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電源質量及諧波治理

電力設備運行中的問題和故障,通常都是由于電網電氣參數波動或瞬間干擾所引起,如:電壓波動、浪涌沖擊、諧波、三相不平衡、功率因數過低、缺相運行等。長期以來,這些導致設備運行故障、維修工作量增加及增耗電費的情況受到用戶和供電部門的廣泛關注。

   近年來, 電力網中非線性負載的逐漸增加是全世界共同的趨勢,如變頻驅動或晶閘管整流直流驅動設備、計算機、重要負載所用的不間斷電源(UPS) 、節能熒光燈系統等,這些非線性負載將導致電網污染,電力品質下降,引起供用電設備故障, 甚至引發嚴重火災事故等。世界上包括我國的一些建筑物突發火災被證明與電力污染有關。

   電力污染及電力品質惡化主要表現在以下方面:電壓波動、浪涌沖擊、諧波、三相不平衡等。

   2.電源污染的危害

   電源污染會對用電設備造成嚴重危害,主要有:

   * 干擾通訊設備、計算機系統等電子設備的正常工作,造成數據丟失或死機。

   * 影響無線電發射系統、雷達系統、核磁共振等設備的工作性能, 造成噪聲干擾和圖像紊亂。

   * 引起電氣自動裝置誤動作,甚至發生嚴重事故。

   * 使電氣設備過熱,振動和噪聲加大,加速絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發生故障或燒毀。

   * 造成燈光亮度的波動(閃變),影響工作效益。

   * 導致供電系統功率損耗增加。

   3.電源污染的種類

   3.1 電壓波動及閃變

   電壓波動是指多個正弦波的峰值,在一段時間內超過(低于)標準電壓值,大約從半周波到幾百個周波,即從10MS到2.5秒, 包括過壓波動和欠壓波動。普通避雷器和過電壓保護器,完全不能消除過壓波動,因為它們是用來消除瞬態脈沖的。普通避雷器在限壓動作時有相當大的電阻值,考慮到其額定熱容量(焦爾),這些裝置很容易被燒毀,而無法提供以后的保護功能。這種情況往往很容易忽視掉,這是導致計算機、控制系統和敏感設備故障或停機的主要原因。

   另一個相反的情況是欠壓波動,它是指多個正弦波的峰值,在一段時間內低于標準電壓值,或如通常所說:晃動或降落。長時間的低電壓情況可能是由供電公司造成或由于用戶過負載造成,這種情況可能是事故現象或計劃安排。更為嚴重的是失壓,它大多是由于配電網內重負載的分合造成,例如大型電動機、中央空調系統、電弧爐等的啟停以及開關電弧、保險絲燒斷、斷路器跳閘等,這些都是通常導致電壓畸變的原因。

   大型用電設備的頻繁啟動導致電壓的周期性波動,如電焊機、沖壓機、吊機、電梯等,這些設備需要短時沖擊功率,主要是無功功率。電壓波動導致設備功率不穩,產品質量下降;燈光的閃變引致眼睛疲勞,降低工作效率。

   3.2 浪涌沖擊

   浪涌沖擊是指系統發生短時過(低)電壓,即時間不超過1毫秒的電壓瞬時脈沖,這種脈沖可以是正極性或負極性,可以具有連串或振蕩性質。它們通常也被叫作:尖峰、缺口、干擾、毛刺或突變。

   IBM公司對電壓畸變進行了深入研究,結果如下:

    畸變類型 畸變數目 畸變發生相隔天數

      低電壓 1569  2.1

      過電壓 103  32.2

      停電  65  51.0

      操作過電壓 2831  1.2

      脈沖過電壓 1673  2.0

      總 計 6244

   電網中的浪涌沖擊既可由電網內部大型設備(電機、電容器等)的投切或大型晶閘管的開斷引起,也可由外部雷電波的侵入造成。浪涌沖擊容易引起電子設備部件損壞,引起電氣設備絕緣擊穿;同時也容易導致計算機等設備數據出錯或死機。

   3.3 諧波

   線性負載,例如純電阻負載,其工作電流的波形與輸入電壓的正弦波形完全相同,非線性負載,例如斬波直流負載,其工作電流是非正弦波形。傳統的線性負載的電流/電壓只含有基波(50Hz),沒有或只有極小的諧波成分,而非線性負載會在電力系統中產生可觀的諧波。

