（电气工程专业论文）浙江开化工业园区谐波治理规划.pdf

浙江人学硕士学位论文 摘要 近年来，随着经济的迅猛发展，尤其是大量高新技术企业的出现，大量的非 线性负荷及冲击性负荷不断接入开化电网，电能质量问题日益突出。许多新型带 微处理器和电力电子器件的负荷设备，对供电的质量要求越来越高，因此电网的 稳定与经济可靠运行面临着严重挑战。 基于这种现状，对用户电能进行检测分析，建立一个电能质量实时监测系统 迫在眉睫。管理人员可通过系统快速找出电网中影响电网电能质量的原因，并采 取相应的整改措施，改善现有供电系统的供电质量、降低电能损耗、保证电网的 安全、可靠、经济运行，同时也为开化电网的进一步建设完善和事故分析提供准 确的历史数据和基础数据。 本文首先在电网中选取合适的测量点利用日本富士电机公司的p s 2 计测终 端进行实地测量，对电能质量进行分析，并根据国家标准撰写分析报告，然后提 出在全县范围内建立广域监测系统的方案，最后根据电能质量分析结果，对存在 严重电能质量问题的用户提供可行的治理方案并进行治理。本文给出了对一具体 用户的治理方案及治理结果，结果表明该方案的正确性。 根据加快转变电网发展方式，推进坚强智能化电网的目标要求，从科学发展的角 度出发，对重点区域进行超前、合理的电网规划势在必行。本文对浙江开化工业 园区主要客户进行谐波等电能质量测试及评估，在建立电能质量广域检测系统的 实践基础上，提出电能质量规划及治理方案，保证供电质量和电网运行的稳定性。 关键词：非线性负荷，电能质量，广域监测系统，谐波治理 u 浙江大学硕1 ：学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，e s p e c i a l l yt h e 印p e a r a n c eo f m 锄y 量l i 曲一t e c h e n t e 叩r i s e s ，l o t so fn o n l i n e a fl o a da n di m p u l s el o a da r ei n c r e a l s e di n t h ek a i h u ap o 、e r 鲥d ，a n dt h ep o w e rq 眦l i t ) rp r o b l e mi si n c r e a s i n g l yo u t s t a n d i n g m a l 】【y 啪e so fe q u i p m e n tt h a tc o n t a i nm i c r o p r o c e s s o ra i l dp o 、e re l e c t r o n i cd e v i c e s a c q u i r eh i 曲e ra n dh i 曲e rp o 、e rs u p p l yq u a l i 够s ot h es t a b l ea 1 1 dr e l i a b l eo p e r a t i o no f t h ep o w e rs y s t e mi sf a c i n gas e r i o u sc h a l l e n g e b e c a u s eo ft h i sg t a t u s ，i t sq u i t en e c e s s a 巧t ob u i l dar e a l - t i m ep o w e rq u 蜀d i 够 m o n i t o r i n gs y s t e ms oa st 0d e t e c ta 1 1 d 锄a l y z et h ec u s t 锄p o w e rq u a l i 够w i t l lt 1 1 i s s y s t e m ，t h em 锄g e r c a i lr 印i d l yf i n do u tt h ec a u s e st l l a ta 仃- e c tm ep o w e rq u a l i t y ，a i l d t a l ( ec o 玎e s p o n d i n gm e a s l l r e st oi i i l p r o v et h ep o w e rs u p p l yq u a l i 劬r e d u c et t l ep o w e r l o s s ，s oa st oe n s u r et h e 鼢传，r e l i a b l e 锄de c o n o m i c a lo p e r a t i o no ft h ep o w e rg r i d a l s o ，i tc a i lp r o v i 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d v a i l c ea i l da p p r o p r i a t ep o w e rg r i dp l 删n gi i lt i l ev i e wo f s c i e n t i f i cd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r 恤p o w e rq u a l i t yo ft h em a i nc l i e n t si nk 抽u a i sm e a s