火力發(fā)電廠電壓波動分析

李養(yǎng)俊，何子春，張 強，賀室衡

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

火力發(fā)電企業(yè)相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員基于廠內(nèi)電能質(zhì)量指標(biāo)較優(yōu)，而簡單地判定火電電能質(zhì)量指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致較長一段時間內(nèi)部沒有重視電能質(zhì)量定期測試工作。隨著各大火力發(fā)電企業(yè)對技術(shù)監(jiān)督工作的重視程度增加，火力發(fā)電廠電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督工作的順利開展更是有效促進了電能質(zhì)量專項測試工作的廣泛開展，通過對火力發(fā)電企業(yè)關(guān)鍵監(jiān)測點的電能質(zhì)量專項測試分析也得出了一些初步結(jié)論及建議。

DL/T 1053—2017《電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》于2017-08-01正式實施，將技術(shù)監(jiān)督的內(nèi)容先按電能質(zhì)量指標(biāo)相關(guān)的監(jiān)督對象進行分類(如發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)、電力用戶)，再在各監(jiān)督對象下按電力系統(tǒng)生產(chǎn)運行的各個階段進行分別闡述。但卻未對發(fā)電企業(yè)的電壓波動指標(biāo)監(jiān)督提出相應(yīng)規(guī)定，這在一定程度上忽視了火力發(fā)電廠的廠用母線電壓波動問題。

在對多個火力發(fā)電廠關(guān)鍵監(jiān)測點電壓波動指標(biāo)進行實時測量和數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，通過計算，分析得出高壓及中壓系統(tǒng)關(guān)鍵監(jiān)測點的三相電壓波動指標(biāo)數(shù)據(jù)，并把測試分析結(jié)果同相關(guān)國標(biāo)限值進行比對，最后給出了評估結(jié)論和合理化建議。

1 電壓波動問題的產(chǎn)生

火力發(fā)電廠低電壓等級(如：10 kV，6 kV)母線為大量起停頻繁的大容量電機供電。此外，還連接有通過投切電容電抗調(diào)節(jié)電壓的無功補償設(shè)備，其本身具有的易變性使負(fù)荷潮流也極易波動且有較大變化，加大了廠用電調(diào)節(jié)電壓難度。目前火力發(fā)電廠接入的大多為大容量電機，抗功率變動能力低，母線電壓波動甚至對廠用電的穩(wěn)定性有一定影響。

1.1 電壓波動基本概念

電壓波動是指電壓均方根值一系列的變動或連續(xù)的改變。它是由波動負(fù)荷(生產(chǎn)或運行過程中周期性或非周期性地從供電網(wǎng)中取用變動功率的負(fù)荷，如煉鋼電弧爐、軋機、電弧焊機等)引起的電壓快速變動。系統(tǒng)阻抗越大(或系統(tǒng)短路容量越小)，其所導(dǎo)致的電壓波動越大，這取決于供電系統(tǒng)的容量、供電電壓、用戶負(fù)荷位置和類型、大功率用電設(shè)備的啟動頻度等[3]。

1.2 電壓波動的計算

電壓變動d是指電壓均方根值曲線上相鄰兩個極值電壓(最大值Umax)與最小值(Umin)之差，以系統(tǒng)標(biāo)稱電壓(Un)的百分?jǐn)?shù)表示[4]，即：

式中：d為電壓變動，%；Umax為電壓均方根值曲線相鄰的最大值，V；Umin為電壓均方根值曲線相鄰的最小值，V；Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，V。

當(dāng)已知三相負(fù)荷的有功功率和無功功率的變化量分別為ΔPi和ΔQi時，電壓變動可用式(2)計算：

式中：d為電壓變動，%；RL為電網(wǎng)阻抗的電阻分量，Ω；XL為電網(wǎng)阻抗的電抗分量，Ω；ΔPi為三相負(fù)荷的有功功率變化量，kW；ΔQi為三相負(fù)荷的無功功率變化量，kVar；Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，kV。

在高壓電網(wǎng)中，一般XL≥RL，則：

式中：d為電壓變動，%；ΔQi為三相負(fù)荷的無功功率變化量，kVar；Ssc為考察點(一般為公共連接點)在正常較小方式下的短路容量，kVA(當(dāng)缺正常較小方式的短路容量時，設(shè)計所取的系統(tǒng)短路容量可以用投產(chǎn)時系統(tǒng)最大短路容量乘系數(shù)0.7進行計算)。

