配电网电能质量敏感负荷分析

2014-04-16句符兵

机电信息 2014年24期

关键词：电弧炉电能配电网

句符兵

(山西地方电力有限公司朔州分公司，山西朔州 036000)

配电网电能质量敏感负荷分析

句符兵

(山西地方电力有限公司朔州分公司，山西朔州 036000)

分析了当前配电网中的主要敏感负荷、负荷侧电能质量可能受到影响的原因以及电弧炉这种典型的电能质量干扰源可能带来的影响，认为电压降低是影响这些负荷正常运行的重要原因。为了解决该问题，提出了在负荷侧采用稳压器或无功补偿设备改进电压质量的方案以及处理电压波动问题的一些可行建议。

配电网；电能质量；敏感负荷

0 引言

在配电网中有大量的负荷对电能质量较为敏感，其突出表现为：在电能质量满足要求时，能够保证生产运行的可靠性、稳定性和精度；当电能质量下降时，轻则导致生产精度降低，生产出大量的次品或者报废品，重则生产停顿，造成大量的浪费和破坏。对于这种电能质量敏感负荷，有必要进行专门的研究。

1 敏感负荷及影响因素

1.1 几种敏感负荷

敏感负荷，可以理解为是对电能质量敏感的某些电气元件或电气设备。这些电气元件往往对于生产运行有着至关重要的作用，如控制核心设备的工作，保证产品的质量与性能，在计算机及电子设备越来越多地应用于生产领域的今天，电能质量敏感负荷在电能质量出现问题时，对于生产的影响越来越大。

在当前的配电网中，典型的敏感负荷有：(1) 接触器控制的负荷；(2) 感应电动机；(3) 变频调速驱动的负荷；(4) 可编程控制器(PLC)控制的负荷；(5) 计算机控制的负荷。

以上几种负荷对于不同的电能质量表现出的敏感性也不尽相同，对这些负荷产生影响的主要电能质量问题为电压偏差，特别是电压骤升和骤降。

1.2 典型的干扰源

在单位所辖配电网范围内，大功率交流电弧炉是典型的电能质量干扰源，广泛应用于冶金行业，如锰钢冶炼等，其冶炼通过电极放电实现。放电过程中负荷的不停变化导致电弧炉冶炼过程中负荷电流的随机变化，其特点为具有很强的非线性和启停过程中的强大冲击性。非线性负荷导致了电流富含谐波以及电压畸变，冲击性导致电压在负荷投入退出时瞬间升高或降低。电流的随机变化还可能导致三相不平衡以及无功功率，并使线路中电流增大，线损增大，从而进一步导致电压的不平衡和波动。电压持续波动是闪变这一目前最难以解决的电能质量问题产生的起源。

假如干扰源附近没有对应的补偿设备和措施，交流电弧炉带来的电能质量问题会通过配电网传导至其他电力用户，主要是电气距离较近的用户，可能导致电压敏感设备的非正常运行，如上边提到的过程控制、可编程逻辑控制、变频调速设备等。静止无功补偿器当前被大量用于交流电弧炉的电压补偿，可以在一定程度上解决电弧炉导致的电压质量问题，还能提高电弧炉的使用效率，有效缩短冶炼时间。

2 敏感负荷受影响分析

下面分别对几种敏感负荷及其可能受到的影响进行分析。

(1) 接触器是当前工业中广泛采用的控制器件。对由接触器控制的负荷而言，会对电压骤降表现得尤为敏感，并且与下降幅度及持续时间都有关系。而是否会产生影响，还取决于电压骤降发生时刻的相位。如电压在0°相位时发生骤降，由于接触器线圈内存储的能量为最大，则躲过影响的可能性就较高；相应地，电压骤降发生在90°相位时，躲过的可能性就较低。一般来说，电压幅值下降到0.6Un以下，且持续时间超过20 ms(即一个周波)时，接触器发生脱扣的可能性很大。

