電源電壓質量問題解決方案的比較研究

房旭鵬

（中國石油管道公司新建管道運行籌備組，河北 廊坊 130012）

1 引言

電源電壓質量是供電質量的重要指標之一。電源電壓質量存在的常見問題是電源電壓偏高或者偏低，電源電壓波動較大等問題。電源電壓長期偏高或者偏低，運行的電氣設備就會發(fā)熱，縮短壽命；電源電壓波動較大不僅對用電設備的運行帶來很大的危害，而且會給電網的穩(wěn)定運行帶來風險。電源電壓波動較大的原因主要包括：負荷的較大變化、電網中存在諧波源、運行設備產生諧波污染等。對不同的系統進行認真分析，確定不同的方案，才能從根本上解決電源電壓質量問題。

2 問題的提出

長長吉輸氣管道長春輸氣站在設備調試期間，發(fā)現UPS電源設備多次因過電壓保護，形成旁路運行的故障情況。我們知道，UPS電源設備為下游的儀表設備、自動化設備、通訊設備及其他重要設備提供平穩(wěn)安全的電源。UPS電源設備故障運行，嚴重威脅這些重要設備的調試和安全運行。經過分析監(jiān)控，我們發(fā)現該輸氣站存在著嚴重的電源電壓質量問題，主要表現為電源電壓偏高，電源電壓波動大等問題，直接影響長春輸氣站的投產和以后的設備安全運行。

表1是2009年10月18日夜間我們對進線電源電壓的監(jiān)控記錄。

國家標準規(guī)定，10kV及以下三相供電電壓允許偏差為標稱系統電壓的-7%～+7%之間，220V單相供電電壓允許偏差為標稱系統電壓的-10%～+7%。

長春輸氣站三相電壓標稱系統電壓為400V，單相電壓標稱系統電壓為220V。即三相供電電壓允許偏差為372V-426V, 單相供電電壓允許偏差范圍為218V-235V.根據2009年10月18日電壓監(jiān)控記錄，該站實際供電電壓最高值：三相最高達426V，單相最高達246V，顯然供電電壓偏高。

從表1中可以看出，三相電壓最大值為426V，最小值為403V，從而我們可以算出，長春輸氣站電壓波動范圍為：

△U%=△U/UN×100%=(426-403)/400 ×100%=5.75%

表1 2009年10月18日電壓監(jiān)控記錄

根據國家標準的規(guī)定，電壓波動允許值為：220kV及以上電壓波動允許值為1.6%；35～11kV電壓波動允許值為2%；10kV及以下電壓波動允許值為2.5%。顯然，長春輸氣站的進線電壓波動值偏高。

針對長春輸氣站電壓問題，我們對上游變電站的情況進行了調查。長春輸氣站配電所進線是由其上游變電所配出線前進線59號桿經跌落開關配出。據了解，上游變電所的總容量為2500×2kVA，電壓等級為6600V/10V，其中前進線的容量為3000kVA。該變電所所帶的負荷主要是農用設備用電，但是前進線上有一個容量為250kVA的鑄造廠，另一條配出線萬善線有一個容量為1260kVA鑄造廠。顯然，這兩個鑄造廠產生了嚴重的諧波，嚴重地影響長春分輸站的電源電壓質量。

從以上分析可以看出：長春輸氣站電源質量問題存在著電源電壓偏高，電源電壓波動大等問題。產生這些問題的根本原因是上游變電站所帶的是農用電；上游供電線路存在嚴重的諧波污染。

3 解決問題方案的比較

針對長春輸氣站電源存在的問題，我們提供了兩個解決方案。

第一個方案是：

（1）長春輸氣站配電應考慮從其上游變電所配出一條專用供電線路。這樣既可以減小鑄造廠產生的諧波影響，又可以方便輸氣站電氣設備的檢修。

（2）在變壓器后面增加一臺交流穩(wěn)壓器，交流穩(wěn)壓器既可以消除農用電電壓波動大的問題，又能夠部分消除諧波產生的影響。

第二個方案是：

（1）長春輸氣站配電應考慮從其上游變電所配出一條專用供電線路。

（2）在變壓器后面增加一臺濾波器，消除諧波對輸氣站設備的影響。

（3）更換變壓器，采用調壓能力更強的變壓器。由于其上游變電所所帶負荷主要是農村用電負荷，電壓波動較大，采用調壓能力更強的變壓器，能夠靈活調整電壓，確保設備的正常運行。

