企业电能质量分析

彭鹏 刘海山 鲁爱辉

摘要：列举了钢铁企业中常见的几种电能质量问题，阐述了这些电能质量问题对供电系统造成的影响及危害，分析了产生电能质量问题的原因，并提出了相应的解决方案，为提高企业电能质量提供了参考。

关键词：供电系统;电能质量;解决方案

0 引言

在钢铁企业中，供电电源经多条母线、多个变压器、多个断路器拓扑成复杂的供电网络系统，电压级别包括110 kV、35 kV、10（6）kV、400 V。一般来说，在企业建设初期，企业电能质量普遍较好，但随着企业内用电负荷的增加，电能质量问题逐渐显现，主要包括电容器组投切或运行时发生开关爆炸事故;谐波导致大型电机震动、发热严重，甚至烧坏定子绕组;电压陡降造成供电系统大面积断电等。提高电能质量，能有效降低供电电网三相电压的不平衡度，减小电压骤升、骤降幅度，减少电网有害谐波，保证电力系统的安全、连续和经济运行，从而减少企业用电设备因电能质量问题而造成的绝缘击穿、设备损坏现象，以免对企业的连续生产造成影响。

1 无功补偿运行装置的电能质量问题

电网输出功率包括有功、无功两种形式，有功功率是我们获得电能转换的实际输出量，无功功率是电气设备实现做功的必备条件，在电网中电能之间完成周期性转换。在电流元件内部，电流做功期间，电流比电压滞后90°;在电容元件内部，电流做功期间，则刚好相反，电压比电流滞后90°。相同电路情况下，电感电流同电容电流，两者方向保持相反，互差180°。对于带有容性负载的装置，在相同电路中将其与感性负载保持并联连接，使能量完成相互转换。由于绝大多数的用电设备均为感性负载，因此采用串联电容进行无功补偿的方式最为常见和普遍，可以有效提高设备功率因数。

电容器组在不同合闸角度情况下，鉴于RLC中电场能量与磁场能量转换的过渡作用，使电抗器L和电容器组C均要承受较高幅值的过电压，对电抗器和电容器的绝缘造成长时间损害，长此以往，必将损坏电容器或电抗器，引发事故。在切除电容器组时发生开关爆炸事故，主要是由于电容器上相电压峰值与电感上振荡电压叠加幅值较高，再加上真空开关重燃，使开关触头两端承受极高的过电压，当开关表面绝缘由于各种原因不能承受这个过电压时，将发生沿面放电现象，易形成对地击穿和相间短路事故，使开关爆炸。

2 电网谐波的电能质量问题

对于变压器来说，谐波所产生的影响是使其温度升高与损耗变大，负荷中存在谐波电流的情况下，由阻抗产生谐波电压，谐波电压形成涡流电流，继而造成发热及损耗现象，此部分损耗基于谐波电流具体频率的平方呈正比上升，致使变压器基波负载容量明显降低。负载中存在较多三倍频谐波的情况下，即零序谐波，谐波电流位于变压器线圈及铁芯中产生环流，若变压器不存在中性点，或中性点未采取有效接地措施，则这些谐波磁链会在箱体和铁芯中引起铁磁谐振;若中性点有效接地，则中性点形成较多的三倍频谐波电流，对负载的稳定运行产生影响。

谐波也会造成电动机出现温度升高与损耗变大的情况，具体表现为谐波频率下铁损与铜损明显增多，谐波电压发生畸变，电动机效率明显降低，并产生振动，发出响声。针对部分由多台电动机共同组成的传动设备，电动机速度及转率应当相同，运行速度及转矩若出现差异，则会对产品质量产生不利影响，严重时可能造成工件报废，这些情况均是由于谐波中包含各种特殊频率的谐波电流所致。

3 电压陡降的电能质量问题

外网短路以及企业内网任意支路短路，均会导致系统电压明显跌落，且短路支路电压等级相对较高，影响范围较广。短路情况下，支路保护装置及时动作，使断路器跳闸，有效切除故障支路。短路至故障切除阶段，系统电压出现明显的跌落和恢复现象，称之为“陡降”。“陡降”电压对继电器、电机、变频器以及变电站的正常供电带来了严重影响，尤其是在内网支路产生较大的短路电流后，会造成同母线其余支路欠压，导致母线段全部断电。

4 解决方案

4.1    分相控制器控制电容投切

通过分析，当电容器组接入回路时，不同的接入角度造成了过电压及过电流幅值的巨大变化，如何降低过电压幅值是提高电能质量的关键。采用分相控制器及动态分组循环投切技术，保证在给装置提供可靠保护的同时，实现对系统无功功率的动态补偿和调节，保证系统的稳定性，可使电容过电压由2.27倍降到1.54倍，电抗器过电压由10.6倍降到4.66倍。

4.2    投入有滤波调谐功能的电抗器

在电源回路始端投入有滤波调谐功能的电抗器，保证了装置在一般谐波运行环境下不发生因串联或并联谐振引起的谐波放大，以免发生电容器烧坏、爆炸或群爆事故。当信号畸变较严重时，可以单独加装滤波装置，过滤掉谐波，保证电能质量，延长了装置的使用寿命，提高了系统安全性。

4.3    短路解決方案

一旦外网支路的单路电源由于故障原因断电，受制于不允许双回路并网运行的条件约束，势必会造成该段母线所带负载全部断电，从停电到送电会产生较长时间的空白期，这对设备的正常使用、企业生产运营以及作业人员的人身安全带来了极大的隐患。

为解决此问题，可将两段母线的联络开关通过继电保护系统设置为当某一段母线失压后，通过失压继电器提供闭锁信号，联动联络柜合闸，使失压母线得电运行。通过实验比对发现，单纯的继电保护虽能够实现电源的转移，但是仍然有一个停电到恢复的过程，虽然时间很短，但无法满足连续供电的要求。某35 kV变电站电压录波曲线如图1所示，正弦波曲线有超过一个波长的停止时间，这主要是由于断路器的固有动作持续时间在40 ms以上，超过了20 ms波长保持时间，因此不能满足连续供电的要求。

原有断路器的固有动作时间是制约电网连续供电的主要因素，因此采用快速联络开关实现双回路进线电源的瞬时切换，在15 ms内切换至另一路，实现外网出现故障后仍能连续供电的目标。某35 kV变电站采用快速联络开关后的电压录波曲线如图2所示，采用快速联络开关后，中间停电过程的正弦波虽然有所下降，但保持电压值在额定值的50%以上，且未出现明显的断点，电压陡降实现了平稳过渡，满足了连续供电的要求。

5 结语

在大型钢铁企业中，供电系统的电能质量会对企业生产造成极大的影响，如果因为电能质量问题导致各类安全事故，会对企业造成较大的经济损失。因此，本文提出了几种提高企业电能质量的措施，能够使企业供配电系统运行更加可靠，给企业带来更大的经济效益。

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收稿日期：2020-05-06

作者简介：彭鹏（1986—），男，河北唐山人，工程师，研究方向：控制工程。