在區(qū)域電網(wǎng)進行電能質量測試的重要性

李 波

國網(wǎng)黑龍江黑河供電公司

電力系統(tǒng)是一個有機的整體，在保證向用戶提供優(yōu)質電力的同時，還要避免遭受用電設備對電網(wǎng)產(chǎn)生的干擾。了解各類負荷對公用電網(wǎng)帶來的危害，采用技術手段進行監(jiān)督管理，采取措施進行抑制和治理。

1 前言

電能是一種經(jīng)濟適用、清潔方便的能源形式，其生產(chǎn)、輸送、分配和轉化直至消耗是同時進行的。電力系統(tǒng)的電能質量始終處在動態(tài)變化中，其狀況相互影響。在發(fā)、供、用構筑的整體中，不論哪個環(huán)節(jié)引起電能質量問題，質量一旦達不到標準要求，都會對相關設備的安全運行構成威脅。

2 電能質量問題存在的原因及產(chǎn)生的危害

專家認為，對現(xiàn)代電能質量的定義應該理解為“導致用戶設備不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差，造成用電設備故障或錯誤動作的任何電力問題都是電能質量問題”。則表征電網(wǎng)電能質量好壞的技術指標有五個方面。下面首先從這幾個方面所產(chǎn)生的原因和由此造成的危害進行主要闡述。

電壓偏差

電壓偏差是指電力系統(tǒng)電壓緩慢變化，其實際電壓與系統(tǒng)標稱電壓之差。由于系統(tǒng)網(wǎng)架結構不合理，供電電源不靠近用電負荷中心，供電半徑過大，無功負荷沒有遵循就地平衡的原則，都會產(chǎn)生電壓偏差。其超標的危害主要表現(xiàn)在用電設備會由于過電壓或過電流而損壞；對電網(wǎng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟運行也造成危害，可能產(chǎn)生同步運行穩(wěn)定破壞或電壓不穩(wěn)定的嚴重電力系統(tǒng)事故。

頻率偏差

在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機發(fā)出的功率與用電設備及送電設備消耗的功率不平衡時，將引起電力系統(tǒng)頻率變化。無論電力系統(tǒng)低頻率運行還是高頻運行，都會對發(fā)電廠和電力用戶產(chǎn)生不利影響，引起惡性循環(huán)，危害電力設備的絕緣，增加用戶和系統(tǒng)的損耗，甚至造成嚴重事故。

三相不平衡

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，不斷出現(xiàn)的大量不平衡負荷以及一些大容量負荷，使電網(wǎng)三相不平衡日趨嚴重，危及電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟運行，特別是當電網(wǎng)中同時存在諧波時，對電網(wǎng)的安全運行是有嚴重威脅的。如區(qū)域電網(wǎng)內10kV工業(yè)干為某一鋼廠供電，鋼廠采用中頻電弧爐煉鋼。電弧爐在熔化期三相電極不規(guī)則的調整，其電弧電阻的非線性導致大量諧波注入電網(wǎng)引起三相負荷的不平衡，嚴重的三相不平衡使采用三相四線制系統(tǒng)供電的配電網(wǎng)中性線過負荷，在中性線上產(chǎn)生不平衡電流，引起零電位漂移，導致臨近某學院多臺計算機燒損，損失嚴重。

電壓波動與閃變

電壓波動和閃變大多產(chǎn)生于配電系統(tǒng)，并通過配電變壓器傳遞到低壓側的用戶電源端。有些電壓波動盡管在限度以內，但可能產(chǎn)生照明閃爍、干擾計算機等電壓敏感型設備的正常運行。

公用電網(wǎng)諧波

非線性用電設備是諧波產(chǎn)生的主要原因，由于非線性設備產(chǎn)生的諧波電流通過系統(tǒng)網(wǎng)絡注入系統(tǒng)電源中，畸變電流流經(jīng)系統(tǒng)阻抗使母線電壓發(fā)生畸變，如化工行業(yè)的高頻爐、鋼鐵行業(yè)的煉鋼爐等；隨著電子設備應用的大量增加，具有UPS 電源、電子調速設備及家用電器中的計算機、微波爐等各類非線性設備使用集中地區(qū)諧波污染也已相當嚴重。諧波污染的影響使電能質量明顯下降，對電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行及電力用戶的可靠用電都造成了威脅。

值得一提的是，諧波污染還會引起變電站的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成電壓互感器等設備損壞；造成變電站系統(tǒng)中的設備和元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，引起變壓器、電力電纜等設備發(fā)熱、電容器損壞。例如局域網(wǎng)某變電所投產(chǎn)初期，由于非線性負荷比重較大，并聯(lián)電容器組投入時電容器的諧波阻抗小，注入電容器組的諧波電流大，造成電容器的過電流和過電壓，致使電容器的損耗增加、發(fā)熱異常，絕緣加速老化。同時，諧波使工頻正弦波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生鋸齒狀尖頂波，在絕緣介質間引發(fā)局部放電，局部放電也同時加速了絕緣介質的老化，致使該變電所電容器在短期內多次損壞。

3 區(qū)域網(wǎng)現(xiàn)狀及所面臨的問題

區(qū)域電網(wǎng)結構復雜，運行方式特殊，由220kV 變電站8 座，220kV 線路總長1200km；110kV 變電所22 座，110kV 線路總長1500km ；35kV 變電所13 座等構成，由省網(wǎng)和俄網(wǎng)共同供電，供電半徑大，負荷情況復雜，使電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟運行壓力較大。

