冲击负荷影响电力系统可靠性研究

摘 要：大量冲击负荷存在于电力系统中，这些负荷严重影响了电网的可靠运行，具体表现为导致闪变电压，形成谐波，甚至直接威胁电力系统的可靠性。同时冲击负荷会对电力设备正常操作造成危害。不管是谐波危害还是机组振动，这些因素长期作用势必减少设备使用时间，提高设备强迫停运率。所以在研究电力系统可靠性的过程中，需要从多个方面进行考虑，降低系统风险。

关键词：冲击负荷；电力系统；可靠性

1 硅铁电弧和电解铝生产特点

1.1 电弧炉生产特点

硅铁生产属于用户大客户，其特点是规模较大、持续生产的较多设备、集中负荷以及容易形成冲击功率。当利用电弧炉实施生产时，为了稳固电弧以及约束短路电流，需要相当于35%的变压器容量的电抗容量向变压器主回路中串入。

交流电弧炉大概需要1-2h周期冶炼硅铁，供电电压高低、电弧炉容量以及冶炼材料工艺等决定了冶炼时间。可以将普通电弧炉生产程度划分为三个阶段：熔化阶段、氧化阶段、还原阶段。但是，不同于炼钢出铁过程实施断电操作的是，硅铁冶炼需要同时进行出铁与加料，不要求实施断电。硅铁冶炼电弧炉的功能属于一个保持还原反应的温度场。因此，硅铁冶炼过程中电弧炉利用连续生产方式，这三个阶段没有显著区别。

冶炼过程较为稳定，但是也形成了上抬与下压电极现象，具体表现为出铁过程中人工调节电极与定时电极调节。

硅铁生产不但需要很高要求的供电可靠性，而且产生了比较复杂的内部供电方式，通常会产生中小型供电网络。当硅铁电弧炉出现功率冲击时，系统从原来的平衡状态向新的平衡状态顺利过渡。

可见，硅铁冶炼电弧炉的重要特点为：正常生产的稳定过程加之电极调节，而其作用促使电弧弧长在变化过程中体现出复杂性，进一步改变了硅铁功率。

1.2 电解铝生产特点

电解铝企业也属于一种主要的冲击负荷。熔融电解法具体在电解铝生产中应用。电解槽具体包括将碳素材料作为核心的阴阳极。氧化铝与氟化盐是电解铝生产需要的主要材料，而整流器则提供了电解需要的直流电。由于氧化铝具有极高的熔点，所以很难通过直接熔化提取铝。可是固态氧化铝可以在较低熔点的冰晶石熔融液中溶解，产生均溶体，其具备很好的导电性能。熔融在电解质中的氧化铝由于直流作用，可以对金属铝进行还原。铝电解用于生产的直流电能，通过整流器与母线连接并且向串联的电解槽进行导入。

2 硅铁与电解铝对电力系统可靠性的影响

2.1 电弧炉对电力系统可靠性的影响

气候对于电弧炉性质的冲击负荷影响并不大，生产情况的变化发挥了决定作用。在短时间内有功功率与无功功率体现出没有规律性的冲击改变趋势，这样不但影响了周围电厂机组的运作，并且也不利于整个电网的可靠运作。

可见，电弧炉冶炼的生产过程是一个巨大变化功率的过程。也可以理解为，在冶炼过程中，无穷大的电弧炉阻抗与零之间发生改变，电弧炉有功功率的标准数值变化范围是0-1-0，而无功功率的标准数值变化范围是0-2。巨大变化的有功功率会极大影响小型电網的频率；剧烈波动的无功功率，也会造成电网电压的波动。

通过研究现场生产情况可知，出铁过程是功率剧烈变化的具体原因。出铁的同时也会产生下压和提高电极以及添加原料，导致电弧弧长出现较大变化，造成整个过程中出现显著地功率变化。由此可知，出铁在统一的生产周期内，功率消耗十分稳定。

