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工廠電源不穩定的因素及解決辦法

 要:主要探討了目前我國在供電系統中電源不穩定的成因以及危害,并根據相關理論和實踐經驗,提出了一些自己的見解和有效解決辦法。 

  一、概  
 

隨著我國經濟建設的蓬勃發展,社會對電力資源的需求日益增長,用戶對電力系統的要求也越來越高。供電的可靠性和穩定性已經成為保障經濟增長和滿足用戶需求的重要問題。我國作為裝機容量和年發電量均居世界第二位的電力大國,由于國土遼闊、動力資源與用電中心相距遙遠、城鄉家用電器設備的大量普及,對用戶端電力電壓的穩定性提出了更高的要求。保障供電的穩定性也是改善內外部投資環境、滿足人民日益增長的生活水平以及提升綜合國力的重要體現。 
  
我國最早的電廠由英商旗昌洋行于1882年開辦的,最初為粵恒電燈公司,后被官商合股收購。我國市電起初主要在殖民地使用,大部分為日本的殖民地,其中東北的電網最大,約占全國的50%。在不同地區,110V220V市電都有使用的經歷。至解放前,我國還是多種電壓和頻率并存,主要是與發電設備的生產國制式有關。新中國成立后,統一了全國的電網電壓標準為220V 50Hz。一方面是由于我國沿襲前蘇聯的制式;另一方面,因為我國國土幅員遼闊,供電半徑要比美洲國家大,出于降低能耗,減少農村、山區用電成本的目的,我國采用的是比美洲發達國家更高的市電電壓制度。 
  220V
電壓與110V電壓相比的優點:第一,傳輸耗電小,減少了能量損耗;第二,傳輸相同電量,在損耗相同的情況下,使用的導線橫截面積要小一倍,節約了大量的金屬資源;第三,相對減少了變壓器的工作負荷,使變電這一關鍵而又脆弱的節點有了更多的安全保障;第四,對偷盜電力設備的行為客觀上產生了遏制。 
 

二、影響電源穩定的因素 
 

影響電源穩定的因素主要是兩點:不穩定電壓和諧波。本文著重從這兩方面分析探討。 
  
(一)電壓不穩定的危害 
  
現代工業用電中,一種電氣設備出現故障就會導致流水線、甚至整個工廠作業的中斷,造成難以想象的損失。對于普通用戶,家用電器長時間在非額定電壓或頻率下工作,會嚴重影響電氣設備的使用壽命。例如:長期在低于額定電壓下工作的計算機,容易出現重啟、程序紊亂、燒毀硬盤等情況。因此在比較重要的信息采集、數據檢測分析工作點,都要裝設在線式UPS以保證無間斷供電。 
  
(二)電壓不穩定的類型 
  
電壓不穩定主要表現在電壓偏差和電壓波動兩個方面。電壓偏差是在某一時段內,實際電壓幅值緩慢變化而偏離了額定電壓,偏差是穩態的,就是我們常說的電壓偏高或偏低。電壓偏差的大小,主要取決與電力系統的運行方式、線路阻抗及有功負荷和無功負荷的變化。電壓偏差主要是用電設備所處的位置及運行的時間,如線路末端電壓偏低,后夜電壓偏高等。 
  
為改善電壓偏差,可采取以下措施:一是正確選擇變壓器的變壓比和電壓分接頭;二是合理減少線路阻抗;三是提高功率因數,進行合理的無功補償,并根據電壓與負荷變化自動接切無功補償設備容量;四是按照電力系統潮流分布,及時調整運行方式;五是采取用載調壓手段,如選用有載調壓變壓器等。 
  
電壓波動是在某一時段內,實際電壓幅值急劇變化而偏離了額定電壓,偏差是動態的,就是我們所說的電壓忽高忽低。電壓波動主要是由大型用電設備負荷快速變化引起的沖擊性負荷造成的,如軋鋼機咬鋼、起重機提升啟動、電弧爐熔化期發生工作短路、電弧焊機引弧、電氣機車啟動或爬坡等都有沖擊負荷產生。電壓波動的大小,主要取決于電壓波動的頻度、波動量的大小及工作場所對電壓質量的要求等。抑制電壓波動的措施一是增加供電系統容量,即更換大容量的變壓器,或由大的電網來承擔供電任務;二是提高供電電壓等級;三是采用專用變壓器和專線供電;四是改進生產工藝及操作水平;五是采用專用穩壓設備等。 
  
(三)引起電壓不穩定的原因及解決辦法 
  
按供電系統節點來看,電壓波動可分為高壓側電壓波動和低壓側電壓波動。高壓側電壓波動又可分為進線電源處電壓不穩定和高壓母線上電壓不穩定。 
  1.
進線電源處電壓不穩定原因分析 
  
