沖擊負荷影響電力系統可靠性研究

摘 要：大量沖擊負荷存在于電力系統中，這些負荷嚴重影響了電網的可靠運行，具體表現為導致閃變電壓，形成諧波，甚至直接威脅電力系統的可靠性。同時沖擊負荷會對電力設備正常操作造成危害。不管是諧波危害還是機組振動，這些因素長期作用勢必減少設備使用時間，提高設備強迫停運率。所以在研究電力系統可靠性的過程中，需要從多個方面進行考慮，降低系統風險。

關鍵詞：沖擊負荷；電力系統；可靠性

1 硅鐵電弧和電解鋁生產特點

1.1 電弧爐生產特點

硅鐵生產屬于用戶大客戶，其特點是規模較大、持續生產的較多設備、集中負荷以及容易形成沖擊功率。當利用電弧爐實施生產時，為了穩固電弧以及約束短路電流，需要相當于35%的變壓器容量的電抗容量向變壓器主回路中串入。

交流電弧爐大概需要1-2h周期冶煉硅鐵，供電電壓高低、電弧爐容量以及冶煉材料工藝等決定了冶煉時間。可以將普通電弧爐生產程度劃分為三個階段：熔化階段、氧化階段、還原階段。但是，不同于煉鋼出鐵過程實施斷電操作的是，硅鐵冶煉需要同時進行出鐵與加料，不要求實施斷電。硅鐵冶煉電弧爐的功能屬于一個保持還原反應的溫度場。因此，硅鐵冶煉過程中電弧爐利用連續生產方式，這三個階段沒有顯著區別。

冶煉過程較為穩定，但是也形成了上抬與下壓電極現象，具體表現為出鐵過程中人工調節電極與定時電極調節。

硅鐵生產不但需要很高要求的供電可靠性，而且產生了比較復雜的內部供電方式，通常會產生中小型供電網絡。當硅鐵電弧爐出現功率沖擊時，系統從原來的平衡狀態向新的平衡狀態順利過渡。

可見，硅鐵冶煉電弧爐的重要特點為：正常生產的穩定過程加之電極調節，而其作用促使電弧弧長在變化過程中體現出復雜性，進一步改變了硅鐵功率。

1.2 電解鋁生產特點

電解鋁企業也屬于一種主要的沖擊負荷。熔融電解法具體在電解鋁生產中應用。電解槽具體包括將碳素材料作為核心的陰陽極。氧化鋁與氟化鹽是電解鋁生產需要的主要材料，而整流器則提供了電解需要的直流電。由于氧化鋁具有極高的熔點，所以很難通過直接熔化提取鋁。可是固態氧化鋁可以在較低熔點的冰晶石熔融液中溶解，產生均溶體，其具備很好的導電性能。熔融在電解質中的氧化鋁由于直流作用，可以對金屬鋁進行還原。鋁電解用于生產的直流電能，通過整流器與母線連接并且向串聯的電解槽進行導入。

2 硅鐵與電解鋁對電力系統可靠性的影響

2.1 電弧爐對電力系統可靠性的影響

氣候對于電弧爐性質的沖擊負荷影響并不大，生產情況的變化發揮了決定作用。在短時間內有功功率與無功功率體現出沒有規律性的沖擊改變趨勢，這樣不但影響了周圍電廠機組的運作，并且也不利于整個電網的可靠運作。

可見，電弧爐冶煉的生產過程是一個巨大變化功率的過程。也可以理解為，在冶煉過程中，無窮大的電弧爐阻抗與零之間發生改變，電弧爐有功功率的標準數值變化范圍是0-1-0，而無功功率的標準數值變化范圍是0-2。巨大變化的有功功率會極大影響小型電網的頻率；劇烈波動的無功功率，也會造成電網電壓的波動。

通過研究現場生產情況可知，出鐵過程是功率劇烈變化的具體原因。出鐵的同時也會產生下壓和提高電極以及添加原料，導致電弧弧長出現較大變化，造成整個過程中出現顯著地功率變化。由此可知，出鐵在統一的生產周期內，功率消耗十分穩定。