   諧波與電力系統中基波疊加,造成波形的畸變,畸變的程度取決于諧波電流的頻率和幅值。非線性負載產生陡峭的脈沖型電流,而不是平滑的正弦波電流,這種脈沖中的諧波電流引起電網電壓畸變,形成諧波分量,進而導致與電網相聯的其它負載產生更多的諧波電流。

   計算機是此類非線性負載之一,象絕大多數辦公室電子設備一樣,計算機裝有一個二極管/電容型的供電電源,這類供電電源僅在交流正弦波電壓的峰值處產生電流,因此產生大量的三次諧波電流(150Hz)。其它產生諧波電流的設備主要有:電動機

   變頻調速器,固態加熱器,和其他一些產生非正弦波變化電流的設備。

   熒光燈照明系統也是一個重要的諧波源,在普通的電磁整流器燈光電路中,三次諧波的典型值約為基波(50Hz)值的13%-20%。而在電子整流器燈光電路中,諧波分量甚至高達80%。

   非線性負載所產生的諧波電流會影響電力系統的多個工作環節,包括變壓器,中性線,還有電動機,發電機和電容器等。諧波電流會導致變壓器,電動機和備用發電機的運行溫度(K參數)嚴重升高。中性線上的過電流(由諧波和不平衡引起)不僅會使導線溫度升高,造成絕緣損壞,而且會在三相變壓器線圈中產生環流,導致變壓器過熱。無功補償電容器會因電網電壓諧波畸變而產生過熱,諧波將導致嚴重過流;

   另外,電容器還會與電力系統中的電感性元件形成諧振電路,這將導致電容器兩端的電壓明顯升高,引致嚴重故障。照明裝置的啟輝電容器對于由高頻電流引起的過熱也是十分敏感的,啟輝電容器的頻繁損壞顯示了電網中存在諧波的影響。諧波還會引起配電線路的傳輸效率下降,損耗增大,并干擾電力載波通訊系統的工作,如電能管理系統(EMS)和時鐘系統。而且,諧波還會使電力測量表計,有功需量表和電度表的計量誤差增大。

   3.4 三相不平衡

   三相不平衡會在中性線上產生過電流(由諧波和不平衡引起)不僅會使導線溫度升高,造成絕緣損壞,而且會在三相變壓器線圈中產生環流,導致變壓器過熱, 甚至引發嚴重火災事故等。

   4.電源污染的治理

   現代電力系統中的精密電子設備,如計算機、控制系統需要穩定的高品質的供電電壓,隨著電力污染問題日益嚴重,各國紛紛出臺治理措施和相關標準,對產生電力污染的設備提出明確的限制。

   IEEE-519-1992就是應這樣的需要而制定的。這個標準最初是由用戶和供電部門聯合發起制定的,旨在限制過電壓和配電系統中的電流畸變。諧波畸變的測試點被稱為耦合點或PCC,該點通常位于計量電表處。標準規定在耦合點處,單次諧波電壓畸變率允許值為基波電壓的3%。一方面這可以滿足計量電表的精度,另一方面能保證用戶系統中負載引起的諧波問題對公用供電系統的影響在可接受的范圍。應用IEEE-519標準時,應注意它只適用于用戶系統與公用供電系統之間的限制要求,并不涉及用戶系統內局部電源質量的問題,而大多數諧波是在用戶設備產生的而不是在公用電網產生的。

   我國1993年頒布實施了GB/T14549-1993<<電能質量.公用電網諧波>>,規定電壓奇次諧波畸變率<4%,偶次諧波畸變率<4%;注入電網的諧波電流<38A(3次),<61A(5次),<43A(7次)等。

   對于現有供電網絡或待建電網中的電力污染情況,要進行仔細分析,通常解決的方法有兩個:一是局部重組電網結構,分離或隔離產生電力污染的設備;二是使用電源凈化濾波設備進行治理,通常電壓諧波是由電流諧波產生的,有效地抑制電流諧波就會使電壓畸變達到要求的范圍。國內外很多單位已開始重視電源污染的治理, 投資安裝電源凈化濾波裝置, 取得了提高電源品質和節能的雙重效果。

   電源污染的治理主要有以下幾種方法:

       * 串聯電抗器

     * 有源濾波補償

     * 無源濾波補償

     * 增加整流設備的相數

     * 安裝各種突波吸收保護裝置,如避雷器等

   目前,無源濾波補償是實際應用最多、效果較好、價格較低的解決方案,它包括三種基本形式:串聯濾波、并聯濾波和低通濾波(串并混合)。其中串聯濾波主要適用于三次諧波的治理;低通濾波主要適用于高次諧波的治理;并聯濾波是一種綜合裝置,它可濾除多次諧波,同時提供系統的無功功率,是應用最廣泛的電源凈化濾波裝置。

   近年來,隨著電力電子技術的發展,有源濾波補償技術日益成熟,并得到了廣泛應用。較傳統的無源濾波補償系統,它具有功能多,適應性好及響應速度快等優點,

   隨著價格的不斷下降,應用將日益普遍。有源濾波補償系統在很多重要場所應用效果非常好。

   ActiveSine電網有源濾波補償裝置是一種高科技的電力電子產品,采用模擬和數字邏輯電路進行電流檢測和電流注入的工作原理,通過實時檢測負載電流波形,濾除波形中的基波(50/60Hz)成分,將剩余部分的波形反向,通過控制IGBTs的觸發,將反向電流注入供電系統中,實現濾除諧波、動態補償系統波動、抑制諧振、提高功率因素等功能。產品為成套設備,體積小、占地少、安裝操作方便,并聯安裝于配電系統母線或用電設備旁,可落地安裝或掛墻安裝。

   SineWave有源濾波補償裝置是第一種改進型的第二代有源濾波補償裝置,采用DSP和IGBTs電子技術,通過實時檢測負載電流諧波,將反向諧波電流注入供電系統中,從而實現濾除諧波、提高功率因素等功能。它具有兩種工作模式:全局濾波和特定濾波,特別適用于三相四線制的三相不平衡負載。產品帶有遠方報警(干觸點),可遠方控制,并帶有Jbus/RS-485通訊接口(可選),安裝操作方便,并聯安裝于配電系統母線或用電設備旁,可落地安裝或掛墻安裝。

   LongWay信號電源凈化柜 工礦企業內部的交流信號(控制)電源,如電氣化鐵路站、石化、鋼鐵、鋁廠等,經常受到供電電源的嚴重污染,包括各種諧波、浪涌沖擊、電壓突變及雷擊干擾等。電源質量問題導致信號系統經常誤動,嚴重影響生產運行安全。

   深圳市龍源電氣有限公司在吸收國外專利技術的基礎上,研制開發出的信號電源凈化柜,集多種功能于一體,可廣泛應用于站內的信號電源系統的改造。主要功能包括:雙路電源互投、凈化電源、穩定電壓、保護控制設備安全等。

   ElectroFlow電源凈化濾波安全裝置是世界上唯一擁有多種線路校正電路的集成無源濾波補償裝置,它采用先進的微電腦控制及多級L-C補償回路,以梯級邏輯的方式,實時動態地監視、抑制及補償供電線路上的各種干擾和諧波,平衡三相,穩定電壓,提高功率因素,改善供電質量,保障用電設備的安全,同時實現節能降耗的功能。

   設備并聯安裝于配電系統母線或用電設備旁。

   電源質量術語

    * 干擾量

   在電氣系統中引起不希望的電磁量變化(電量或磁量)。即使暫時不導致干擾和影響,這個量也稱為干擾量。

    * 抗干擾性

   電氣設備在一定干擾量下不發生功能錯誤的能力。只有電氣設備的抗干擾性大于干擾水平時,才能保證設備正?煽窟\行。

    *電磁兼容性

   干擾量的特定值。是指電氣設備抗干擾水平和干擾發射水平的基準。因為干擾量超出這個特定值的概率很小,所以在一個電氣系統中設備能保持正常運行。

    * 接電點(PCC)