原因之一是上一級電源質量不高。解決方法是更換電源或在上一級負荷處重新架設一條供電線路。原因之二是傳輸過程中(進線電纜)存在問題。解決方法是檢查是否存在電纜破損、電纜質量、電纜選型不正確的情況,有針對性地加以改善。 
  2.
高壓母線上電壓不穩定原因分析 
  
原因之一是變壓器三相空載導致高壓側母線電壓不穩定。解決方法是重新計算變壓器的負載率,更換更大一級容量的變壓器。原因之二是在變壓器負載時,大功率設備沖擊電網造成高壓側母線電壓不穩定。解決方法如下 一是對大功率設備采用變頻啟動或軟啟動方式,來減少對電網的沖擊。二是大功率設備盡量采用高壓電機,以優化電能質量。三是對個別大功率設備,采用單獨無功補償裝置穩定電壓。 
  3.
低壓側電壓波動可分為電纜出線端電壓不穩定、設備入線端電壓不穩定和低壓母線上電壓不穩定。 
  
1)電纜出線端和設備入線端電壓不穩定原因分析。原因之一是外接負載功率較大導致的啟動電流沖擊。解決方法是優化設備啟動方式。一是對大功率設備采用變頻啟動或軟啟動方式,來減少對電網的沖擊。二是大功率設備盡量采用高壓電機,以優化電能質量。 
三是對個別設備采用單獨無功補償裝置穩定電壓。原因之二是傳輸過程中存在問題。解決方法一是檢查電纜是否存在電纜破損等質量問題,如有則更換電纜,如非質量問題則存在電纜選型問題,應重新計算電纜壓降,從配電柜出線端到設備進線口的電纜壓降,看是否超過了5%,如果超過了,要更換大一級的電纜來進行電能的傳輸。
 
  
2)低壓側母線電壓不穩定原因分析。 其原因是整個供電系統功率因數的問題。解決方法是提高整個供電系統的功率因數,增大無功功率,使功率因數提高到90%以上。 
  
3)按交流和直流來分。按交流與直流來分,低壓側母線電壓不穩定可分為交流電壓波動和直流電壓不穩定。交流電主要承擔煤礦除工藝集中控制外的所有負荷;直流電主要負責供給工藝集中控制信號的電源。直流電壓不穩定原因有三:一是電源;二是負載;三是接觸不良。解決方法一是更換電源或改善傳輸路徑;二是提高負載供電等級;三是檢查接觸裝置按設備負載。 
  
4)按負載來分。按設備負載來分,低壓側母線電壓不穩定可分為帶沖擊負載的電動機引起電壓波動、由反復短時工作負載引起電壓波動、大型電動機啟動時引起電壓波動和供電系統短路電流引起的電壓波動。 
  
5)帶沖擊負載的電動機引起的電壓波動。由于生產工藝的需要,有些設備的電動機負載是沖擊性的。如沖床、壓力機和軋鋼機等。其特點是在工作過程中負荷產生劇增和劇減變化,并周期性地交替。這些設備一般采用帶飛輪的電,力拖動系統。由于飛輪的儲能和釋能作用,拉平了電動機軸上的負載,從而降低了電動機的能耗。但因其機械慣性較大沖擊電流依然存在,所以伴隨負荷產生周期性交替的電壓波動不可避免。 
  
6)由反復短時工作負載引起電壓波動。這類負載的特點是呈現周期性交替的增減變化。但其交替的周期是不定值,且交替的幅值也是不定值,如吊運工件的吊車,手工交直流電焊機等。當前企業為節能降耗在交直流電焊機上都裝設了自動斷電裝置,因此在節電的同時電動機的啟動電流和焊接變壓器的涌流卻加劇了所在電網的電壓波動。

7)大型電動機啟動時引起電壓波動。目前,企業使用的電動機功率越來越大,其啟動電流(為額定電流的4~7倍)所引起的電壓波動成為一個不可忽視的問題。啟動電流不但數值很大,而且具有很低的滯后功率因數,故其電壓波動將更大。 
  
8)供電系統短路電流引起的電壓波動。由于各種原因,企業的許多高、低壓配電線路及電氣設備可能發生不同性質的短路。在這種情況下,如繼電保護裝置或斷路器失靈就會使故障持續存在也會造成越級跳閘,輕則損壞配電裝置,重則造成大面積停電,延長整個電網的電壓波動時間,并擴大波動范圍。解決方法一是合理選擇變壓器的分接頭,保證用電設備的電壓水平。二是設置電容器進行人工補償。三是配電變壓器并列運行。四是采用電抗值最小的高低壓配電線路方案。五是線路出口加裝限流電抗器。六是大型感應電動機帶電容器補償。七是采用電力穩壓器穩壓。 

