提高供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量的有效措施

王曰岐

天津萊德爾電氣有限公司，天津 300300

1 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通常情況下可以用頻率、電壓偏差、電壓波動(dòng)、高次諧波以及三相電壓的不平衡度來衡量電能質(zhì)量，根據(jù)國家供用電規(guī)則，一般交流電力設(shè)備的額定頻率為50Hz，頻率偏差一般不得超過±0.5Hz。如果電網(wǎng)裝機(jī)容量在300萬kW或者以上時(shí)，頻率偏差為±0.2Hz，當(dāng)電網(wǎng)裝機(jī)容量在300萬kW以下時(shí)，頻率偏差為±0.5Hz。

隨著人們生活與工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于用電量的需求越來越大，使得電網(wǎng)中的總電流不斷增加，這樣一來就促使供配電系統(tǒng)中的變壓器、電器設(shè)備以及導(dǎo)線等元件的容量越來越大，而且用戶端電器啟動(dòng)控制設(shè)備、電量測量儀器的規(guī)格以及尺寸也要隨之增大，所以也就使初期的投入成本相應(yīng)升高。在傳輸同樣的有功功率越多將會(huì)使總電流增大，從而增加了線路以及設(shè)備的損耗以及線路以及變壓器的電壓損失。電網(wǎng)的無功功率不足，會(huì)造成負(fù)荷端的供電電壓降低，但如果電網(wǎng)中的無功功率過盛，則會(huì)使供電電壓過高。對(duì)于供配電系統(tǒng)來說，如果用電額突然出現(xiàn)大幅度的增加，電網(wǎng)頻率將會(huì)明顯降低，導(dǎo)致供配電系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，這時(shí)就需要通過采取一些有效措施使供配電系統(tǒng)的頻率得到有效地恢復(fù)。

2 電壓偏差

電壓是衡量電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，電壓質(zhì)量對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定以及供配電系統(tǒng)安全運(yùn)行、線路損耗以及各行業(yè)用電等都有直接影響。而電壓偏差是指供配電系統(tǒng)在正常運(yùn)行的情況下，系統(tǒng)各部位的實(shí)際電壓對(duì)系統(tǒng)額定電壓產(chǎn)生的偏差，產(chǎn)生電壓偏差的主要原因是線路損耗，即正常的負(fù)荷電流或者是故障電流通過供配電系統(tǒng)中的各個(gè)元件所產(chǎn)生的電壓損失。根據(jù)國家頒布的電能質(zhì)量供電電壓允許偏差中的有關(guān)規(guī)定，供電部門與用戶的產(chǎn)權(quán)分界處或者供用電協(xié)議規(guī)定的電能計(jì)量的最大允許電壓偏差不應(yīng)該超過以下標(biāo)準(zhǔn)：30kV或者以上的供電電壓，電壓的正負(fù)偏差絕對(duì)值之和應(yīng)該為10%；10kV或者以下的三相供電電壓，電壓的正負(fù)偏差應(yīng)該為±7%；220V單相供電電壓為+7%和-10%。

由于電壓偏差能夠直接影響供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量，所以必須要采取科學(xué)、有效的措施調(diào)節(jié)電壓差，對(duì)于電力用戶的供配電系統(tǒng)主要可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行調(diào)節(jié)：首先是減小線路的電壓損耗。具體通過合理減小系統(tǒng)的阻抗以及變壓級(jí)數(shù)；盡量確保系統(tǒng)三相電壓的平衡度；使高壓線路延伸到負(fù)荷中心；采用多回路并聯(lián)的方式進(jìn)行供電以及設(shè)置無功補(bǔ)償裝置等。然后是合理選擇變壓器和電壓分接接頭，通過對(duì)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及技術(shù)進(jìn)行加強(qiáng)管理可以有效的降低損耗。選擇分接接頭主要是為了通過改變變壓器的變比，進(jìn)一步調(diào)整最大負(fù)荷時(shí)的電壓偏差，使系統(tǒng)各元件的電壓能夠維持在正常合理的范圍內(nèi)，但是改變變壓器的變比并不會(huì)影響到電壓正偏差與負(fù)偏差之間的范圍；合理減小供配電系統(tǒng)的阻抗，盡量減小線路的長度以及增加電纜和導(dǎo)線的橫截面積等，如果條件允許的情況下可以將架空線路改為電纜線路進(jìn)行電量輸送；增加高壓補(bǔ)償，穩(wěn)定功率因素，減少供配電系統(tǒng)線路輸送當(dāng)中的無功功率。無功功率在輸電線路以及輸電設(shè)備法傳輸中不僅會(huì)造成極大的有功損耗，而且還可以產(chǎn)生一定的電壓降從而嚴(yán)重影響了供配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，所以就需要通過無功補(bǔ)償裝置來提升供配電的系統(tǒng)的電能質(zhì)量。無功補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償主變的空載無功損耗的同時(shí)還能夠適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償傳輸線路的無功功率損耗，以改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)穩(wěn)固變電站的電壓。而且無功補(bǔ)償裝置還具有操作簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但這種方式卻不會(huì)降低配電網(wǎng)的降損，目前這種補(bǔ)償方式在電力系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用最為廣泛。