考慮到上游變電站前進線存在著一個諧波源，兩個方案都考慮到申請專用線路的辦法。專用線路可以避免諧波源對長春輸氣站供電電源的直接影響。下面主要從解決問題的原理、投資成本和施工時限等幾個方面對兩個方案進行分析。

（1）設備原理方面

兩個方案的區(qū)別在于采用不同的設備來消除電壓不穩(wěn)定的問題。長春輸氣站電源電壓不穩(wěn)定的問題是由兩個因素所造成的，其一是農用電，其二則是諧波。交流穩(wěn)壓器可以從根本上解決農用電所帶來的電壓不穩(wěn)定問題，但是只能部分消除諧波所帶來的電壓不穩(wěn)問題；濾波器可以從根本上解決諧波所帶來的電壓不穩(wěn)定問題，但是不能消除農用電所帶來的電壓不穩(wěn)問題，必須更換調壓能力更強的變壓器進行調壓。

（2）投資成本

長春輸氣站變壓器的容量為160kVA。根據變壓器的容量選擇的交流穩(wěn)壓器的容量為150kVA，150kVA的交流穩(wěn)壓器的成本大概為7萬元，也就是說第一種方案設備投資約為7萬。重新購置一臺160kVA的變壓器需要5萬元，一臺有源濾波器的成本約為4萬元，第二種方案設備投資約為9萬元。兩種方案的線路投資和安裝費用基本相同。

（3）施工時限

考慮到投產的期限，我們必須認真分析兩種方案的施工時限問題。由于第二種方案需要增加濾波器，同時還要更換變壓器。如果直接采購新的變壓器，勢必增加成本。如果將變壓器運到原廠進行處理，所需要的時間較長，必然影響到施工?？梢姀氖┕r限考慮，第一種方法優(yōu)于第二種方法。

綜合以上分析，解決長春輸氣站電壓問題的最佳方案是在變壓器后增加一臺交流穩(wěn)壓器，如圖1所示。

圖1

4 問題的解決

方案確定后，下一步就是如何選擇穩(wěn)壓器的問題。長春輸氣站電壓不穩(wěn)的問題主要源于兩個因素：一個是農電的影響，一個是諧波的影響。由農電負荷的季節(jié)性變化引起的電壓不穩(wěn)的問題增加交流穩(wěn)壓器，就能夠得到解決，但是由諧波引起電壓變化一般交流穩(wěn)壓器解決不了?？紤]長春輸氣站線路的諧波源主要是電弧爐，電弧爐產生的高次諧波污染主要是2次諧波、3次諧波和5次諧波，特別是3次諧波污染最重。我們選擇浙江溫州現代集團有限公司生產的TJA系列交流穩(wěn)壓器。該穩(wěn)壓器具有隔離、雙向濾波、穩(wěn)壓范圍寬等多重功能,特別適用電網諧波污染嚴重的配電線路中的設備配套使用。這種穩(wěn)壓器對低次諧波一直效果很好，特別地，對3次諧波抑制高達90%以上。

考慮到變壓器的容量為160kVA，我們選擇了容量為150kVA的交流穩(wěn)壓器，設備型號為：TJA-150。設備的主要參數如下：

輸入電壓范圍：三相380V30%（266～494V）；

輸出電壓：三相380V；

輸入頻率50/60Hz1Hz；

輸出電壓總諧波失真：≤3.5%；

應變時間：20～40ms；

抗干擾能力：≥60dB，對各次諧波均有明顯抑制作用；

平均無故障時間≥8萬h。

5 結論

解決電源電壓質量問題，最根本的是分析影響電源電壓質量的內在原因。從問題的實質出發(fā)，考慮設備功能、投入資本、施工時限以及設備的空間布局等問題，列出不同的解決方案，并從中優(yōu)中擇優(yōu)，選出最佳方案。方案確定以后，根據方案的要求，進行設備選型。長長吉管道長春輸氣站改用專用線路供電并在變壓器后增加了穩(wěn)壓器后，電源電壓質量得到了改善，保證了輸氣站供電的安全性和可靠性，進而保證了長長吉輸氣管道安全平穩(wěn)運行。