電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與分析
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【關(guān)鍵詞】分析,監(jiān)測(cè),質(zhì)量,電壓,電能,電網(wǎng),
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)中非線性負(fù)荷用戶的比例不斷提高，由此而產(chǎn)生的供電電能質(zhì)量嚴(yán)重下降，表現(xiàn)得越來(lái)越突出。電能質(zhì)量嚴(yán)重超標(biāo)正在大范圍的污染供電環(huán)境，危及電網(wǎng)及其供電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重的影響電力企業(yè)及廣大用戶的經(jīng)濟(jì)效益。
這種現(xiàn)象在北京孫河220kV變電站表現(xiàn)十分嚴(yán)重，它不但使變電設(shè)備的安全運(yùn)行無(wú)法保證，而且影響到當(dāng)?shù)氐钠髽I(yè)生產(chǎn)用電和居民生活用電。為此2002年在該站安裝了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)10kV母線的電能質(zhì)量進(jìn)行了連續(xù)的監(jiān)測(cè)。
1孫河220kV變電站電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹
為了加強(qiáng)對(duì)電能質(zhì)量的管理和監(jiān)控，2002年在孫河220kV變電站建立了電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。此前，該站經(jīng)常燒TV保險(xiǎn)，曾多次發(fā)生過(guò)TV爆炸的事故，存在嚴(yán)重的諧振現(xiàn)象。
采用電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該裝置主要有以下幾種監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)功能：
(1) 三相各次諧波電壓、電流及其諧波含有率；
(2) 三相電壓、電流總諧波畸變率；
(3) 三相有功、無(wú)功功率及其方向；
(4) 總的有功功率、無(wú)功功率，功率因數(shù)及相位移功率因數(shù)；
(5) 電網(wǎng)頻率、線電壓、電壓偏差；
(6) 電壓不平衡度、負(fù)序電壓、負(fù)序電流。
電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)單元，安裝在220kV孫河變電站10kVII段母線，服務(wù)器安裝在監(jiān)控中心，是集通訊/數(shù)據(jù)庫(kù)/Web發(fā)布于一體的服務(wù)器，與變電站監(jiān)控單元間通過(guò)光纖進(jìn)行通訊傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)Web服務(wù)器對(duì)MIS系統(tǒng)開(kāi)放，支持Web瀏覽方式，做到數(shù)據(jù)共享，公司所有局域網(wǎng)內(nèi)的微機(jī)，均可通過(guò)Web瀏覽進(jìn)行訪問(wèn)，查看電能質(zhì)量分析的各種報(bào)表和數(shù)據(jù)，了解監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓、電流波形、各次電流電壓的諧波分量等電能質(zhì)量情況。
2變電站概況及監(jiān)測(cè)結(jié)果
該變電站有主變壓器2臺(tái)，容量均為180MVA，220kV母線、110kV母線、10kV母線均分段并列運(yùn)行，有并聯(lián)補(bǔ)償電容器一組，容量為2700kvar，正常運(yùn)行方式為2號(hào)主變帶全站負(fù)荷。負(fù)荷主要是周圍一些工廠的工業(yè)用電、城市生活用電及周圍農(nóng)業(yè)負(fù)荷。工業(yè)用電主要集中棉廠、紗廠、變壓器廠、化工廠和木材加工廠等，這些也是該站主要的諧波源。
經(jīng)過(guò)3個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的部分統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1～6。
3對(duì)電能質(zhì)量的分析
根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析：