在高壓配電線路上增加并聯(lián)電容器的安裝數(shù)量，主要補(bǔ)償配電線路的無功功率，以提高配電網(wǎng)功率因數(shù)，達(dá)到降損升壓的目的。適用于功率因數(shù)較低，公共變壓器較多，負(fù)荷較重的長配電線路，具有較高的補(bǔ)償效果，但由于安裝的電容器的數(shù)量多增加了成本，而且難以維護(hù)和管理，并且容易受到環(huán)境以及空間等客觀條件限制適應(yīng)能力差，不利于普及推廣。在配電電壓器和電動(dòng)機(jī)之間并聯(lián)電容器，這種方式不需要對(duì)補(bǔ)償容量進(jìn)行頻繁的調(diào)整，主要補(bǔ)償配電的空載和漏磁無功功率以及電動(dòng)機(jī)的無功功率，這種方式具有成本低、安裝簡單、容易維護(hù)以及事故率低等優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)配電接近空載時(shí)容易造成補(bǔ)償過盛，而且當(dāng)配電非全相運(yùn)行時(shí)，容易產(chǎn)生鐵磁諧振。對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，從而有效地調(diào)節(jié)電壓偏差以及改變電網(wǎng)負(fù)荷的功率因素。對(duì)于多臺(tái)單項(xiàng)設(shè)備或者三相電壓的不平衡的線路還需要安裝分相無功功率補(bǔ)償設(shè)備。盡量使三相負(fù)荷保持平衡，如果三相負(fù)荷分布不均勻就會(huì)影響電壓的平衡，從而促使電壓的偏移增加甚至還會(huì)影響到供配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。改變供配電系統(tǒng)的運(yùn)行方式，將單回路供電改為雙回路供電可以有效地調(diào)整電壓偏差。

3 電壓波動(dòng)

電壓波動(dòng)的產(chǎn)生是由于用戶端波動(dòng)性負(fù)荷造成電網(wǎng)電壓發(fā)生變動(dòng)，電壓波動(dòng)的程度是由用電波動(dòng)頻率以幅度來決定的。當(dāng)用戶端波動(dòng)性負(fù)荷在系統(tǒng)阻抗上將引起電壓波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的阻抗就會(huì)增大，從而增加電網(wǎng)電壓的損耗使供配電系統(tǒng)的電壓出現(xiàn)異常并最終影響電能質(zhì)量。另外電壓波動(dòng)還能夠影響到電動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)，對(duì)同步電動(dòng)機(jī)可能引起轉(zhuǎn)子震動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可以使一些電子設(shè)備無法正常運(yùn)行，還可以使照明設(shè)備發(fā)生明顯的閃爍現(xiàn)象，而且當(dāng)電壓波動(dòng)的頻率達(dá)到5Hz～12Hz時(shí)照明設(shè)備的閃爍將更加嚴(yán)重。