但是出铁过程较为短暂，具体原因是通过连续生产方式生产硅铁，随着生产进行将原料持续添加到电弧炉内，由于电极是向炉内深入的，进一步导致上部电弧炉温度比较低。在炉上部集中原来实施焙烧，在出铁过程中提升电极与降低炉液，导致坍塌原料，迅速改变电弧炉弧长，继续进入下一阶段生产。由于在硅铁冶炼过程中出铁操作具有反复性，功率势必频繁变化。

硅铁生产过程较为复杂，导致波动功率的原因很多。比如本次原料中存在大量的还原剂，容易出现塌料进而产生剧烈变化的电炉功率。

2.2 电解铝对电力系统可靠性的影响

阳极效应是电解铝生产过程中最为常见的现象。目前尚没有探明形成阳极效应的原因，但是工业上已经很熟悉这一现象的成因并且产生了共识。阳极效应是氧化铝在电解质中逐步减少导致的，外在体现为阳极与电解质交界处，存在着显著的弧光放电。平均每天每个电解槽正常发生0.5-1次阳极效应。

电解铝正常生产过程，生产线电流具体维持在某一数值。当某一槽出现阳极效应时，也会迅速提高槽电压。由于通过恒电流控制，这一需求也会迅速增加有功功率，相应的增大了无功功率。阳极效应是无法避免的。

在对电解槽进行启动的过程中也会冲击整个系统，其成因在于启动过程中产生人造效应。这里所指的人造效应是指对新电解槽进行启动时对整体实施断电，与新的电解槽接入之后，可以人为加大槽电压，并且维持10-20分钟。此时槽中会提升电解质温度，通过高温反应会分离炭渣。对其进行打捞以后，降低槽的电压，但是还需要1-2天恢复到工作电压。

3 冲击负荷下电力系统可靠性计算

通过调研统计某地区电网中的具体冲击源，明确冲击具体过程以及强度的参数，修正不考虑冲击下的设备常规PFOR，对比之后获得冲击负荷影响电力系统可靠性的情况。

这一地区存在的高能耗用户很多，出现了严重的用电负荷。一些高耗能企业外部变压器长时间超负荷运作，采取电负荷一天之内多次进行投切，对变压器进行了冲击，进一步缩减了变压器使用时间，加大了故障概率。系统中形成了下列冲击源：携带重负荷的铝厂、体现出备用特点的铝厂、铝合金厂以及铅锌厂。此外还有一些高耗能小型厂矿与牵引变。系统中，铝厂与冶金厂出现的突发甩负荷是形成巨大冲击的冲击源。

这里需要对变压器获得冲击之后的影响积极考虑，利用公式计算变压器均运行期望时间，并且对强迫停运效率科学修正。

接下来对地区电网风险水平科学评估，并且对存在的冲击负荷影响进行观察。第一，在对冲击负荷影响不考虑的情况下，通过计算机抽样整体地区的电网系统，可以获得这一地区对冲击负荷因素引入之前可靠性指标电力不足概率以及电量不足期望数值。很明显引入冲击负荷的电力系统更加缺乏可靠性。

通过上述分析了解到，冲击负荷下电力系统整体运行风险相较于一般负荷有所提升，尤其是冲击负荷冲击电力系统之后明里提高了风险。对于电网整体风险与接入点风险来讲冲击源形成了巨大的影响。

4 结束语

在电力系统中，由于具有特殊性的冲击负荷，其生产过程出现了对电力系统造成的功率冲击。文章具体研究了硅铁与电解铝两种冲击负荷在生产过程中的特性，结合理论基础以及统计调查探讨了二者冲击负荷影响电力系统可靠性的具体成因。在思考生产特点的前提下获得了功率冲击产生的概率，有利于维持电力系统的可靠性。

参考文献

[1]周继馨，提兆旭，陈春霖.大容量冲击负荷的短期预测研究[J].华东电力，2012（1）.

[2]刘小河，赵刚，于娟娟.电弧炉非线性特性对供电网影响的仿真研究[J].中国电机工程学报，2014（6）.

作者简介：邓舒平（1988-），女，云南宣威人，助理工程师，本科，主要研究方向：电力系统。