(1) 從諧波電壓總畸變率表4可看出，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)諧波電壓總畸變率嚴(yán)重超標(biāo)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為4%，實(shí)際情況為三相總畸變依次是：6.89%、6.50%、7.24%。對(duì)于并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置，10kV電容器應(yīng)進(jìn)行容量及參數(shù)計(jì)算，適當(dāng)改變電容參數(shù)，避免產(chǎn)生諧振，防止諧波對(duì)電容器造成損壞。對(duì)該站以后新增負(fù)荷時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制諧波源，以避免諧波分量進(jìn)一步提高，給電網(wǎng)造成較大的安全隱患。
(2) 從各次諧波電壓含有率水平表1可見(jiàn)：3次諧波含有率較高，A相為6.7%，其次是5、7次諧波，這對(duì)并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償電容器串聯(lián)電抗百分?jǐn)?shù)的選擇，有重要的參考價(jià)值。
(3) 諧波電流均不超標(biāo)，主要諧波頻次為：3、5、7、9次，這為諧波治理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
(4) 根據(jù)上述分析可判斷，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在嚴(yán)重的3次諧波諧振現(xiàn)象，應(yīng)改變系統(tǒng)運(yùn)行方式，分析并聯(lián)補(bǔ)償電容器對(duì)諧波的影響。
(5) 根據(jù)無(wú)功功率數(shù)據(jù)大小、方向及功率因數(shù)判斷，該站10kV母線安裝的并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置，其基波無(wú)功功率偏大（各種工況下功率因數(shù)基本保持1，某些工況下出現(xiàn)少量的無(wú)功倒送），因此，整體10kV母線電壓偏高。
(6) 根據(jù)基波電壓最大最小值、電壓偏差最大最小值、零序負(fù)序電壓最大值、總諧波電壓畸變率最大值、各次諧波電壓、電流含量最大值、閃變最大值等參數(shù)判斷，檢測(cè)中出現(xiàn)過(guò)大的電網(wǎng)沖擊，10kV母線接有大的沖擊性負(fù)荷，或出現(xiàn)B相經(jīng)中間物接地現(xiàn)象（出現(xiàn)過(guò)很高的零序、負(fù)序電壓）。
(7) 根據(jù)電壓偏差可知各相電壓合格率：A相2.69%、B相97.8%、C相94.6%，A相合格率較低，且絕大部分為正偏差。
由以上分析可看出，該變電站存在嚴(yán)重的諧波污染，3次諧波存在諧振，并且10kV并聯(lián)補(bǔ)償電容器對(duì)諧波有放大作用，應(yīng)調(diào)整其運(yùn)行參數(shù)。
4影響電能質(zhì)量的因素及其對(duì)策
影響電能質(zhì)量的主要因素是各種非線性用電設(shè)備、變壓器和各類鐵心電抗器，它們可分為以下幾類：
(1) 電力電子裝置，這是最嚴(yán)重的諧波源。這些裝置在整流、逆變、調(diào)壓及變頻過(guò)程中產(chǎn)生大量的諧波；
(2) 電弧爐，如煉鋼用的交流電弧爐；
(3) 家用電器，如日光燈、電視機(jī)、調(diào)速風(fēng)扇、空調(diào)、電冰箱等；
(4) 高新技術(shù)應(yīng)用的多種設(shè)備，如電子計(jì)算機(jī)、功率調(diào)節(jié)器、節(jié)能燈等。
對(duì)220kV孫河站來(lái)說(shuō)，周圍工廠的大量電力電子設(shè)備、各種大容量電動(dòng)機(jī)是其最主要的諧波源，其次是大量城市生活用電設(shè)備等。
諧波不但影響用戶設(shè)備的正常運(yùn)行，而且對(duì)電網(wǎng)設(shè)備和自動(dòng)化裝置有很大的影響。諧波對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)化裝置的影響，要從改進(jìn)自動(dòng)化裝置的制作工藝和工作原理入手，加強(qiáng)裝置的抗干擾能力，防止裝置誤動(dòng)作。但這對(duì)改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量并無(wú)任何作用，只能是減少電網(wǎng)諧波對(duì)自動(dòng)化裝置影響，因此電能質(zhì)量的治理，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)用戶諧波源的治理和改變電網(wǎng)參數(shù)，降低或消除諧波諧振。
(1) 對(duì)于電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)生的諧波，諧波的形狀很分明，可以裝設(shè)諧波濾波器來(lái)降低諧波電流。