在無功功率的變化量為主要成分時(如大容量電動機啟動)，可采用式(4)和式(5)進行電壓變動粗略估算。

對于平衡的三相負(fù)荷：

以上式中：d為電壓變動，%；Ssc為考察點(一般為公共連接點)在正常較小方式下的短路容量，kVA；ΔSi為負(fù)荷容量的變化量，kVA；在式(4)中為三相負(fù)荷容量的變化量；在式(5)中為相間容量的變化量。

1.3 電壓波動的危害

電壓波動的危害表現(xiàn)在照明燈光閃爍引起人的視覺不適和疲勞，影響工效；電視畫面亮度變化，垂直和水平幅度振動；電動機轉(zhuǎn)速不均勻，影響電機壽命和產(chǎn)品質(zhì)量；影響對電壓波動較敏感的工藝或試驗結(jié)果。

對于廠用系統(tǒng)廣泛使用的感應(yīng)電動機，電壓波動會使其轉(zhuǎn)矩、滑差率、負(fù)荷電流都受到影響，造成轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或過負(fù)荷現(xiàn)象。嚴(yán)重情況下，當(dāng)電壓低于額定電壓10 %，電動機電磁轉(zhuǎn)矩約下降為額定轉(zhuǎn)矩的81 %，而且起動時間延長、電流增大，造成繞組線圈發(fā)熱、損耗增加、效率降低以及功率因數(shù)下降，影響電動機的壽命。對于用電磁起動器控制或裝有失壓保護的異步電動機，瞬時電壓降低會導(dǎo)致這些保護裝置動作，設(shè)備就要停止運轉(zhuǎn)，再起動則需消耗時間。

2 電壓波動的限值

電壓變動頻度r是指單位時間內(nèi)電壓變動的次數(shù)(電壓由大到小或由小到大各算一次變動)，一般以而次·min-1或次·s-1作為頻度的單位。不同方向的若干次變動，如間隔時間小于30ms，則算一次變動。

按照GB/T 12326—2008《電能質(zhì)量 電壓波動和閃變》的規(guī)定，任何一個波動負(fù)荷用戶在電力系統(tǒng)公共連接點產(chǎn)生的電壓變動，其限值和電壓變動頻度、電壓等級有關(guān)。

對電壓變動頻度較低(如r小于等于1 000次·h-1)或規(guī)則的周期性電壓波動，可通過測量電壓均方根值曲線U(t)確定其電壓變動頻度和電壓變動值。電壓波動限值見表1。

對于220 kV以上超高壓(EHV)系統(tǒng)的電壓波動限值可參照高壓(HV)系統(tǒng)執(zhí)行。

對表1數(shù)據(jù)進行歸納，可得出35 kV及以下電壓等級的允許電壓波動范圍為：d=1.25 %～4 %；35 kV以上電壓等級的允許電壓波動范圍為：d=1 %～3 %。

表1 電壓波動限值

3 測試數(shù)據(jù)評估分析

為了全面、準(zhǔn)確掌握火力發(fā)電廠關(guān)鍵監(jiān)測點電壓運行中的電壓波動情況，通過對部分火力發(fā)電廠全廠關(guān)鍵監(jiān)測點的電能質(zhì)量進行專門測試與評估分析，重點了解并掌握火力發(fā)電廠高壓及中壓系統(tǒng)關(guān)鍵監(jiān)測點三相電壓波動水平，選定5座電廠的電能質(zhì)量專項測試數(shù)據(jù)進行評估分析。

文獻[4]詳細闡述了電壓變動的兩種不同評估方法：第一種評估方法以變動次數(shù)作為閾值，對電壓變動幅度進行評估；第二種評估方法以電壓變動幅度作為閾值，對變動次數(shù)進行評估。

由于第一種評估方法只需統(tǒng)計1 h內(nèi)電壓波動曲線上相鄰2個極值之差的絕對值與標(biāo)稱電壓的化值大于0.03的電壓變動次數(shù)，數(shù)據(jù)評估時便于操作；而結(jié)合測試儀器采樣精度、測試數(shù)據(jù)選取等因素，以電壓變動幅度作為閾值對變動次數(shù)進行評估的方法，能夠計算處于不同變動范圍的變動次數(shù)，可執(zhí)行性更好。故參照第一種方法進行評估。

3.1 高壓系統(tǒng)電壓波動測試數(shù)據(jù)

對高壓系統(tǒng)三相電壓波動測試時，通過對測取到的5座電廠共計8條330 kV升壓站母線三相電壓、2條220 kV升壓站母線三相電壓波動測試數(shù)據(jù)進行評估分析。

選取了部分典型數(shù)據(jù)，分別按不同電壓等級(330 kV，220 kV)將其重點列出。高壓系統(tǒng)母線三相電壓波動測試數(shù)據(jù)如表2所示，表中采用了國標(biāo)上限值。