   接電點是指公用電網與接電用戶的最近點,同時也連接其它用戶或者可以連接其它用戶。

    * 諧波

   頻率為基波頻率(50Hz)整數倍的正弦分量。

    * 中間諧波

   頻率不為基波頻率(50Hz)整數倍的正弦分量。

    * 諧波次數

   諧波頻率波頻率的比值,對于中間諧波,其次數不為整數。

    * 閃變

   照明設備光密度波動的主觀現象。

    *電壓波動

   一系列有規律或無規律的電壓改變。

    *電壓改變

   電網電壓有效值的單次改變,沒有形狀或延續參數。

    *浪涌

   電網中設備投切引致的電磁暫態過程,表現為電壓(流)毛刺或尖峰。

    *零線電流

   低壓電網中由于三相負載不對稱和非線性負載產生3次諧波電流,可導致零線電流達到相電流1倍甚至3倍,由于零線導線的截面通常選為相線的一半,這將導致零線嚴重過熱,甚至引發火災。同時由于變壓器無零序磁通回路,零線電流將導致變壓器產生很大的漏磁,嚴重干擾計算機顯示器和其它電子設備的正常運行。解決的辦法主要有零線濾波器或有源濾波器。|

配電網網絡化繼電保護是就地保護和遠方保護相結合,在避免配電系統再次受故障干擾的情況下,能夠迅速完成故障自動識別、定位、故障自動隔離、網絡重構直至恢復非故障區段供電;趪鴥扰潆娋W系統現狀,提出配電網網絡化繼電保護;探討了實現配電網網絡化繼電保護的關鍵技術。

中圖分類號:TM727.2 文獻標志碼:B 文章編號:1003-0867(2006)12-0029-02

近幾年來,許多國家的大城市相繼發生了大范圍停電事故,造成巨大的經濟損失并對社會正常秩序造成嚴重影響。大城市的配電網可靠性因此受到很大的關注。對照世界上發生大面積停電的地區,我國電網也存在配電網網架薄弱,保護、控制措施與電網可靠性要求不適應等問題。

提出配電網網絡化繼電保護的概念,采用階段式保護、縱聯式保護、故障狀態差動保護、遠方跳閘、解裂及自動適應、動態修改保護方式和整定值等措施,形成一個區域配電網的廣域繼電保護;趶V域繼電保護的自動化配電網,具有快速定位故障點、就地處理故障、減少系統沖擊、迅速恢復供電等優點。

1 配電網自動化系統

我國目前應用的配電網自動化系統主要有兩種:

1.1集中智能式

•立足于事故發生后的故障隔離和網絡重構;

•隔離、重構的判斷和處理集中在配網調度系統;隔離和重構的瞬間系統對通信網絡的依賴性極強;

•終端設備的主要功能是采集配電系統的電參數,但缺少就地控制措施。

由于受客觀條件和技術手段的制約,這一代集中智能式配網自動化沒能發揮預期的作用。

1.2分散智能(重合器與分段器配合)方式

采用具有開斷與關合短路電流能力的重合器作為饋線分段開關,重合器重合次數和保護動作延時時間可以整定,通過重合器的時序配合來實現饋線故障自動隔離、自動恢復非故障區供電的功能。采用重合器組實現配網自動化功能,不需要通信手段。利用重合器本身切斷故障電流的能力,實現故障就地隔離,避免了因某段故障導致全線路停電的情況,同時也減少變電站出線斷路器動作次數。

缺點主要是:當系統發生永久故障時,為選擇并隔離故障點,對配電系統多次沖擊,不僅造成線路老化,對配電系統造成的擾動在某些情況下也是不能允許的。

2 配電網網絡化繼電保護

由于現有配電網自動化方法均存在問題,近兩年來,國內供電部門從技術、經濟等方面,重新評價當前應用的配網自動化系統,期盼更優越的配網自動化模式和更先進的配網自動化系統。

因此,研究配電網新技術,提高供電可靠性、提高電能質量是十分緊迫的任務。根據配電網的復雜性特點,靠傳統保護方式實現線路保護的可靠性和選擇性、靈敏性是很難實現的。

提出就地保護和遠方保護相結合的配電網網絡化繼電保護方法,能夠實現迅速定位并快速切除故障;谂潆娋W網絡化繼電保護的方法,輔以遠方監測、監控手段可以實現較理想的配電網自動化。

配電網網絡化繼電保護內容包括:

•包含階段式保護、縱聯式保護、故障狀態差動保護、遠方跳閘保護和遠方備用電源自動投入功能的配電網控制終端;

•因地制宜的、適用的通信通道;