  三、諧波的形成和危害 
  
(一)諧波的形成 
  
在我國,電力系統的發電機發出的電壓,一般可認為是50Hz的正弦波。但是由于系統中各種非線性元件存在,因而在系統和用戶處的線路都會出現諧波,導致電流或電壓波形出現畸變,從而影響交流電的質量。當電網中的電壓和電流波形非理想的正弦波時,即說明其中含有高于50Hz的電壓和電流成分,我們將頻率高于50Hz的電流或電壓成分稱之為諧波。 
  
系統中產生諧波的非線性元件很多,例如熒光燈、各種氣體放電燈及交流電動機、電焊機、變壓器、變頻器等,會產生高次諧波電流。 
  
諧波在電網誕生的同時就是存在的,因為發電機和變壓器都會產生少量的諧波,F在由于產生大量諧波的用電設備不斷增加,并且電網中大量使用的并聯電容器對諧波非常敏感甚至會放大諧波,使得諧波的影響越來越嚴重,從而引起人們的重視。 
  
(二)諧波造成的危害 
  1.
加大電力運行成本。由于諧波的頻率較高,且無法自然消除,因此當大量諧波電壓、電流在電網中游蕩并積累疊加會導致損耗增加、電力設備過熱,從而加大了電力運行成本,增加了電費的支出。 
  2.
降低了供電的可靠性。諧波電壓在許多情況下能使正弦波變得更尖,不僅導致變壓器、電容器等電氣設備的磁滯及渦流損耗增加,而且使絕緣材料承受的電應力增大。諧波電流能使變壓器的銅耗增加,所以變壓器在嚴重的諧波負荷下將產生局部過熱,從而加速絕緣老化,大大縮短了變壓器、電動機的使用壽命,降低供電可靠性,極有可能在生產過程中造成斷電的嚴重后果。 
  3.
引發停電事故。繼電保護自動裝置對于保證電網的安全運行具有十分重要的作用。但是,由于諧波的大量存在,易使電網的各類保護及自動裝置產生誤動或拒動,特別在廣泛應用的微機保護、綜合自動化裝置中表現突出,引起區域電網瓦解,造成大面積停電惡性事故。 
  4.
對弱點系統設備產生干擾。對于計算網絡、通信、有線電視、報警與樓宇自動化等弱點設備,電力系統中的諧波通過電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些系統中,產生干擾。其中電感應與靜電感應的耦合強度與干擾頻率成正比,傳導通過公共接地耦合,有大量不平衡電流流入接地極,從而干擾弱點系統。 
  5.
對電力電纜的危害。由于諧波次數高頻率上升,再加上電纜導體截面積越大趨膚效應越明顯,從而導致導體的交流電阻增大,使得電纜的允許通過電流減少。另外,電纜的電阻、系統母線側及線路感抗與系統串聯,提高功率因數用的電容器及線路的容抗與系統并聯,在一定數值的電感與電容下肯能發生諧振。 
  
(三)消除諧波的措施 
  1.
改善供電系統和環境。諧波的產生不可避免,但通過加大供電系統短路容量、提高供電系統的電壓等級、加大供電設備的容量、盡可能保證三相負載平衡等措施都可以提高電網抗諧波的能力。選擇合理的供電電壓并盡可能的保持三相平衡,可以有效的減少諧波對電網的危害。諧波源由較大容量的供電點或高一級電壓的電網供電,承受諧波的能力會增大。對諧波源負荷由專門的線路供電,減少諧波對其他負荷的影響,也有助于集中抑制和消除高次諧波。 
  2.
三相整流變壓器采用YdDy聯結。這種聯結可以消除3的整數倍的高次諧波。由于電力系統中的非正弦交流對橫軸對稱,不含直流分量和偶次諧波分量,因此系統中只有影響較小5、7、11……等次諧波分量,這是抑制整流變壓器產生高次諧波干擾的最基本方法。 
  3.
加裝無功補償裝置。在諧波源處并聯裝設靜止無功補償裝置,可有效較少波動的諧波量,同時,可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡,還可補償功率因數。 
參考文獻
 
1]邱關源:《電路》(第四版)北京:高等
教育出版社,1999年;
 
2]趙智大:《高電壓技術》
中國電力出版社;
 
3]于寶水:《中國與世界各主要國家的市電電壓U與頻率Hz》。


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