配電網電能質量敏感負荷分析

句符兵

(山西地方電力有限公司朔州分公司，山西 朔州 036000)

配電網電能質量敏感負荷分析

句符兵

(山西地方電力有限公司朔州分公司，山西 朔州 036000)

分析了當前配電網中的主要敏感負荷、負荷側電能質量可能受到影響的原因以及電弧爐這種典型的電能質量干擾源可能帶來的影響，認為電壓降低是影響這些負荷正常運行的重要原因。為了解決該問題，提出了在負荷側采用穩壓器或無功補償設備改進電壓質量的方案以及處理電壓波動問題的一些可行建議。

配電網；電能質量；敏感負荷

0 引言

在配電網中有大量的負荷對電能質量較為敏感，其突出表現為：在電能質量滿足要求時，能夠保證生產運行的可靠性、穩定性和精度；當電能質量下降時，輕則導致生產精度降低，生產出大量的次品或者報廢品，重則生產停頓，造成大量的浪費和破壞。對于這種電能質量敏感負荷，有必要進行專門的研究。

1 敏感負荷及影響因素

1.1 幾種敏感負荷

敏感負荷，可以理解為是對電能質量敏感的某些電氣元件或電氣設備。這些電氣元件往往對于生產運行有著至關重要的作用，如控制核心設備的工作，保證產品的質量與性能，在計算機及電子設備越來越多地應用于生產領域的今天，電能質量敏感負荷在電能質量出現問題時，對于生產的影響越來越大。

在當前的配電網中，典型的敏感負荷有：(1) 接觸器控制的負荷；(2) 感應電動機；(3) 變頻調速驅動的負荷；(4) 可編程控制器(PLC)控制的負荷；(5) 計算機控制的負荷。

以上幾種負荷對于不同的電能質量表現出的敏感性也不盡相同，對這些負荷產生影響的主要電能質量問題為電壓偏差，特別是電壓驟升和驟降。

1.2 典型的干擾源

在單位所轄配電網范圍內，大功率交流電弧爐是典型的電能質量干擾源，廣泛應用于冶金行業，如錳鋼冶煉等，其冶煉通過電極放電實現。放電過程中負荷的不停變化導致電弧爐冶煉過程中負荷電流的隨機變化，其特點為具有很強的非線性和啟停過程中的強大沖擊性。非線性負荷導致了電流富含諧波以及電壓畸變，沖擊性導致電壓在負荷投入退出時瞬間升高或降低。電流的隨機變化還可能導致三相不平衡以及無功功率，并使線路中電流增大，線損增大，從而進一步導致電壓的不平衡和波動。電壓持續波動是閃變這一目前最難以解決的電能質量問題產生的起源。

假如干擾源附近沒有對應的補償設備和措施，交流電弧爐帶來的電能質量問題會通過配電網傳導至其他電力用戶，主要是電氣距離較近的用戶，可能導致電壓敏感設備的非正常運行，如上邊提到的過程控制、可編程邏輯控制、變頻調速設備等。靜止無功補償器當前被大量用于交流電弧爐的電壓補償，可以在一定程度上解決電弧爐導致的電壓質量問題，還能提高電弧爐的使用效率，有效縮短冶煉時間。

2 敏感負荷受影響分析

下面分別對幾種敏感負荷及其可能受到的影響進行分析。

(1) 接觸器是當前工業中廣泛采用的控制器件。對由接觸器控制的負荷而言，會對電壓驟降表現得尤為敏感，并且與下降幅度及持續時間都有關系。而是否會產生影響，還取決于電壓驟降發生時刻的相位。如電壓在0°相位時發生驟降，由于接觸器線圈內存儲的能量為最大，則躲過影響的可能性就較高；相應地，電壓驟降發生在90°相位時，躲過的可能性就較低。一般來說，電壓幅值下降到0.6Un以下，且持續時間超過20 ms(即一個周波)時，接觸器發生脫扣的可能性很大。

(2) 感應電動機是工業應用中最主要的負荷形式，生產中有大量的轉矩負荷由感應電動機驅動。感應電動機受電壓降低的影響很大，持續時間的長短則會決定造成影響的程度。由于感應電動機的轉矩T正比于電壓U的平方，因此電壓降低的程度越大，造成的影響也就越來越大。當電壓下降較少時，電機尚能維持運行，但有可能導致運轉速度不平穩。當電壓下降到一定程度時電機將停止運轉，從而導致生產的停止，這對于流水線生產的影響是破壞性的，因為電機停止運轉的同時，可能其他環節還在繼續生產，于是部分環節的停止就破壞了生產秩序。此外，短時間停止后，即使電壓恢復，也需要較大的啟動電流才能啟動，這時電機轉矩將出現短時間的波動，可能對負荷產生不利影響，甚至造成設備的機械損壞。

