火力發電廠電能質量測試與評估分析

李養俊，何子春，張強，涂偉

（華電電力科學研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

電能質量是指電力系統指定點處的電特性，關系到供用電設備正常工作(或運行)的電壓、電流等各種指標偏離基準技術參數的程度[1]，反映了電能質量關注點(常指用戶端)的交流電能的品質，可由標志其好壞的各種指標來衡量。隨著用電負荷的多樣化，電能質量具體指標也在不斷發展和完善[2]。

電能質量測試在電力系統預定的運行方式下，采用標準規定的電能質量檢測方法，應用符合標準的電能質量監測設備，對待定供用電(節點)電能質量干擾指標進行測試，并應用符合標準的、或廣泛承認的數據評估方法，得到針對該節點的電能質量評估結果，將該結果與國家或行業標準進行比較，以判斷其電能質量指標是否超標[3]。

本文在對多個火力發電廠電能質量進行實時測量和數據采集的基礎上，通過計算并分析發電機出口、升壓站母線、廠用電母線等關鍵監測點的電能質量指標數據，并把測試分析結果同相關國標限值進行比對，最后給出了評估結論和合理化建議。

1 電能質量超標問題的產生

近年來，由電能質量引發的各類問題已經成為重要焦點，越來越受到發電企業和電力用戶的關注，火力電廠也采取了大量必要的技術手段來不斷提高電能質量。火力發電廠輸出電能質量指標優異的電能，對于提高電力系統生產效率及電能上網傳輸的重要性日益突出[4]。

由于火力發電廠的特殊接線形式及其運行特點，火力發電廠的電能質量實際運行指標有著其特殊性。火力發電廠電能質量超標問題主要表現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標稱電壓的偏差相對值(以百分數表示)。由于火力發電廠電氣部分配置的電氣設備種類繁多，部分大容量異步電動機、電弧焊機等設備快速啟停形成了間歇性的沖擊性負荷，在電動機起動時由于起動電流大而引起電壓跌落；當沖擊性負荷突然退出時，廠用電電壓同樣會出現暫升。此外，雷擊、操作過電壓等因素同樣會引發電壓波動而出現電壓偏差問題。

1.2 諧波污染問題

諧波是由于施加在電力設備中的電壓與產生的電流之間未形成線性關系而導致的。隨著控制理論和計算機技術的不斷更新進步，電力電子技術在火力發電廠生產現場被廣泛應用。大量使用的整流、變頻等設備，一方面滿足了火力發電廠的節能減排需求，另一方面又因整流變頻設備的非線性特點，為火力發電廠電能質量關鍵監測點注入了大量的諧波。其諧波源主要包括以下四類設備：

1）變頻調速設備。如在空冷風機、凝結水泵、吸風機組、供油泵、工業廢水處理水泵及給煤機等調速頻繁電動機的設備中使用的各類變頻調速設備。

2）輸變電設備。如變壓器、電抗器等具有飽和特性的鐵心設備。

3）晶閘管類設備。火力發電廠配置的大容量不間斷電源(uninterrupted power supply，UPS)以及晶閘管整流設備等。

4）照明燈具。如發電廠照明中通常使用的是金屬鹵化物燈。

2 電能質量超標對火力發電廠的危害

2.1 電壓偏差對發電廠安全運行的危害

目前，電力系統中大多數電力設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，在運作過程中仍應密切關注電壓的變化情況，避免因電壓超過規定的偏移范圍而引起電力設備故障。

當火力發電廠發電機出口、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，導致整個火力發電廠無法正常運轉。若無法及時處理電壓過高的狀況，發電機將會因觸動保護裝置而停止工作，還將導致供電區域無法正常供電。同時，電壓過高還將導致變壓器的電流大幅增大，使電力設備出現不正常的發熱，導致電力設備出現燒毀的現象，從而加劇了對電力設備的損害程度。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，導致電動機定子繞組因過熱而出現老化的現象，不利于電動機的正常穩定運轉[5]。

2.2 頻率偏差對發電廠安全運行的危害

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

火力發電廠在運行過程中，發電機的頻率會因大負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跳閘的現象，使系統與發電機出現解列，導致電廠無法正常運轉。除此之外，頻率偏差過大還將導致汽輪機葉片出現劇烈震動，而長時間的震動會使葉片斷裂，妨礙電力設備長期正常運行。

2.3 諧波對發電廠安全運行的危害

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

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

3 測試數據評估分析

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

3.1 電壓閃變測試數據

閃變是電壓波動在一段時期內的累積效果，可通過燈光照度不穩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，其國標限值分別在國標GB/T 12326—2008《電能質量 電壓波動和閃變》中有詳細規定[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據進行評估分析，發現某電廠6 kV 1 A段母線C相電壓長時閃變測試數據存在超標情況，具體測試數據見表 1，其余測點電壓短時及長時閃變均在國標限值以內。

