魯陽煤電電能質量分析及治理研究

喬曉幫

摘 要：電能質量的好壞直接關系到煤礦企業的安全生產和發展，在煤礦電網電力管理中的地位越來越重要。為了保證煤礦電網的電能質量，必須對電能質量進行精確分析和評估。基于此，本文首先探討魯陽煤電電能質量現狀，然后提出其煤電電能質量治理方案，以期為其他煤礦電能質量的提升提供借鑒。

關鍵詞：電能質量；諧波；動態無功補償

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）20-0094-03

Study and Application of the Quality Analysis and Study of

Coal and Electric Energy in Luyang

QIAO Xiaobang

（College of Electrical Engineering and Automation ， Henan University of Science and Technology，Jiaozuo Henan 454000）

Abstract： The quality of electric power is directly related to the safety production and development of coal mine enterprises， and plays an increasingly important role in the power management of coal mine power grid. In order to ensure the power quality of the coal mine power grid， the power quality must be accurately analyzed and evaluated. Based on this， this paper first discussed the status of coal-fired power quality in Luyang， and then put forward its coal-fired power quality control program， in order to provide reference for other coal mines to improve the power quality.

Keywords： power quality；harmonic；dynamic reactive power compensation

1 研究背景

近年來，隨著煤礦裝備技術水平不斷提高，尤其是計算機、控制技術、變頻技術和監測監控等技術的應用，煤礦電網對電能質量的要求越來越高。但目前，煤礦電網電能質量超標，大范圍污染供電環境，電能質量下降，嚴重影響煤礦電力電網的安全運行，如造成供電變壓器產生附加損耗，溫升增加，出力下降，影響絕緣壽命；造成旋轉電機產生附加損耗，產生機械振動噪聲和諧波過電壓；造成并聯電容器因過電流及過電壓而損壞；造成變流裝置損壞；造成繼電保護或電網自動裝置誤動、拒動；造成絞車電控失效等[1-5]。因此，電能質量的好壞直接關系到煤礦企業安全生產和節能降耗，在煤礦電網電力管理中具有越來越重要的地位。為了保證煤礦電網的電能質量，必須對電能質量進行精確分析和評估，并進行針對性治理，這對煤礦生產、安全和經濟效益方面具有重要意義。

目前，國內在電能質量控制方面的研究大多局限于諧波問題，已提出和開發了部分改善和提高電能質量的補償裝置，包括各種有源電力濾波器（APF）、動態無功補償裝置等，還有基于單片機或工控機的監測裝置[6-9]。本文主要對對魯陽煤電魯101電能質量狀況進行分析，并提出治理方案。

2 魯陽煤電電能質量測試

2.1 測試目的

對魯陽煤電魯101電能質量狀況進行測試，獲取電能質量數據，以判斷魯陽煤電魯101的電能質量指標是否符合國家標準[10]。

2.2 測試時間及環境

于2018年5月采用普測、針對性測試等手段對魯陽煤電供電系統的公共連接點及出線進行測試。環境溫度為常溫。

2.3 測試儀器

用到的測試儀器為HIOKI 3198 電能質量測試儀。

2.4 依據標準

我國先后頒布了一系列關于電能質量的國家標準，對頻率、電壓波動和閃變、供電電壓允許偏差和三相電壓允許不平衡度等進行規定，各項標準如下：《電能質量 供電電壓偏差》（GB/T 12325—2008）、《電能質量 電壓波動和閃變》（GB/T 12326—2008）、《電能質量 三相電壓允許不平衡度》（GB/T 15543—2008）、《電能質量 電力系統頻率偏差》（GB/T 15945—2008）和《電能質量 公用電網諧波》（GB/T 14549—1993）。

另外，系統中無功功率及功率因數的大小對供電電壓偏差、供電損耗等也有較大影響，原國家能源部及國網公司等也先后頒布了相關標準和規范，例如：《國家電網公司電力系統無功補償配置技術原則》（國家電網科〔2008〕1282號）、《電力系統無功補償配置技術原則》（Q/GDW 212—2008）和《電力系統電壓和無功電力技術導則》（SD 325—1989）。

2.5 測量方法

測試項目的主要測試方法和步驟如下。

①確定電能質量測試內容[11]。測試內容包括電壓不平衡度（Uunb）、電壓總諧波畸變率（UTHD）、各次電流諧波Ih、電壓短時閃變（Pst）、電壓長時閃變（Plt）和電壓波動等。

②確定電能質量測試點[12]。

③測試儀器選擇[13-16]。本次測試采用HIOKI3198電能質量測試儀器。HIOKI3198用于24h在線連續監測及短期現場查看具體電能質量情況。測試時采用連續記錄與超標事件記錄兩種方式，連續記錄時間間隔為3s，事件記錄采用閾值觸發方式。