(3) 變頻調速驅動的負荷主要是利用電力電子設備的通斷性能來進行驅動和控制。變頻器電路一般由整流、逆變、中間環節和控制等部分組成，電壓降低或升高將導致整流出的直流電壓發生變化，會導致被控制設備的轉速、轉矩或功率變化，導致變頻器性能降低，更有可能造成設備過熱損壞。對于電力電子設備而言，發熱是嚴重威脅，為解決這一問題，電力電子設備普遍配置了過電壓、失壓、過熱等保護功能。但這些保護功能的動作，卻會導致被控制設備運行的停止，給正常生產帶來不利影響。

(4) PLC和計算機控制的負荷具有一定的共同點，二者都是由電子器件組成，一般包括電源、CPU、I/O模塊(輸入/輸出模塊)。當電源發生變化，特別是電壓降低時，將導致CPU的邏輯判斷出錯，影響I/O輸出的正確性，從而影響整個控制過程。由于PLC和計算機控制往往具有連續性和較強的邏輯性，一旦某一個環節或某一個步驟出現錯誤，將導致后續控制功能的持續錯誤，從而造成一連串影響。這類控制負荷的突出特點表現為：短時間的、甚至不易檢測出的電能質量問題，卻可能在生產結果中得到體現。可以認為，PLC和計算機控制的生產系統，是檢驗電能質量水平的指示器。但由于電能質量問題的發生具有很強的偶然性，如果沒有適當的檢測設備，即使發生了問題，也往往難以發現和證明是電能質量問題導致的，這是此類問題難以得到有效解決的重要原因。

3 問題的解決方法

如前分析，對以上幾類負荷產生影響的電能質量問題主要為電壓降低，非常短時間的電壓降低都會產生嚴重的后果。因此，解決此類問題需要有效的電壓穩定手段。

引起電壓波動的原因一般是負荷的急速變動。電焊機、軋鋼機、電弧爐都是典型的沖擊性負荷，在運行中會導致配電網的電壓波動。這類負荷導致的電壓波動，不但會引起電壓的持續降低或升高，還可能導致電機無法啟動、電機轉子振動、燈光閃爍等現象。

解決電壓偏差問題的常規辦法是進行電壓調節，當前采用的主要方法是調節變壓器分接頭。但當前10 kV變壓器普遍采用無載調壓變壓器，調節電壓需要對設備進行停電，因此無法做到自動調節，只能依據負荷變動情況按季節進行。在負荷側裝設穩壓裝置是有效的解決手段。穩壓器的特點是調節電壓升高或降低，保證電壓維持在一定范圍內，保障電壓的持續性。無功補償器對于沖擊性負荷、短時較大負荷的穩壓作用較為明顯，這是由于就地補償了負荷消耗的無功，避免了負荷范圍內電壓的短時降低；其缺點是不能改善電壓過高的問題，而且會使電壓高的問題更為嚴重。

對于引起電壓波動問題的負荷的處理，也是解決此類問題的重要手段。可采取的措施有：

(1) 妥善安置負荷劇烈變動的大型電氣設備，可以采用專線或專門變壓器供電。這類負荷包括大型機床、沖擊性設備等。

(2) 增加供電容量。這可以在很大程度上改善配電網受到沖擊性負荷時電壓下降的程度。但由于沖擊性負荷的不連續性，增加供電容量會相應導致供電損耗的增加。

(3) 提高系統的短路容量。這一方法可以很好地削弱沖擊性負荷的影響，但也相應提高了發生短路故障時的短路電流，需引起注意。

(4) 必要時切除負荷。當電壓波動嚴重時，可以通過切除沖擊性負荷的方式，保證受影響用戶的電能供應。考慮到當前的供電服務問題，需要事先與沖擊性負荷所屬單位協商。

4 結語

本文分析了當前配電網中的主要敏感負荷，負荷側電能質量可能受到影響的原因。分析指出，電壓降低是影響這些負荷正常運行的重要原因。鑒于電壓降低也是當前配電網最重要和普遍的電能質量問題之一，提出了在負荷側采用穩壓器或無功補償設備改進電壓質量的方案。

[1] 許樹楷，宋強，劉文華，等.配電系統大功率交流電弧爐電能質量問題及方案治理研究[J].中國電機工程學報，2007(19)：93～98

[2] 田豐，李碧輝.當代配電網電能質量的監測、分析及改善[J].中國電力教育，2008(S1)：89～91

2014-07-02

句符兵(1979—)，男，山西朔州人，助理工程師，從事電力生產運行工作。