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

3.2 頻率偏差測試數據

頻率偏差測量的方法是測量電網基本頻率，每次取1 s、3 s或10 s間隔內計到的整數周期與整數周期累計時間之比(與1 s、3 s或10 s時鐘重疊的單個周期應丟棄)。測量時間間隔不能重疊，每1 s、3 s或10 s間隔應在1 s、3 s或10 s時鐘開始計。國標GB/T 15945—2008《電能質量 電力系統頻率允許偏差》規定電力系統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臺發電機機端、18條廠用電母線、5條送出線路及1條并網母線頻率偏差測試數據評估分析，發現電廠所測線路或母線頻率偏差數據均在國標限值以內，頻率偏差測試數據全部合格。

3.3 三相電壓不平衡度測試數據

不平衡度的測量應在電力系統正常運行的最小方式(或較小方式)下，不平衡負荷處于正常、連續工作狀態下進行，并保證不平衡負荷的最大工作周期包含在內。國標GB/T 15543—2008《電能質量 三相電壓不平衡》中規定：電網正常運行時，負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臺發電機機端、18條廠用電母線、5條送出線路及1條并網母線三相電壓不平衡度測試數據評估分析，發現某電廠 6 kV 1 A段母線三相電壓不平衡度測試數據存在超標情況，具體測試數據見表 2，其余測點三相電壓不平衡度測試數據均在國標限值以內。

表2 6kV 1A段母線三相電壓不平衡度測試數據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據

諧波電壓/電流測量應選擇在電網正常供電時可能出現的最小運行方式，且應在諧波源工作周期中產生的諧波量大的時段內進行(例如電弧煉鋼爐應在融化期測量)。國標GB/T 14549—1993《電能質量 公用電網諧波》中規定了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據評估分析，發現所測電廠部分發電機機端、6 kV廠用母線部分段諧波電壓含有率測試數據較為接近國標限值，部分母線諧波電壓含有率測試數據存在超標情況，部分發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據(同其他次電流諧波含有量相比)存在明細偏大的情況，具體數據見表 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據均滿足國標限值要求。

表3 諧波電壓含有率測試數據Tab. 3 The test data of harmonic voltage content %

表4 諧波電流含有量測試數據Tab. 4 The test data of harmonic current contains A

3.5 評估分析

通過對3.1~3.4節的測試數據進行評估分析，發現：

1）某電廠6kV 1A段母線C相電壓長時閃變測試數據超標，同時該段母線三相電壓不平衡度測試數據也超標。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荷且三相負荷分配很不均勻，若要準確判定超標原因，可對該段母線進行電能質量復測，復測期間嚴格監控母線所帶特殊負荷的分布情況。

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

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

4）部分發電機機端電壓11次諧波三相諧波電流含有量較為接近國標限值，需要加強監測；此外，部分發電機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限值，建議加強監測，必要時復測并查明電流諧波含量較大的具體原因。

4 結論

1）通過評估分析發現，火力發電廠電壓閃變、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量指標并不是全部滿足國標限值要求，而是存在接近國標限值甚至大幅超過國標限值的情況。因此，電廠相關人員應改變因其廠內電能質量指標較優而武斷的判定火電電能質量指標滿足標準而輕視電能質量工作的現狀，不斷加強對電能質量測試與評估工作的重視程度。

2）對于火力發電廠可采取必要的技術手段來保證廠內電能質量，如當機組負荷較大時投入自動發電控制，機組正常運行時投入自動電壓控制和一次調頻功能，機組使 用自動準同期裝置并網，保證汽機閥門動作正常等。

3）火力發電企業應定期邀請專業檢測機構進行電能質量普查測試。國標DL/T 1053—2007《電能質量技術監督規程》第7.4.3條規定：“為了全面掌握電網的諧波水平和負荷的諧波特性，應定期(不小于 3年)對所轄電網進行諧波普查測試”。而火電廠作為電網的主力電源，更應從源頭嚴格把控，保證向電網輸送電能質量指標優異的電能。

4）電能質量測試數據僅代表測試期間各測點的電能質量實際指標，若火力發電企業內部電氣參數發生變化后(如更換變壓器、安裝無功補償裝置或投退大型變頻設備)，需要再次確定受影響監測點的電能質量指標，必須重新測試廠內各監測點的電能質量實際運行水平，及時掌握廠內電能質量水平及其變化情況。

[1] 全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會．GB/T 32507—2016 電能質量 術語[S]．北京：中國標準出版社，2016．

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

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

[4] 林令知．發電廠電能質量若干問題探討[J]．電氣應用，2012(7)：6-8．

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

[6] 全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會．GB/T 12326—2008 電能質量 電壓波動和閃變[S]．北京：中國標準出版社，2008．

[7] 全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會．GB/T 15945—2008 電能質量 電力系統頻率偏差[S]．北京：中國標準出版社，2008．

[8] 全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會．GB/T 15543—2008 電能質量 三相電壓不平衡[S]．北京：中國標準出版社，2008．

[9] 全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會．GB/T 14549—93 電能質量 公用電網諧波[S]．北京：中國標準出版社，1993．