表2 高壓系統(tǒng)母線三相電壓波動測試數(shù)據(jù) %

3.2 中壓系統(tǒng)電壓波動測試數(shù)據(jù)

中壓系統(tǒng)中，通過對測取到的5座電廠共計10臺機組20 kV機端三相電壓、26條廠用電6 kV母線三相電壓波動測試數(shù)據(jù)進行評估分析。選取了部分典型數(shù)據(jù)分別按不同電壓等級(20 kV，6 kV)列明。中壓系統(tǒng)母線三相電壓波動測試數(shù)據(jù)如表3所示，表中采用了國標(biāo)上限值。

表3 中壓系統(tǒng)三相電壓波動測試數(shù)據(jù) %

3.3 評估分析

通過對3.1～3.2節(jié)的測試數(shù)據(jù)進行評估分析，發(fā)現(xiàn)以下幾點。

(1) 高壓系統(tǒng)330 kV及220 kV升壓站母線三相電壓由于電壓等級較高，不存在大量沖擊性負(fù)荷、間歇性負(fù)荷，該次所測電能質(zhì)量指標(biāo)中的三相電壓波動均未超過國標(biāo)限值。表明所測高壓系統(tǒng)330 kV及220 kV升壓站母線三相電壓波動指標(biāo)較優(yōu)。由于測試所得高壓系統(tǒng)母線三相電壓波動數(shù)據(jù)較少，且存在部分330 kV升壓站母線三相電壓波動值較為接近國標(biāo)限值上限值，后續(xù)運行監(jiān)控工作中應(yīng)引起足夠重視。

(2) 中壓系統(tǒng)中，20 kV發(fā)電機端所測電能質(zhì)量指標(biāo)中的三相電壓波動也均未超過國標(biāo)限值。但仍存在部分20 kV發(fā)電機端三相電壓波動值較為接近國標(biāo)限值上限值的情況，初步懷疑可能的原因是電能質(zhì)量測試分析評估軟件算法設(shè)計導(dǎo)致。后續(xù)可采用不同算法(其他廠家)的電能質(zhì)量測試分析評估軟件進行計算分析并對比。

(3) 對于6 kV廠用母線，所測電能質(zhì)量指標(biāo)中的三相電壓波動數(shù)據(jù)分布差異較大，且部分?jǐn)?shù)據(jù)存在明顯的超過國標(biāo)限值，而被判定為不合格。其余6 kV廠用母線所測三相電壓波動數(shù)據(jù)雖未超過國標(biāo)限值，但普遍較為接近國標(biāo)限值上限值。懷疑可能的原因是測試期間，此段母線上連接有大容量異步電動機等快速變化的沖擊性負(fù)荷，若要準(zhǔn)確判定超標(biāo)原因，可對該段母線進行電能質(zhì)量復(fù)測，復(fù)測期間密切監(jiān)控母線所供特殊負(fù)荷的分布情況。

4 結(jié)論及建議

(1) 通過評估分析發(fā)現(xiàn)，火力發(fā)電廠關(guān)鍵監(jiān)測點三相電壓波動指標(biāo)并不是全部滿足國標(biāo)限值要求，而是部分?jǐn)?shù)據(jù)存在接近國標(biāo)限值甚至大幅超過國標(biāo)限值的情況。因此，電廠相關(guān)人員應(yīng)加強對廠內(nèi)關(guān)鍵監(jiān)測點的三相電壓波動測試與評估工作的重視程度。

(2) 部分中壓系統(tǒng)母線三相電壓波動明顯存在不同程度的超標(biāo)情況，查閱各對應(yīng)測點基波電壓最大、最小及平均值后發(fā)現(xiàn)偏差確實偏大，初步懷疑可能的原因為測試期間對應(yīng)6 kV母線啟動大負(fù)荷電機設(shè)備所導(dǎo)致，建議加強對中壓系統(tǒng)中尤其是對6 kV廠用母線三相電壓波動指標(biāo)進行監(jiān)測，定期實施專門測試，必要時復(fù)測并查明三相電壓波動指標(biāo)分布偏大的具體原因。

(3) 受電能質(zhì)量測試儀數(shù)據(jù)分析計算軟件算法的限值，在對以電壓變動幅度作為閾值對變動次數(shù)進行評估的方法中，采用了電壓波動國標(biāo)上限值進行對比，評估精度不夠高，可執(zhí)行性欠佳。后續(xù)，可采用精度更高的電能質(zhì)量測試儀器，運用更加先進、高效的分析評估軟件計算并分析電壓波動指標(biāo)，以期獲得更加準(zhǔn)確的火力發(fā)電廠電壓波動測試及評估結(jié)論。