④測試數據處理。電能質量數據處理算法依據國家標準進行，由于數據量較大，采用電子表格統計方法進行。

3 電能質量現狀分析

3.1 電壓偏差現狀

根據測試結果可知，魯陽煤電魯101線路A、B、C三相供電電壓上偏差均未超過規定限值7%的要求，符合國家標準。但值得注意的是，其電壓偏差盡管沒有達到國標限值，但與限值很接近，A、B、C三相的電壓上偏分別達到6.88%、6.90%和6.83%。

3.2 電壓閃變現狀

根據測試結果可知，魯陽煤電魯101線路A、B、C三相的長時間電壓閃變95%概率值分別為2.67、1.89和1.26，超過國標限值1.00的要求[17]。

3.3 三相電壓允許不平衡度現狀

根據測試結果可知，魯陽煤電供電系統測試點的三相電壓允許不平衡度符合國家標準要求的限值。

3.4 諧波電壓現狀

魯陽煤電魯101線路A、B、C三相電壓總諧波畸變率的95%概率值均未超過國標允許值4%，滿足國標限值要求。

3.5 諧波電流現狀

魯陽煤電魯101線路A、B、C三相各次諧波電流95%概率值均未超過該回路折算國標允許值上限，符合國家標準。

3.6 功率及功率因數現狀

在變電站正常運行方式下，魯陽煤電的功率及功率因數測試情況如表1所示。

從表1可以看出：魯陽煤電魯101線路功率因數最小值為-0.99，平均值為0.74；最大值為0.99，說明其無功負荷變化較大。目前，固定式的分組投切電容器遠無法滿足工況的要求，系統中存在嚴重的無功倒送現象。國家電網公司2008版《國家電網公司電力系統無功補償配置技術原則》第二十一條規定：“35kV～110kV變電站的容性無功補償裝置以補償變壓器無功損耗為主，并適當兼顧負荷側的無功補償。滿足35kV～110kV主變壓器最大負荷時，其高壓側功率因數不低于0.95。”因此，魯陽煤電的功率因數不符合要求。

綜上所述，根據魯陽煤電電網電能質量測試結果可知，其電能質量現狀表現為功率因數、閃變不滿足要求，這主要是因為公司無功補償裝置為電容器分組投切，無法自動快速跟蹤負荷無功的變化。

4 魯陽煤電電能質量治理方案設計

4.1 治理方案概述

對于測試中發現的功率因數低、無功倒送及閃變等問題，建議用SVG進行治理，因為SVG可以采用橋式交流電路的多重化技術、多電平技術或PWM技術來進行處理，以使諧波減小到可以接受的程度，而SVG本身會產生一定量的諧波，還需要裝設專門的濾波裝置。

4.2 補償容量計算

由于魯陽煤電無功功率為0.79MVar，抑制諧波所需容量為113.62kVar，測試時系統總共投入無功功率為0.98MVar，參考無功功率變化，考慮負荷調整和一定的裕量的情況下，無功容量選擇2MVar。

綜合以上建議，魯陽10kV Ⅰ段和Ⅱ段母線各配置一套SVG裝置，具體型號為KPSVG –C2.0/10。

4.3 魯陽煤電主變壓器減容方案

依據前述測試結果可知，魯陽煤電的有功功率最大值為2.69MW，平均值為1.01MW。目前的主變是5MW，負載率較低，變壓器運行不經濟。同時，每月的變壓器基本電費較高。

因此，筆者建議，將主變容量調換成3.15MW，在SVG的配合下，變壓器基本只帶有功負荷，這樣完全可滿足系統的安全可靠運行，同時能提高變壓器負載率，使其處于經濟運行狀態。更為關鍵的是，每年可節省可觀的基本電費。

5 效益分析

5.1 線路及變壓器損耗節能分析

按照無功補償目標功率因數0.98及以上進行補償，全網的總網損會大大降低，經濟性大大提高。

從電能質量測試結果可以看出，魯陽煤電無功功率為0.79MVar，抑制諧波所需容量為113.62kVar，測試時系統總共投入無功功率0.98MVar，按照國家標準《三相異步電動機經濟運行》（GB/T 12497—2006）中規定的無功經濟當量計算供電線路和變壓器的節能，即按照0.6元/kW·h，則可節約電費49.51萬元。

5.2 力率調整節能分析

以魯陽煤電提供的2018年1月至2018年4月電費單為依據，根據電費力率表，可得到魯陽煤電2018年前4個月力率調整節約的電費，具體如表2所示。

通過計算可得，魯陽煤電2018年1月至2018年4月可節約力率調整電費合計117 111.35元，則一年可節約力率調整電費約為351 334元。

5.3 變壓器減容節能分析

目前，變壓器容量為5MW，單位基本電費為20元，若將變壓器減容為3.15MW，則僅此一項，每月可節約電費（5 000-3 150）×20=37 000，每年可節約基本電費為：444 000元。

6 結語

通過本方案的實施，魯陽101線路功率因數提高到了0.95以上，改善了電能質量，并且經濟效益顯著，每年可為魯陽煤電帶來的直接經濟效益約為129.04萬元。同時，在安全上，更是避免了因劣質電能帶來的供電設備和用電設備的不利影響，為SVG設備的推廣應用提供了數據和技術支持。

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