(2) 感应电动机是工业应用中最主要的负荷形式，生产中有大量的转矩负荷由感应电动机驱动。感应电动机受电压降低的影响很大，持续时间的长短则会决定造成影响的程度。由于感应电动机的转矩T正比于电压U的平方，因此电压降低的程度越大，造成的影响也就越来越大。当电压下降较少时，电机尚能维持运行，但有可能导致运转速度不平稳。当电压下降到一定程度时电机将停止运转，从而导致生产的停止，这对于流水线生产的影响是破坏性的，因为电机停止运转的同时，可能其他环节还在继续生产，于是部分环节的停止就破坏了生产秩序。此外，短时间停止后，即使电压恢复，也需要较大的启动电流才能启动，这时电机转矩将出现短时间的波动，可能对负荷产生不利影响，甚至造成设备的机械损坏。

(3) 变频调速驱动的负荷主要是利用电力电子设备的通断性能来进行驱动和控制。变频器电路一般由整流、逆变、中间环节和控制等部分组成，电压降低或升高将导致整流出的直流电压发生变化，会导致被控制设备的转速、转矩或功率变化，导致变频器性能降低，更有可能造成设备过热损坏。对于电力电子设备而言，发热是严重威胁，为解决这一问题，电力电子设备普遍配置了过电压、失压、过热等保护功能。但这些保护功能的动作，却会导致被控制设备运行的停止，给正常生产带来不利影响。

(4) PLC和计算机控制的负荷具有一定的共同点，二者都是由电子器件组成，一般包括电源、CPU、I/O模块(输入/输出模块)。当电源发生变化，特别是电压降低时，将导致CPU的逻辑判断出错，影响I/O输出的正确性，从而影响整个控制过程。由于PLC和计算机控制往往具有连续性和较强的逻辑性，一旦某一个环节或某一个步骤出现错误，将导致后续控制功能的持续错误，从而造成一连串影响。这类控制负荷的突出特点表现为：短时间的、甚至不易检测出的电能质量问题，却可能在生产结果中得到体现。可以认为，PLC和计算机控制的生产系统，是检验电能质量水平的指示器。但由于电能质量问题的发生具有很强的偶然性，如果没有适当的检测设备，即使发生了问题，也往往难以发现和证明是电能质量问题导致的，这是此类问题难以得到有效解决的重要原因。

3 问题的解决方法

如前分析，对以上几类负荷产生影响的电能质量问题主要为电压降低，非常短时间的电压降低都会产生严重的后果。因此，解决此类问题需要有效的电压稳定手段。

引起电压波动的原因一般是负荷的急速变动。电焊机、轧钢机、电弧炉都是典型的冲击性负荷，在运行中会导致配电网的电压波动。这类负荷导致的电压波动，不但会引起电压的持续降低或升高，还可能导致电机无法启动、电机转子振动、灯光闪烁等现象。

解决电压偏差问题的常规办法是进行电压调节，当前采用的主要方法是调节变压器分接头。但当前10 kV变压器普遍采用无载调压变压器，调节电压需要对设备进行停电，因此无法做到自动调节，只能依据负荷变动情况按季节进行。在负荷侧装设稳压装置是有效的解决手段。稳压器的特点是调节电压升高或降低，保证电压维持在一定范围内，保障电压的持续性。无功补偿器对于冲击性负荷、短时较大负荷的稳压作用较为明显，这是由于就地补偿了负荷消耗的无功，避免了负荷范围内电压的短时降低；其缺点是不能改善电压过高的问题，而且会使电压高的问题更为严重。

对于引起电压波动问题的负荷的处理，也是解决此类问题的重要手段。可采取的措施有：

(1) 妥善安置负荷剧烈变动的大型电气设备，可以采用专线或专门变压器供电。这类负荷包括大型机床、冲击性设备等。

(2) 增加供电容量。这可以在很大程度上改善配电网受到冲击性负荷时电压下降的程度。但由于冲击性负荷的不连续性，增加供电容量会相应导致供电损耗的增加。

(3) 提高系统的短路容量。这一方法可以很好地削弱冲击性负荷的影响，但也相应提高了发生短路故障时的短路电流，需引起注意。

(4) 必要时切除负荷。当电压波动严重时，可以通过切除冲击性负荷的方式，保证受影响用户的电能供应。考虑到当前的供电服务问题，需要事先与冲击性负荷所属单位协商。