造紙企業中典型電能質量擾動的危害及其監測與治理措施

劉嫣 湯偉

摘要：造紙企業的發展離不開優質電能的供應。本文就影響企業生產安全的典型電能質量擾動特征，造紙生產主要用電設備與典型電能質量擾動之間的關系，以及面向造紙企業的電能質量監測和治理措施等問題進行分析和研究，旨在推動造紙企業對電能質量問題的認識和重視，并助力造紙企業電力供應的綠色發展。

關鍵詞：造紙;電能質量擾動;電能質量監測;電能質量治理

中圖分類號：TS7; TM6

文獻標識碼：A

DOI： 10. 11980/j.issn.0254-508X.2019. 12.012

造紙行業是一個與國民經濟和社會發展關系密切并具有可持續發展特點的重要基礎原材料行業，該行業具有生產連續性強和能耗高的特點[1]。據中國造紙協會調查資料顯示，2018年我國紙和紙板人均消費量為75 kg（13. 95億人），遠低于發達國家的平均水平，行業發展前景廣闊。然而，隨著先進制造技術和節能減排技術在造紙企業中的不斷轉型升級[2-4]，使得企業用電設備的非線性化程度日益提高，電氣設備的敏感性不斷增強，由此引發了企業配電網中的電能質量“被污染”和“污染”問題[5]，繼而影響生產過程，甚至會造成生產事故。

本文針對造紙企業中出現的典型電能質量擾動問題展開分析和研究，旨在助力造紙行業電力供應的綠色發展。

1典型電能質量擾動特征

電能質量是指表征母線中電壓電流幅值和頻率為額定值且波形近似于正弦波的品質[6]。衡量電能質量品質的指標較多，其中對電力用戶安全生產影響較大的典型擾動特征包括以下幾方面。

（1）電壓偏差。電壓偏差△U是指實際運行電壓Ure對系統標稱電壓UN的偏差相對值，以百分數表示，具體計算見式（1）。

△U=Ure-UN/UN ×100%

（1）

用戶允許的電壓偏差應符合標準《電能質量供電電壓偏差》 （GB/T 12325-2008）。

（2）諧波。諧波通常由電力用戶中的非線性負荷產生，其頻率為電網基波頻率的整數倍。諧波電壓和電流可用傅里葉級數展開，具體計算見式（2）。 u（t）=M∑h=2√2Uhsin（2πhft+αh）

（2） i（t）=M∑h=2√2Ihsin（2 πhft+βh）

式中，Uh、Ih為第h次諧波電壓、電流的均方根值，αh、βh為第h次諧波電壓、電流的初始相角。標準《電能質量公共電網諧波》（GBIT 14549-1993）規定了不同等級電壓下諧波的發射限值和畸變率。

（3）電壓波動。電壓波動d為電壓均方根值曲線上相鄰兩個極限電壓之差與其標稱電壓UN之比的百分數，表示為式（3）。

d=Umax - Umin/UN × 100%（3）

標準《電能質量電壓波動與閃變》（GBIT 12326-2008）規定了不同等級電壓下的極值。

（4）三相不平衡度。三相不平衡度￡U為負序分量均方根值U_與正序分量均方根植U+的比值，以百分數表示，見式（4）。 ￡U=U+/U- ×100%

（4） 用戶允許的三相不平衡度應符合《電能質量三相電壓不平衡》標準（ GBIT 15543-2008）。

（5）電壓暫降。電壓暫降是指在工頻條件下某點電壓均方根值跌落至0.01～0.9 pu，并在短暫持續時間0.5 T—1 min后恢復正常的現象。其中，T為擾動持續周波（當T頻為50 Hz時，T為0.02 s）。常見的電壓暫降有三相、兩相和單相暫降。據統計，因配電網故障而引起的電力用戶投訴中，電壓暫降占到70%～80%，其他各類擾動總和占到20%～30%。

2主要用電設備與電能質量擾動的相互影響關系

由造紙生產工藝和自動化生產裝備可知[7]，造紙企業的主要用電設備分為兩大類：諧波源和敏感負荷。

2.1諧波源

諧波源用電設備通常包括：①磁芯設備（變壓器、電動機和發電機等）;②氣體放電設備（電弧爐、弧焊機和高壓放電管等）;③電子電力設備（整流器、變頻器、開關電源和UPS等）。

造紙企業的諧波源以磁芯設備和電子電力設備為主。由諧波傳遞特性等效電路可知[8]，諧波源產生的諧波電流注入配電系統，引起諧波電壓，諧波電壓進而施加在同級或上一等級母線下的其他用電設備上，繼而造成對用電設備和供配電系統的危害[9-10]，具體危害如表1所示。