•可自動適應或在線修改保護方式和整定值的繼電保護系統。

結合近兩年在東北某地的實踐,以一個手拉手配電系統說明簡單的廣域繼電保護應用情況,見圖1。

正常情況下:L1、L2、L3、L4線段由變電站A通過CB1供電;L5、L6、L7、L8線段由變電站B通過CB2供電;S4聯絡斷路器處于常開狀態。當在斷路器S1和斷路器S2之間L2線段發生故障(非單相接地),線路出口保護使斷路器CB1動作,將故障線路切除,傳統的故障隔離和恢復供電的方法是通過重合器和分段器的配合,經重合器多次重合實現的,該方法不依賴于通信。但是,由于重合器的多次重合,對配電系統造成的擾動在某些情況下是不能接受的。

帶有配電網網絡化繼電保護的智能化重合器,實現故障狀態差動保護的基本原理如下:每個饋線分段開關采用智能重合器,每個智能重合器的智能單元中都設置一個故障狀態變量,來反映在線電流值是否越限。當故障電流大于整定值即越限時,此故障狀態變量為1,否則為0。當故障發生時,智能單元的故障狀態變量一旦變為1或線路失壓,則智能單元一端主動把狀態變量、開關狀態及記錄信號通過點對點通信方式傳送給相鄰智能單元,經智能單元判斷,識別故障區段,并自動隔離故障和恢復非故障區段的供電。這種繼電保護功能稱為故障狀態差動保護,可使配電網系統在故障時避免受多次沖擊,并能迅速恢復供電。

在圖1手拉手環網中,當在開關S1和開關S2之間線路段L2發生故障(非單相接地),由于故障電流,變電站A的線路保護使斷路器CB1動作,將故障線路切除。裝設在S1處的智能單元檢測到故障電流,即故障狀態變量為1,而裝設在開關S2、S3處的智能單元沒有故障電流且失壓,經過點對點通信,每個智能單元的故障狀態變量和相鄰智能單元主動傳送來的故障狀態變量,經過運算來故障判斷,結果為1識別出該故障發生在S1與S2之間的L2線路段上,保護立即發出跳閘命令,快速跳開關S1和S2實現故障隔離;當S1、S2的智能單元檢測到開關S1、S2處于斷開狀態時,兩智能單元主動向出口斷路器CB1和聯絡開關S4傳送開關狀態量,CB1和S4分別收到S1、S2開關狀態量并確認都為斷開狀態,則分別發出合上線路出口的斷路器和合上聯絡開關S4完成向非故障區域恢復供電。


另外,智能化重合器具有階段式保護功能,當上下級之間的短路電流能夠配合時,也可采用階段配合方式,同時可以選用方向鑒別。按照躲開某一點電流速斷保護的主要優點是簡單可靠,動作迅速;缺點是不可能保護線路的全長,保護范圍直接受系統運行方式變化的影響。當系統運行方式變化很大,或者被保護線路的長度很短時,速斷保護就可能沒有保護范圍。為了克服母線出口速斷保護的死區,各個饋線分段上的智能重合器具有帶時限的電流速斷保護和定時限過流保護,來實現各個饋線分段之間的階段式保護功能。

當合上S3恢復A區供電時,如果變電站B的容量不足,廣域保護可以用遠方聯切方式切除一部分不重要的負荷,以保證對重要負荷的連續供電。

同時當變電站B向A區供電時,由于負荷電流增大,過電流保護定值需要進行相應的改變,廣域繼電保護可通過遠方修改定值或自適應改變定值的功能來實現。

配電網網絡化繼電保護對通信通道的要求比較簡單,既可采用優質的通信通道:光纖、導引線;也可因地制宜的使用公網GPRS、CDMA-1X等作為通信通道;即將推出的3G通信業務提供了更好的選擇。

實現配電網網絡化繼電保護時,電力部門可以根據企業的資金狀況分步投資,可以做到邊投資邊受益。最終完成基于配電網網絡化繼電保護的網絡化、智能化配電網自動化系統。

3 結束語

基于配電網網絡化繼電保護實現的配電自動化系統,解決了以往在配電網自動化系統存在的問題。故障狀態差動保護方法簡單,可廣泛應用于城鄉配電網,改變了傳統保護應用于復雜配電網,難于同時滿足的繼電保護可靠性和選擇性的缺陷,可以提高配電系統可靠性。


【上一個】 電鐵綜合諧波治理設計思路探索 【下一個】 配電網中用于諧波源探測的多種方法


 · 電源質量及諧波治理 · 電源質量及諧波治理的對比

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