但是出鐵過程較為短暫，具體原因是通過連續生產方式生產硅鐵，隨著生產進行將原料持續添加到電弧爐內，由于電極是向爐內深入的，進一步導致上部電弧爐溫度比較低。在爐上部集中原來實施焙燒，在出鐵過程中提升電極與降低爐液，導致坍塌原料，迅速改變電弧爐弧長，繼續進入下一階段生產。由于在硅鐵冶煉過程中出鐵操作具有反復性，功率勢必頻繁變化。

硅鐵生產過程較為復雜，導致波動功率的原因很多。比如本次原料中存在大量的還原劑，容易出現塌料進而產生劇烈變化的電爐功率。

2.2 電解鋁對電力系統可靠性的影響

陽極效應是電解鋁生產過程中最為常見的現象。目前尚沒有探明形成陽極效應的原因，但是工業上已經很熟悉這一現象的成因并且產生了共識。陽極效應是氧化鋁在電解質中逐步減少導致的，外在體現為陽極與電解質交界處，存在著顯著的弧光放電。平均每天每個電解槽正常發生0.5-1次陽極效應。

電解鋁正常生產過程，生產線電流具體維持在某一數值。當某一槽出現陽極效應時，也會迅速提高槽電壓。由于通過恒電流控制，這一需求也會迅速增加有功功率，相應的增大了無功功率。陽極效應是無法避免的。

在對電解槽進行啟動的過程中也會沖擊整個系統，其成因在于啟動過程中產生人造效應。這里所指的人造效應是指對新電解槽進行啟動時對整體實施斷電，與新的電解槽接入之后，可以人為加大槽電壓，并且維持10-20分鐘。此時槽中會提升電解質溫度，通過高溫反應會分離炭渣。對其進行打撈以后，降低槽的電壓，但是還需要1-2天恢復到工作電壓。

3 沖擊負荷下電力系統可靠性計算

通過調研統計某地區電網中的具體沖擊源，明確沖擊具體過程以及強度的參數，修正不考慮沖擊下的設備常規PFOR，對比之后獲得沖擊負荷影響電力系統可靠性的情況。

這一地區存在的高能耗用戶很多，出現了嚴重的用電負荷。一些高耗能企業外部變壓器長時間超負荷運作，采取電負荷一天之內多次進行投切，對變壓器進行了沖擊，進一步縮減了變壓器使用時間，加大了故障概率。系統中形成了下列沖擊源：攜帶重負荷的鋁廠、體現出備用特點的鋁廠、鋁合金廠以及鉛鋅廠。此外還有一些高耗能小型廠礦與牽引變。系統中，鋁廠與冶金廠出現的突發甩負荷是形成巨大沖擊的沖擊源。

這里需要對變壓器獲得沖擊之后的影響積極考慮，利用公式計算變壓器均運行期望時間，并且對強迫停運效率科學修正。

接下來對地區電網風險水平科學評估，并且對存在的沖擊負荷影響進行觀察。第一，在對沖擊負荷影響不考慮的情況下，通過計算機抽樣整體地區的電網系統，可以獲得這一地區對沖擊負荷因素引入之前可靠性指標電力不足概率以及電量不足期望數值。很明顯引入沖擊負荷的電力系統更加缺乏可靠性。

通過上述分析了解到，沖擊負荷下電力系統整體運行風險相較于一般負荷有所提升，尤其是沖擊負荷沖擊電力系統之后明里提高了風險。對于電網整體風險與接入點風險來講沖擊源形成了巨大的影響。

4 結束語

在電力系統中，由于具有特殊性的沖擊負荷，其生產過程出現了對電力系統造成的功率沖擊。文章具體研究了硅鐵與電解鋁兩種沖擊負荷在生產過程中的特性，結合理論基礎以及統計調查探討了二者沖擊負荷影響電力系統可靠性的具體成因。在思考生產特點的前提下獲得了功率沖擊產生的概率，有利于維持電力系統的可靠性。

參考文獻

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[2]劉小河，趙剛，于娟娟.電弧爐非線性特性對供電網影響的仿真研究[J].中國電機工程學報，2014（6）.

作者簡介：鄧舒平（1988-），女，云南宣威人，助理工程師，本科，主要研究方向：電力系統。