(2) 對(duì)于特殊需要的用戶，可裝用隔離變壓器：限制均衡的3次諧波，可以采用一臺(tái)D，yn接法的隔離變壓器。
(3) 安裝有源的諧波調(diào)節(jié)器：在工作時(shí)注入一個(gè)電流來(lái)精確地補(bǔ)償由負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流，就會(huì)獲得一個(gè)理想的正弦波。這種濾波設(shè)備，靠數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)，控制快速絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。因?yàn)樵O(shè)備是與供電系統(tǒng)并聯(lián)工作，它只控制諧波電流，基波電流并不流過(guò)濾波器。目前有源濾波器正在日益推廣應(yīng)用。
(4) 對(duì)于電網(wǎng)，應(yīng)優(yōu)化電網(wǎng)參數(shù)，改變運(yùn)行方式，優(yōu)化無(wú)功補(bǔ)償?shù)陌惭b地點(diǎn)、方式和容量，消除電網(wǎng)諧振或減小電網(wǎng)對(duì)諧波的放大作用。
為了改善220kV站的電能質(zhì)量狀況，對(duì)該站采取了一系列措施：
?、僭?0kV TV、110kV TV的一次側(cè)中性點(diǎn)加裝非線性電阻；
②在10kV母線加裝消諧裝置；
?、墼?號(hào)主變110kV側(cè)中性點(diǎn)加裝消諧裝置；
?、芨淖?0kV并聯(lián)補(bǔ)償電容器的參數(shù)，消除諧振，減少對(duì)諧波的放大作用。
經(jīng)過(guò)治理，現(xiàn)在已很少燒TV保險(xiǎn)，也沒(méi)有發(fā)生TV爆炸事故，而且電能質(zhì)量狀況較以前有較大的改善。
5結(jié)束語(yǔ)
為了保護(hù)電網(wǎng)的安全運(yùn)行和用戶的安全用電，針對(duì)目前電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴(yán)重超標(biāo)且正在大范圍的污染供電環(huán)境，危及電網(wǎng)及其供電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題，對(duì)典型變電站電能質(zhì)量進(jìn)行了實(shí)測(cè)和綜合分析，并采取了有效的防范措施，取得了成效，從而限制了污染電網(wǎng)的強(qiáng)干擾源（如諧波源），確保電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保護(hù)電力用戶的合法權(quán)益。
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)中非線性負(fù)荷用戶的比例不斷提高，由此而產(chǎn)生的供電電能質(zhì)量嚴(yán)重下降，表現(xiàn)得越來(lái)越突出。電能質(zhì)量嚴(yán)重超標(biāo)正在大范圍的污染供電環(huán)境，危及電網(wǎng)及其供電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重的影響電力企業(yè)及廣大用戶的經(jīng)濟(jì)效益。
這種現(xiàn)象在北京孫河220kV變電站表現(xiàn)十分嚴(yán)重，它不但使變電設(shè)備的安全運(yùn)行無(wú)法保證，而且影響到當(dāng)?shù)氐钠髽I(yè)生產(chǎn)用電和居民生活用電。為此2002年在該站安裝了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)10kV母線的電能質(zhì)量進(jìn)行了連續(xù)的監(jiān)測(cè)。
1孫河220kV變電站電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹
為了加強(qiáng)對(duì)電能質(zhì)量的管理和監(jiān)控，2002年在孫河220kV變電站建立了電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。此前，該站經(jīng)常燒TV保險(xiǎn)，曾多次發(fā)生過(guò)TV爆炸的事故，存在嚴(yán)重的諧振現(xiàn)象。
采用電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該裝置主要有以下幾種監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)功能：
(1) 三相各次諧波電壓、電流及其諧波含有率；
(2) 三相電壓、電流總諧波畸變率；
(3) 三相有功、無(wú)功功率及其方向；
(4) 總的有功功率、無(wú)功功率，功率因數(shù)及相位移功率因數(shù)；
(5) 電網(wǎng)頻率、線電壓、電壓偏差；
(6) 電壓不平衡度、負(fù)序電壓、負(fù)序電流。
