火力发电厂电压波动分析

李养俊，何子春，张 强，贺室衡

(华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

火力发电企业相关专业技术人员基于厂内电能质量指标较优，而简单地判定火电电能质量指标满足标准，导致较长一段时间内部没有重视电能质量定期测试工作。随着各大火力发电企业对技术监督工作的重视程度增加，火力发电厂电能质量技术监督工作的顺利开展更是有效促进了电能质量专项测试工作的广泛开展，通过对火力发电企业关键监测点的电能质量专项测试分析也得出了一些初步结论及建议。

DL/T 1053—2017《电能质量技术监督规程》于2017-08-01正式实施，将技术监督的内容先按电能质量指标相关的监督对象进行分类(如发电企业、电网企业、电力用户)，再在各监督对象下按电力系统生产运行的各个阶段进行分别阐述。但却未对发电企业的电压波动指标监督提出相应规定，这在一定程度上忽视了火力发电厂的厂用母线电压波动问题。

在对多个火力发电厂关键监测点电压波动指标进行实时测量和数据采集的基础上，通过计算，分析得出高压及中压系统关键监测点的三相电压波动指标数据，并把测试分析结果同相关国标限值进行比对，最后给出了评估结论和合理化建议。

1 电压波动问题的产生

火力发电厂低电压等级(如：10 kV，6 kV)母线为大量起停频繁的大容量电机供电。此外，还连接有通过投切电容电抗调节电压的无功补偿设备，其本身具有的易变性使负荷潮流也极易波动且有较大变化，加大了厂用电调节电压难度。目前火力发电厂接入的大多为大容量电机，抗功率变动能力低，母线电压波动甚至对厂用电的稳定性有一定影响。

1.1 电压波动基本概念

电压波动是指电压均方根值一系列的变动或连续的改变。它是由波动负荷(生产或运行过程中周期性或非周期性地从供电网中取用变动功率的负荷，如炼钢电弧炉、轧机、电弧焊机等)引起的电压快速变动。系统阻抗越大(或系统短路容量越小)，其所导致的电压波动越大，这取决于供电系统的容量、供电电压、用户负荷位置和类型、大功率用电设备的启动频度等[3]。

1.2 电压波动的计算

电压变动d是指电压均方根值曲线上相邻两个极值电压(最大值Umax)与最小值(Umin)之差，以系统标称电压(Un)的百分数表示[4]，即：

式中：d为电压变动，%；Umax为电压均方根值曲线相邻的最大值，V；Umin为电压均方根值曲线相邻的最小值，V；Un为系统标称电压，V。

当已知三相负荷的有功功率和无功功率的变化量分别为ΔPi和ΔQi时，电压变动可用式(2)计算：

式中：d为电压变动，%；RL为电网阻抗的电阻分量，Ω；XL为电网阻抗的电抗分量，Ω；ΔPi为三相负荷的有功功率变化量，kW；ΔQi为三相负荷的无功功率变化量，kVar；Un为系统标称电压，kV。

在高压电网中，一般XL≥RL，则：

式中：d为电压变动，%；ΔQi为三相负荷的无功功率变化量，kVar；Ssc为考察点(一般为公共连接点)在正常较小方式下的短路容量，kVA(当缺正常较小方式的短路容量时，设计所取的系统短路容量可以用投产时系统最大短路容量乘系数0.7进行计算)。

在无功功率的变化量为主要成分时(如大容量电动机启动)，可采用式(4)和式(5)进行电压变动粗略估算。

对于平衡的三相负荷：

以上式中：d为电压变动，%；Ssc为考察点(一般为公共连接点)在正常较小方式下的短路容量，kVA；ΔSi为负荷容量的变化量，kVA；在式(4)中为三相负荷容量的变化量；在式(5)中为相间容量的变化量。

1.3 电压波动的危害

电压波动的危害表现在照明灯光闪烁引起人的视觉不适和疲劳，影响工效；电视画面亮度变化，垂直和水平幅度振动；电动机转速不均匀，影响电机寿命和产品质量；影响对电压波动较敏感的工艺或试验结果。

对于厂用系统广泛使用的感应电动机，电压波动会使其转矩、滑差率、负荷电流都受到影响，造成转速不稳或过负荷现象。严重情况下，当电压低于额定电压10 %，电动机电磁转矩约下降为额定转矩的81 %，而且起动时间延长、电流增大，造成绕组线圈发热、损耗增加、效率降低以及功率因数下降，影响电动机的寿命。对于用电磁起动器控制或装有失压保护的异步电动机，瞬时电压降低会导致这些保护装置动作，设备就要停止运转，再起动则需消耗时间。

2 电压波动的限值

电压变动频度r是指单位时间内电压变动的次数(电压由大到小或由小到大各算一次变动)，一般以而次·min-1或次·s-1作为频度的单位。不同方向的若干次变动，如间隔时间小于30ms，则算一次变动。

按照GB/T 12326—2008《电能质量 电压波动和闪变》的规定，任何一个波动负荷用户在电力系统公共连接点产生的电压变动，其限值和电压变动频度、电压等级有关。

