數(shù)據(jù)。由于頻率偏差過大引發(fā)的電力系統(tǒng)故障及損失將是異常巨大的，因此發(fā)電廠配置的發(fā)電機頻率異常保護是保證電廠各電能質(zhì)量監(jiān)測點頻率正常的技術(shù)措施。

3）部分發(fā)電機機端電壓3次諧波三相諧波電壓含有率較為接近國標(biāo)限值，導(dǎo)致總諧波畸變率顯著增大，也較接近國標(biāo)限值。此外，還有多臺發(fā)電機機組電壓、6 kV廠用母線3次諧波三相諧波電壓含有率超過國標(biāo)限值而判定為不合格，總諧波畸變率雖未超標(biāo)但較為接近限值，建議加強監(jiān)測，定期實施復(fù)測。

4）部分發(fā)電機機端電壓11次諧波三相諧波電流含有量較為接近國標(biāo)限值，需要加強監(jiān)測；此外，部分發(fā)電機10 kV段分支及10 kV公用段分支5次、7次諧波三相諧波電流含有量較大但未超過國標(biāo)限值，建議加強監(jiān)測，必要時復(fù)測并查明電流諧波含量較大的具體原因。

4 結(jié)論

1）通過評估分析發(fā)現(xiàn)，火力發(fā)電廠電壓閃變、頻率偏差、三相電壓不平衡度、諧波電壓及諧波電流等電能質(zhì)量指標(biāo)并不是全部滿足國標(biāo)限值要求，而是存在接近國標(biāo)限值甚至大幅超過國標(biāo)限值的情況。因此，電廠相關(guān)人員應(yīng)改變因其廠內(nèi)電能質(zhì)量指標(biāo)較優(yōu)而武斷的判定火電電能質(zhì)量指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)而輕視電能質(zhì)量工作的現(xiàn)狀，不斷加強對電能質(zhì)量測試與評估工作的重視程度。

2）對于火力發(fā)電廠可采取必要的技術(shù)手段來保證廠內(nèi)電能質(zhì)量，如當(dāng)機組負(fù)荷較大時投入自動發(fā)電控制，機組正常運行時投入自動電壓控制和一次調(diào)頻功能，機組使 用自動準(zhǔn)同期裝置并網(wǎng)，保證汽機閥門動作正常等。

3）火力發(fā)電企業(yè)應(yīng)定期邀請專業(yè)檢測機構(gòu)進行電能質(zhì)量普查測試。國標(biāo)DL/T 1053—2007《電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》第7.4.3條規(guī)定：“為了全面掌握電網(wǎng)的諧波水平和負(fù)荷的諧波特性，應(yīng)定期(不小于 3年)對所轄電網(wǎng)進行諧波普查測試”。而火電廠作為電網(wǎng)的主力電源，更應(yīng)從源頭嚴(yán)格把控，保證向電網(wǎng)輸送電能質(zhì)量指標(biāo)優(yōu)異的電能。

4）電能質(zhì)量測試數(shù)據(jù)僅代表測試期間各測點的電能質(zhì)量實際指標(biāo)，若火力發(fā)電企業(yè)內(nèi)部電氣參數(shù)發(fā)生變化后(如更換變壓器、安裝無功補償裝置或投退大型變頻設(shè)備)，需要再次確定受影響監(jiān)測點的電能質(zhì)量指標(biāo)，必須重新測試廠內(nèi)各監(jiān)測點的電能質(zhì)量實際運行水平，及時掌握廠內(nèi)電能質(zhì)量水平及其變化情況。

[1] 全國電壓電流等級和頻率標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會．GB/T 32507—2016 電能質(zhì)量 術(shù)語[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016．

[2] 林海雪．電能質(zhì)量指標(biāo)的完善化及其展望[J]．中國電機工程學(xué)報，2014，34(29)：5073-5079．

[3] 汪云靜，蔣勇．淺議發(fā)電廠電能質(zhì)量與監(jiān)測分析[J]．電源世界，2011(2)：38-41．

[4] 林令知．發(fā)電廠電能質(zhì)量若干問題探討[J]．電氣應(yīng)用，2012(7)：6-8．

[5] 宋琳．電能質(zhì)量對發(fā)電廠安全運行的影響分析及解決方法[J]．中國高新技術(shù)企業(yè)，2016(35)：187-188．

[6] 全國電壓電流等級和頻率標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會．GB/T 12326—2008 電能質(zhì)量 電壓波動和閃變[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

[7] 全國電壓電流等級和頻率標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會．GB/T 15945—2008 電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

[8] 全國電壓電流等級和頻率標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會．GB/T 15543—2008 電能質(zhì)量 三相電壓不平衡[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

[9] 全國電壓電流等級和頻率標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會．GB/T 14549—93 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993．