電壓波動(dòng)的有效抑制措施包括：采用合理的接線方式，對(duì)負(fù)荷變化劇烈的大型設(shè)備使用專用線路或者專用的變壓器進(jìn)行專向供電；在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，還可以在電壓出現(xiàn)嚴(yán)重波動(dòng)時(shí)，減小甚至切斷引起電壓強(qiáng)烈波動(dòng)的負(fù)荷；一些大型電弧爐或者中頻、高頻的加熱設(shè)備利用專用的變壓器進(jìn)行單獨(dú)供電；對(duì)于大型沖擊性負(fù)荷可以配備能夠吸收沖擊無功功率的靜止無功補(bǔ)償裝置，這種靜止無功補(bǔ)償裝置是由特殊的電抗器以及電容器組成，用并聯(lián)方式連接的無功功率發(fā)生器和吸收器。

4 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電壓降

電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)的過程中會(huì)引起電壓降，因此也會(huì)對(duì)定能質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，因此必須對(duì)其進(jìn)行科學(xué)、有效的管理，合理選擇電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式包括全壓啟動(dòng)和降壓啟動(dòng)兩種，當(dāng)設(shè)備能夠承受電動(dòng)機(jī)全壓啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的沖擊轉(zhuǎn)矩時(shí)才可以選擇這種方式。由于全壓啟動(dòng)會(huì)造成配電線路上強(qiáng)烈的電壓降，而且啟動(dòng)電流也很大，容易對(duì)設(shè)備造成損傷，但是全壓啟動(dòng)具有安全、經(jīng)濟(jì)、可靠以及啟動(dòng)簡單等優(yōu)點(diǎn)；降壓啟動(dòng)是利用星三角啟動(dòng)器或者自耦變啟動(dòng)器進(jìn)行啟動(dòng)。星三角啟動(dòng)器可以通過手動(dòng)或者自動(dòng)的方式來控制降壓啟動(dòng)，它的操作非常簡單，采用這種方式時(shí)電流的性能穩(wěn)定，但是轉(zhuǎn)矩特性較差，所以只適用于無載或者輕載起動(dòng)的場合。自耦變啟動(dòng)器又稱補(bǔ)償器，通常在額定電壓為220/380的三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用，利用自耦變啟動(dòng)器進(jìn)行降壓啟動(dòng)，不僅能夠滿足各種負(fù)載的啟動(dòng)需求，而且還能夠獲得比星三角啟動(dòng)時(shí)更穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，而且自耦變啟動(dòng)器還附有熱繼電器和失電壓脫扣器，能夠完善過載和失電壓保護(hù)等功能所以適用范圍更廣。

5 高次諧波

高次諧波的產(chǎn)生是由于設(shè)備能夠向電網(wǎng)輸送50Hz以上頻率電流并且直接與電力系統(tǒng)相連接，也成為諧波源。伴隨著大量非線性負(fù)荷的增加以及硅整流設(shè)備的普及應(yīng)用，導(dǎo)致了越來越多的高次諧波流向電網(wǎng)，而大量的諧波造成的危害包括：使電機(jī)以及變電器降低容量，超負(fù)荷運(yùn)行溫度急速升高增加損耗；降低電力電纜的容量，電力電容器超負(fù)荷運(yùn)行甚至直接損壞；改變繼電器的性能，無法做出正確操作；使晶閘管整流裝置不能正常工作；嚴(yán)重影響了電壓的穩(wěn)定從而致使電能質(zhì)量的下降。這樣一來會(huì)對(duì)供配電系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損傷。所以必須要加強(qiáng)對(duì)諧波的管理措施，以提高供配電系統(tǒng)電能的質(zhì)量。

加強(qiáng)對(duì)高次諧波的管理包括：在換流設(shè)備上增加換流變壓器；在諧波源附近加裝高速濾波支路，起到分流諧波電流的作用；在用戶端安裝串聯(lián)電抗器限制諧波電流對(duì)用戶電器的影響。

6 結(jié)論

供配電系統(tǒng)在進(jìn)行點(diǎn)亮傳輸?shù)倪^程中，會(huì)生產(chǎn)各種形式的電能損耗，這對(duì)于人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)都是非常不利的，為了使供配電系統(tǒng)在安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行，就必須采取科學(xué)有效的技術(shù)提高供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量，更好地滿足生產(chǎn)和生活的需求。

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