電子電力設備的誤動作、額外容量和損耗的產生、生產設備提前老化等問題，將影響正常生產并導致企業承擔額外的費用。

2.2敏感負荷

敏感負荷是指電壓發生變動或突變情況下不能正常工作或功能下降的用電設備。電壓暫降是發生頻次最高的一種電壓變動現象，其成因是由電網、變電設施的故障或負荷突然出現所引起。工業中常用的敏感負荷受電壓暫降的影響程度各不相同，如圖1所示。圖1中開關電源的電壓耐受能力最強，傳感器的電壓耐受能力最差，而當電壓暫降跌落至額定電壓55%以下時，絕大多數敏感負荷失去抗電壓能力，出現故障或跳閘現象，從而引發生產中斷。

造紙企業中的主要敏感負荷及其受電壓暫降的危害表現在以下幾方面。（1）開關電源類負荷

開關電源類負荷的典型代表有PLC和計算機，它們在造紙生產現場起到控制生產工藝、信號處理、通信等多種作用。這類負荷受電壓暫降影響時，干擾會通過開關電源耦合到其內部的CPU、I/O等模塊[11]。當電壓低于65%、立刻或是持續幾個周波時，CPU就會停止工作。而當電壓低于90%、持續幾個周波時，一些I/O設備就會被切除。一旦這類負荷出現無預期停止運行或輸出錯誤指令，將會對其所在的操作和控制系統造成巨大影響，引起生產工藝紊亂、相關控制設備誤操作、產品報廢甚至是安全問題。

（2）電磁線圈類負荷

電磁線圈類負荷是指運用電磁感應原理實現其功能的負荷。典型代表有交流接觸器和繼電器，它們用來接通或分斷帶負載的交流主電路或大容量控制電路。如電動機的啟動與控制、正反轉運行、Y-△降壓啟動等。當電壓低于60%、持續時間超過幾個周波時，接觸器線圈釋放電壓，造成接觸器欠壓脫扣[12]。使電動機從電網斷開，引發生產中斷。而當電壓暫降恢復時，部分大功率電機脫網后的重新啟動又非常繁瑣，造成生產恢復時間長，經濟受損嚴重。

（3）電子電力類負荷

電子電力類負荷的典型代表有變頻器和伺服驅動器。隨著造紙行業節能降耗工作的深入推進，變頻器在造紙企業中應用廣泛。分析變頻器拓撲結構可知[13]，為了避免不正常工作或過載，變頻器通常會安裝直流母線低電壓保護電路。當遇到淺幅電壓暫降時，僅會引起電動機轉速降低，而當電壓低于75%時，保護電路動作，變頻器低壓跳閘，從而導致電機停機，特別是關鍵生產環節電機變頻器低壓跳閘造成的非計劃停機，給企業造成很大的經濟損失。

今后隨著造紙企業的不斷升級轉型，敏感負荷的范圍將會繼續擴大，還會包含各種智能化設備等[14]。如智能流漿箱、智能液壓控制、在線水分監測、智能毛布管理、智能張力控制、智能卷紙系統、智能排刀控制系統等。這類設備或系統的核心芯片對深度電壓暫降十分敏感，若發生深度電壓暫降，則會導致電路主板故障，無法實現智能生產。

3面向造紙企業的電能質量監測措施

為減少電能質量擾動對造紙生產過程和生產設備造成的影響，需要對其進行治理，而電能質量監測是實現治理的前提。

電能質量監測是指采用符合規范的測試儀器對電網中所關心節點的電能質量指標進行測量，監測方式一般包括3種[15]：①定期巡檢，主要適用于不需要或不具備在線監測條件的場合;②專項監測，主要用于負荷容量變化大或有干擾源的場合;③在線監測，主要用于公共配電點（PCC）、有事件型電能質量問題或需要在線實時監測的場合。

為適應不同場合的監測需要，測試儀器一般可分為便攜式和在線監測[15]，各自優缺點如表2所示。

考慮到造紙企業內大型諧波源和敏感負荷量大、面廣且現場工況復雜，電能質量監測的拓撲結構可采用三級監測措施，三級監測拓撲結構如圖2所示。這種結構可以更好地分析諧波在企業電網內部的傳播關系、統計外網或內網電壓暫降的發生頻次及其對敏感負荷造成的影響，以及有利于企業各部門更及時地了解故障原因和預診設備健康狀態。

圖2中不同監測點下的監測方式和測試設備包括：①一級監測點，主要針對PCC公共接線端或企業進線端，可實現電壓暫降、瞬態事件、閃變和高至63次諧波的采集與分析，可選在線監測方式及在線監測儀器。②二級監測點，主要針對車間變壓器、主開關設備和主配電柜，可實現電壓暫降、瞬態事件和高至40次諧波的采集與分析，可選在線監測方式及在線監測儀器。③三級監測點，主要針對重要生產用電設備或敏感負荷等，可實現每相的諧波測量和能源計量，可選專項監測方式及便攜式測量儀器。若某些生產設備或敏感負荷需要重點監測，也可選擇在線監測方式及在線監測儀器。