區(qū)域電網(wǎng)高耗能，僅工業(yè)園區(qū)就有工業(yè)硅冶煉企業(yè)七家，供電容量在200MVA 以上，化工企業(yè)陸續(xù)投產(chǎn)，使非線性負荷所占比重越來越大。這些工業(yè)負荷一般都安裝有無功補償電容器，由于供電系統(tǒng)在網(wǎng)絡中都呈感性，電容器的存在就創(chuàng)造了諧振的條件，因此可能放大來自非線性負荷的諧波電流，從而引起電網(wǎng)中電壓畸變率的增高產(chǎn)生其他問題。

風電場接入電網(wǎng)后，在向電網(wǎng)提供電能的同時，也會給電網(wǎng)的運行帶來一些負面影響。風能作為一種無污染的可再生能源，在未來的能源系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，在風能資源豐富的區(qū)域，得到了快速發(fā)展，近兩年來，局域電網(wǎng)就有多家風電場并網(wǎng)運行。風電是一種清潔能源，但是隨自然條件變化的，風速與風向的隨機變化，造成風力發(fā)電機組出力的隨機性和間歇性，隨著風電場的建設和裝機容量在系統(tǒng)中所占的比例的增加，大風速擾動會對系統(tǒng)的電壓和頻率產(chǎn)生較大影響，且機組啟動時從系統(tǒng)大量吸收無功，并網(wǎng)瞬間的沖擊電流為額定電流的2～3 倍，造成系統(tǒng)電壓水平下降，危及系統(tǒng)穩(wěn)定。

商業(yè)負荷和民用負荷對局域配電網(wǎng)系統(tǒng)電能質量的影響也不容忽視。商業(yè)客戶中大量的不間斷電源、電信交換機、壓縮機等交流調速裝置都是典型的非線性設備，而家用電器也都會產(chǎn)生諧波，雖然單個容量較小，但是數(shù)量巨大。在以三相四線制供電的配電系統(tǒng)中，這些非線性負荷所產(chǎn)生的諧波電流會導致供電線路的中線導體過熱、變壓器過熱以及干擾通信系統(tǒng)。

電能質量測試在預防、檢修中的作用

要保障電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行，就必須及時地對電網(wǎng)中的污染源進行定量的分析，采取適當?shù)拇胧┘右韵拗坪凸芾恚壳盁o法進行準確的定量分析，只有依靠測量手段。

2009年初，工業(yè)園區(qū)合盛硅業(yè)投運前，對其進行了接入諧波評估測試。該負荷由220kV 愛輝變35kV 八號線（俄網(wǎng)）供電，主要用電設備總容量為12600kVA（三臺單相變壓器，單臺容量4200kVA），主要負荷為交流電弧爐，額定出力為12500kW，這類設備在冶煉過程中，工作電流極不穩(wěn)定，會產(chǎn)生較大數(shù)量的諧波電流注入電網(wǎng)，引起區(qū)域網(wǎng)電壓波形畸變，其電弧爐運行時三相電機不能保持同步升降，形成三相負荷不對稱，造成電網(wǎng)電壓三相不平衡。通過測試所得，該企業(yè)生產(chǎn)時所注入的各次諧波電流中，3、5、7 次都超出國家標準規(guī)定的允許值要求，愛輝變35kV八號線母線電壓諧波的總畸變率為5.5%，超出國家標準規(guī)定的限值（3%）。要求合盛硅業(yè)對諧波源進行綜合治理，必須采取濾波補償措施。該企業(yè)采用高壓并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器的補償措施，補償裝置投運后，進行實測，生產(chǎn)時所注入的3、5、7 次諧波電流顯著減少，愛輝變35kV八號線線母線電壓諧波的總畸變率為2.67%，符合國家標準規(guī)定的限值。通過監(jiān)測手段，加強了電網(wǎng)中諧波源的管理，限制了用戶諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流，有效預防各種危險諧振現(xiàn)象的發(fā)生。

在區(qū)域電網(wǎng)進行電能質量定期監(jiān)測，還可以及早捕捉系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，及時進行檢修預防，減小系統(tǒng)潛在危險。如某變電所在短時期內先后發(fā)生兩次因10kV 母線過電壓造成對地短路，絕緣子爆炸，引線、刀閘燒毀的事故。經(jīng)過對此變電所進行電能質量監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)發(fā)生事故的母線電壓不平衡（電壓互感器二次電壓最低相為55V，最高相為62V），各項電壓諧波含量很高，其三次諧波含量達22%，且該母線所帶的各負荷進線的電流諧波含量并不高，僅為1.5%。經(jīng)分析驗證，確定為該10kV 母線上的電壓互感器中性點接地不良造成的。檢修排除故障后，三相電壓恢復平衡，電壓諧波降至1.1%的正常值。結合此次事件，對同等情況的變電所進行了排查，避免同類事故的再次發(fā)生。

4 結語

隨著地域經(jīng)濟的飛速發(fā)展，地區(qū)負荷不斷增長，用電需求不斷增大，電能質量問題備受關注。為了避免電能質量事故的發(fā)生，對區(qū)域電網(wǎng)進行電能質量測試，對非線性負荷進行監(jiān)測、治理，是保障局域電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟運行的必要手段。