電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)單元，安裝在220kV孫河變電站10kVII段母線，服務(wù)器安裝在監(jiān)控中心，是集通訊/數(shù)據(jù)庫(kù)/Web發(fā)布于一體的服務(wù)器，與變電站監(jiān)控單元間通過(guò)光纖進(jìn)行通訊傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)Web服務(wù)器對(duì)MIS系統(tǒng)開(kāi)放，支持Web瀏覽方式，做到數(shù)據(jù)共享，公司所有局域網(wǎng)內(nèi)的微機(jī)，均可通過(guò)Web瀏覽進(jìn)行訪問(wèn)，查看電能質(zhì)量分析的各種報(bào)表和數(shù)據(jù)，了解監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓、電流波形、各次電流電壓的諧波分量等電能質(zhì)量情況。
2變電站概況及監(jiān)測(cè)結(jié)果
該變電站有主變壓器2臺(tái)，容量均為180MVA，220kV母線、110kV母線、10kV母線均分段并列運(yùn)行，有并聯(lián)補(bǔ)償電容器一組，容量為2700kvar，正常運(yùn)行方式為2號(hào)主變帶全站負(fù)荷。負(fù)荷主要是周圍一些工廠的工業(yè)用電、城市生活用電及周圍農(nóng)業(yè)負(fù)荷。工業(yè)用電主要集中棉廠、紗廠、變壓器廠、化工廠和木材加工廠等，這些也是該站主要的諧波源。
經(jīng)過(guò)3個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的部分統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1～6。
3對(duì)電能質(zhì)量的分析
根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析：
(1) 從諧波電壓總畸變率表4可看出，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)諧波電壓總畸變率嚴(yán)重超標(biāo)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為4%，實(shí)際情況為三相總畸變依次是：6.89%、6.50%、7.24%。對(duì)于并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置，10kV電容器應(yīng)進(jìn)行容量及參數(shù)計(jì)算，適當(dāng)改變電容參數(shù)，避免產(chǎn)生諧振，防止諧波對(duì)電容器造成損壞。對(duì)該站以后新增負(fù)荷時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制諧波源，以避免諧波分量進(jìn)一步提高，給電網(wǎng)造成較大的安全隱患。
(2) 從各次諧波電壓含有率水平表1可見(jiàn)：3次諧波含有率較高，A相為6.7%，其次是5、7次諧波，這對(duì)并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償電容器串聯(lián)電抗百分?jǐn)?shù)的選擇，有重要的參考價(jià)值。
(3) 諧波電流均不超標(biāo)，主要諧波頻次為：3、5、7、9次，這為諧波治理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
(4) 根據(jù)上述分析可判斷，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在嚴(yán)重的3次諧波諧振現(xiàn)象，應(yīng)改變系統(tǒng)運(yùn)行方式，分析并聯(lián)補(bǔ)償電容器對(duì)諧波的影響。
(5) 根據(jù)無(wú)功功率數(shù)據(jù)大小、方向及功率因數(shù)判斷，該站10kV母線安裝的并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置，其基波無(wú)功功率偏大（各種工況下功率因數(shù)基本保持1，某些工況下出現(xiàn)少量的無(wú)功倒送），因此，整體10kV母線電壓偏高。
(6) 根據(jù)基波電壓最大最小值、電壓偏差最大最小值、零序負(fù)序電壓最大值、總諧波電壓畸變率最大值、各次諧波電壓、電流含量最大值、閃變最大值等參數(shù)判斷，檢測(cè)中出現(xiàn)過(guò)大的電網(wǎng)沖擊，10kV母線接有大的沖擊性負(fù)荷，或出現(xiàn)B相經(jīng)中間物接地現(xiàn)象（出現(xiàn)過(guò)很高的零序、負(fù)序電壓）。
(7) 根據(jù)電壓偏差可知各相電壓合格率：A相2.69%、B相97.8%、C相94.6%，A相合格率較低，且絕大部分為正偏差。