4面向造紙企業的電能質量治理措施

電能質量治理是解決電能質量問題，提高用電質量的重要途徑，也是節能降耗的主要手段之一[16]。由第2節分析結果可知，造紙企業主要治理的對象是諧波和電壓暫降。

4.1諧波的抑制和治理

企業在實施諧波抑制和治理時應綜合考慮電氣設備本身的抗干擾能力、是否超過標準限值要求、是否對用電設備安全穩定運行產生影響、是否造成額外電能損耗等因素。若不可忽略時，應根據配電網和負荷的特點以及負荷的諧波特性制定科學的治理策略和治理方案[17-18]。諧波不同治理策略下的常用方案及其裝置如表3所示。

目前，造紙企業為滿足電力公司的要求及考慮自身的治理成本，通常采取在低壓母線處并聯電容器的方式。該方式可有效進行無功補償，提高功率因數。然而，就從源頭處消除諧波而言，就地治理方式（諧波源處安裝濾波裝置或無功補償裝置）治理效果最佳，不僅能夠滿足電力公司的要求，還能保證企業內部的用電質量，從而獲得最大的節能效益。

因此，造紙企業可根據自身規模和治理成本，選擇如圖3所示的治理措施。若企業規模較小時，只需在較大功率諧波源處就近安裝濾波器，小功率諧波源暫不治理，再根據治理效果決定是否在低壓母線處實施集中治理;若造紙企業規模較大、企業內部有變電站時，除就地治理、低壓母線處治理外，還應考慮高壓母線處治理。

4.2電壓暫降治理

電壓暫降的成因較多且具有不可預防的特性，故電壓暫降治理主要著眼于降低發生頻次和控制其后果嚴重度，通過電壓暫降治理技術和設備可有效降低或緩解生產過程中斷以及生產設備損壞的危害[19]。目前，常用的治理設備有以下兩種。

（1）不間斷電源（UPS）

UPS是一種含有儲能元件（一般為蓄電池）并以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻不間斷電源。當電壓暫降發生時，UPS儲能元件中的電能會立即經逆變器轉化為交流電，提供給負荷，保證其正常工作。

（2）動態電壓補償器（DVR）

DVR是一種不需要儲能元件的串聯補償裝置[19]，它從電網中吸取所需的額外能量補償跌落的電壓。當電壓暫降發生時，DVR檢測電路檢測到變化的電壓后，經控制策略產生控制信號對逆變器進行控制，再經串接變壓器向饋電線注入幅值、相角可調的電壓，以保證負荷側的電壓穩定。整個響應時間極短，僅為數毫秒，滿足動態補償的要求。

兩種設備的綜合對比結果如表4所示。由表4可知，DVR是一種能夠替代UPS的先進補償裝置，更適合保護現代化的生產線。但因造紙企業負荷容量較大，特別是大型造紙企業負荷容量可達20萬kVA以上，利用DVR對全廠敏感設備進行整體保護時，需根據經濟損失評估模型，計算投資成本和回報率[20]。若投資成本高、回報率低時，可選擇如圖4所示的就地治理措施，有效降低治理成本。圖4（a）中，DVR安裝在車間變壓器輸出端，即只保護車間中的全部敏感負荷;圖4（b）中，DVR就近安裝在重要敏感生產負荷旁，即只對自動化系統及控制回路或對恢復時間長的工位優先治理。如將DVR串聯安裝在DCS、QCS及全廠計算中心旁或安裝在服務器及系統同電源之間，防止系統因電壓干擾造成計算機與服務器故障、數據丟失，提高計算機系統的安全可靠性。

5總結與展望

本文針對電能質量擾動問題，分析了造紙企業主要用電設備與典型電能質量擾動的相互影響關系，研究并提出了面向造紙企業的電能質量監測與治理措施。然而，此項T作在造紙企業中開展還存在如下問題。

（1）從意識層面而言，對比我國的汽車、鋼鐵、化工等行業，造紙企業缺乏對優質電能的追求，還停留在對自身用電總量的關注階段。

（2）從經濟層面而言，缺乏對生產過程和生產設備受電能質量擾動影響的經濟受損指標統計和分析，無法綜合優化監測和治理方案。

（3）從技術層面而言，缺乏一種融合電能質量監測、企業能源管理、設備狀態監測三位一體的監測、計量和診斷系統。

隨著我國新一輪電力體制變革的深入推進，電能作為一種商品的觀念正逐步普及，用戶已成為電力市場的核心主體。而“誰的問題誰負責”的電力市場運行機制必然推動用電大戶積極主動地關注自身用電質量并開展電能質量監督與管理等相關工作。與此同時，“中國制造2025”戰略的實施也將必然帶動造紙企業生產方式和關鍵技術的重大變革。機器人、物聯網、大數據、云平臺等新技術的應用，迫切需要與之配套的優質電能，迫切需要企業加強對自身電能質量的監測和治理。為此，這些變革必將為造紙企業主動解決電能質量問題帶來新契機。

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（責任編輯：董風霞）