对电压变动频度较低(如r小于等于1 000次·h-1)或规则的周期性电压波动，可通过测量电压均方根值曲线U(t)确定其电压变动频度和电压变动值。电压波动限值见表1。

对于220 kV以上超高压(EHV)系统的电压波动限值可参照高压(HV)系统执行。

对表1数据进行归纳，可得出35 kV及以下电压等级的允许电压波动范围为：d=1.25 %～4 %；35 kV以上电压等级的允许电压波动范围为：d=1 %～3 %。

表1 电压波动限值

3 测试数据评估分析

为了全面、准确掌握火力发电厂关键监测点电压运行中的电压波动情况，通过对部分火力发电厂全厂关键监测点的电能质量进行专门测试与评估分析，重点了解并掌握火力发电厂高压及中压系统关键监测点三相电压波动水平，选定5座电厂的电能质量专项测试数据进行评估分析。

文献[4]详细阐述了电压变动的两种不同评估方法：第一种评估方法以变动次数作为阈值，对电压变动幅度进行评估；第二种评估方法以电压变动幅度作为阈值，对变动次数进行评估。

由于第一种评估方法只需统计1 h内电压波动曲线上相邻2个极值之差的绝对值与标称电压的化值大于0.03的电压变动次数，数据评估时便于操作；而结合测试仪器采样精度、测试数据选取等因素，以电压变动幅度作为阈值对变动次数进行评估的方法，能够计算处于不同变动范围的变动次数，可执行性更好。故参照第一种方法进行评估。

3.1 高压系统电压波动测试数据

对高压系统三相电压波动测试时，通过对测取到的5座电厂共计8条330 kV升压站母线三相电压、2条220 kV升压站母线三相电压波动测试数据进行评估分析。

选取了部分典型数据，分别按不同电压等级(330 kV，220 kV)将其重点列出。高压系统母线三相电压波动测试数据如表2所示，表中采用了国标上限值。

表2 高压系统母线三相电压波动测试数据 %

3.2 中压系统电压波动测试数据

中压系统中，通过对测取到的5座电厂共计10台机组20 kV机端三相电压、26条厂用电6 kV母线三相电压波动测试数据进行评估分析。选取了部分典型数据分别按不同电压等级(20 kV，6 kV)列明。中压系统母线三相电压波动测试数据如表3所示，表中采用了国标上限值。

表3 中压系统三相电压波动测试数据 %

3.3 评估分析

通过对3.1～3.2节的测试数据进行评估分析，发现以下几点。

(1) 高压系统330 kV及220 kV升压站母线三相电压由于电压等级较高，不存在大量冲击性负荷、间歇性负荷，该次所测电能质量指标中的三相电压波动均未超过国标限值。表明所测高压系统330 kV及220 kV升压站母线三相电压波动指标较优。由于测试所得高压系统母线三相电压波动数据较少，且存在部分330 kV升压站母线三相电压波动值较为接近国标限值上限值，后续运行监控工作中应引起足够重视。

(2) 中压系统中，20 kV发电机端所测电能质量指标中的三相电压波动也均未超过国标限值。但仍存在部分20 kV发电机端三相电压波动值较为接近国标限值上限值的情况，初步怀疑可能的原因是电能质量测试分析评估软件算法设计导致。后续可采用不同算法(其他厂家)的电能质量测试分析评估软件进行计算分析并对比。

(3) 对于6 kV厂用母线，所测电能质量指标中的三相电压波动数据分布差异较大，且部分数据存在明显的超过国标限值，而被判定为不合格。其余6 kV厂用母线所测三相电压波动数据虽未超过国标限值，但普遍较为接近国标限值上限值。怀疑可能的原因是测试期间，此段母线上连接有大容量异步电动机等快速变化的冲击性负荷，若要准确判定超标原因，可对该段母线进行电能质量复测，复测期间密切监控母线所供特殊负荷的分布情况。

4 结论及建议

(1) 通过评估分析发现，火力发电厂关键监测点三相电压波动指标并不是全部满足国标限值要求，而是部分数据存在接近国标限值甚至大幅超过国标限值的情况。因此，电厂相关人员应加强对厂内关键监测点的三相电压波动测试与评估工作的重视程度。

(2) 部分中压系统母线三相电压波动明显存在不同程度的超标情况，查阅各对应测点基波电压最大、最小及平均值后发现偏差确实偏大，初步怀疑可能的原因为测试期间对应6 kV母线启动大负荷电机设备所导致，建议加强对中压系统中尤其是对6 kV厂用母线三相电压波动指标进行监测，定期实施专门测试，必要时复测并查明三相电压波动指标分布偏大的具体原因。

(3) 受电能质量测试仪数据分析计算软件算法的限值，在对以电压变动幅度作为阈值对变动次数进行评估的方法中，采用了电压波动国标上限值进行对比，评估精度不够高，可执行性欠佳。后续，可采用精度更高的电能质量测试仪器，运用更加先进、高效的分析评估软件计算并分析电压波动指标，以期获得更加准确的火力发电厂电压波动测试及评估结论。