由以上分析可看出，該變電站存在嚴(yán)重的諧波污染，3次諧波存在諧振，并且10kV并聯(lián)補(bǔ)償電容器對(duì)諧波有放大作用，應(yīng)調(diào)整其運(yùn)行參數(shù)。
4影響電能質(zhì)量的因素及其對(duì)策
影響電能質(zhì)量的主要因素是各種非線性用電設(shè)備、變壓器和各類鐵心電抗器，它們可分為以下幾類：
(1) 電力電子裝置，這是最嚴(yán)重的諧波源。這些裝置在整流、逆變、調(diào)壓及變頻過(guò)程中產(chǎn)生大量的諧波；
(2) 電弧爐，如煉鋼用的交流電弧爐；
(3) 家用電器，如日光燈、電視機(jī)、調(diào)速風(fēng)扇、空調(diào)、電冰箱等；
(4) 高新技術(shù)應(yīng)用的多種設(shè)備，如電子計(jì)算機(jī)、功率調(diào)節(jié)器、節(jié)能燈等。
對(duì)220kV孫河站來(lái)說(shuō)，周圍工廠的大量電力電子設(shè)備、各種大容量電動(dòng)機(jī)是其最主要的諧波源，其次是大量城市生活用電設(shè)備等。
諧波不但影響用戶設(shè)備的正常運(yùn)行，而且對(duì)電網(wǎng)設(shè)備和自動(dòng)化裝置有很大的影響。諧波對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)化裝置的影響，要從改進(jìn)自動(dòng)化裝置的制作工藝和工作原理入手，加強(qiáng)裝置的抗干擾能力，防止裝置誤動(dòng)作。但這對(duì)改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量并無(wú)任何作用，只能是減少電網(wǎng)諧波對(duì)自動(dòng)化裝置影響，因此電能質(zhì)量的治理，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)用戶諧波源的治理和改變電網(wǎng)參數(shù)，降低或消除諧波諧振。
(1) 對(duì)于電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)生的諧波，諧波的形狀很分明，可以裝設(shè)諧波濾波器來(lái)降低諧波電流。
(2) 對(duì)于特殊需要的用戶，可裝用隔離變壓器：限制均衡的3次諧波，可以采用一臺(tái)D，yn接法的隔離變壓器。
(3) 安裝有源的諧波調(diào)節(jié)器：在工作時(shí)注入一個(gè)電流來(lái)精確地補(bǔ)償由負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流，就會(huì)獲得一個(gè)理想的正弦波。這種濾波設(shè)備，靠數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)，控制快速絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。因?yàn)樵O(shè)備是與供電系統(tǒng)并聯(lián)工作，它只控制諧波電流，基波電流并不流過(guò)濾波器。目前有源濾波器正在日益推廣應(yīng)用。
(4) 對(duì)于電網(wǎng)，應(yīng)優(yōu)化電網(wǎng)參數(shù)，改變運(yùn)行方式，優(yōu)化無(wú)功補(bǔ)償?shù)陌惭b地點(diǎn)、方式和容量，消除電網(wǎng)諧振或減小電網(wǎng)對(duì)諧波的放大作用。
為了改善220kV站的電能質(zhì)量狀況，對(duì)該站采取了一系列措施：
?、僭?0kV TV、110kV TV的一次側(cè)中性點(diǎn)加裝非線性電阻；
②在10kV母線加裝消諧裝置；
?、墼?號(hào)主變110kV側(cè)中性點(diǎn)加裝消諧裝置；
?、芨淖?0kV并聯(lián)補(bǔ)償電容器的參數(shù)，消除諧振，減少對(duì)諧波的放大作用。
經(jīng)過(guò)治理，現(xiàn)在已很少燒TV保險(xiǎn)，也沒(méi)有發(fā)生TV爆炸事故，而且電能質(zhì)量狀況較以前有較大的改善。
5結(jié)束語(yǔ)
為了保護(hù)電網(wǎng)的安全運(yùn)行和用戶的安全用電，針對(duì)目前電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴(yán)重超標(biāo)且正在大范圍的污染供電環(huán)境，危及電網(wǎng)及其供電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題，對(duì)典型變電站電能質(zhì)量進(jìn)行了實(shí)測(cè)和綜合分析，并采取了有效的防范措施，取得了成效，從而限制了污染電網(wǎng)的強(qiáng)干擾源（如諧波源），確保電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保護(hù)電力用戶的合法權(quán)益。