u r e da i l de v a l u a t e d ，a i l dt h es c h e m eo fp o w e rq u a l 时p l a n n i n g 锄ds u p p r e s s i o n i sp r o p o s e db a s e do nt h ep r a c t i c eo fb u i l d i n g 丽d e - a r e ap o 、e rq u a l i t ym e a s u r e m e n t s y s t e m ，s ot h a tt h ep o 、) v e rs u p p l yq l 埝l i t y 觚dt h es t a _ b i “t ) ，o fp o w e r 酣do p e r a t i o nc 觚 b eg 珑玳m t e e d k e yw o r d s ：n o n u n e a ri o a d ，p o w e rq u a l i t y ，w i d e - a r e am e a s u r e m e ts y s t e m ， h a 珊o n i cs u p p r e s s i o n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：声j 笃弋签字日期：弘，j 7 年夕月，厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一繇彦文 翮勰墨函嘲 签字同期： 弘7 年夕月，厂日签字日期：少p ) 年夕月厂日 浙江大学硕二l 二学位论文 致谢 在本课题的整个研究过程中，我得到了很多老师和同学们的关心和帮助。我 能够不断地克服困难，解决问题，最后顺利地完成毕业设计，和他们自始至终的 帮助是密不可分的。 在此，我要特别感谢我的导师吴为麟教授。在硕士两年的学习和生活中，吴 老师严谨的治学态度和积极的工作精神深深地影响了我，在他的指导和关怀下， 我的科研水平、动手能力以及为人处事等方面都有了长足的进步，受益匪浅，为 以后的工作和生活打好了基础。同时对吴老师在生活上对我的关心和照顾也表示 衷心的感谢。 感谢汪晓东、何建明、吴建刚、黄宏华、周川平的热心帮助和悉心指导。特 别感谢陈永延的耐心指点，本课题和论文的完成得到他们很大的帮助。当然也离 不开吴国忠教授的帮助和鼓励，在此一并致以最衷心的感谢! 感谢我亲爱的父母、。家人，他们总是在我最困难的时候给予我极大的支持， 鼓励我克服困难、不断成长。 感谢所有关心和帮助过我的人。 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 电能质量问题及其监测治理的必要性 理想的电力系统是以恒定频率和正弦的波形、按规定的电压水平对用户供电 的。在现代电力系统中，由于电力设备的非线性、电网负荷类型变化的随机性、 调控手段的不完善以及运行误操作、外来干扰和各种故障等原因，在电网运行和 用户用电过程中，出现了各种各样的电能质量的问题。目前电能质量并没有统一 的定义，但大多数专家认为，电能质量的定义应理解为：导致用户电力设备不能 正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备故障或误动作的任何电力问题 都是电能质量问题n 2 1 。 目前，电能质量的主要内容有以下方面拉1 ： 1 )过电压：电压幅值高于额定电压，且持续时间大于1m i n 。过电压的 幅值范围为1 1 1 2 ( p u ) 。 2 )欠电压：电压幅值低于额定电压，且持续时间大于1m i n 。欠电压的 幅值范围为o 1 0 9 ( p u ) 。 3 )电压不对称三相不平衡度：电压的最大偏移与三相电压的平均值的比 值超过规定的标准，主要由不对称负载引起。 4 ) 谐波：频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流；由电力系统中 装置和负载的非线性特性而引起的畸变的电压或电流，可分解为基波 和各次谐波分量之和。 5 )间谐波：非工频频率整数倍的谐波。间谐波往往由较大的电压波动或 冲击性非线性负荷所引起。所有非线性的波动负荷，如电弧炉、电焊 机、各种变频调速装置、同步串级调速装置及感应电动机等均为间谐 波源，电力载波信号也是一种间谐波。 6 )暂态谐波：频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流，持续时间 为o 5 周波1m i n 。 7 ) 电压瞬升：电压或电流有效值升至额定值的1 1 0 以上，持续时间为 o 5 周波一1m i n 。典型幅值为1 1 1 8 ( p u ) 。 8 ) 电压瞬降：电压或电流有效值降为额定值的1o 一9 0 ( 即幅值为 l 浙江大学硕二l ：学位论文绪论 0 1 0 9 ( p u ) ) ，持续时间为o 5 周波1m i n 。 9 )电压中断：断电的持续时间大于3 m i n 。这将致使一些用户生产停顿， 造成重大的经济损失或产生严重的后果。主要原因是由于短时失电致 使电压突然跌到零或接近零，后又重合闸动作成功，恢复相应的供电 电压。 1o ) 瞬时脉冲：在一定时间间隔内，两个连续稳态电压之间在极短时间内 发生的一种突变现象或数量变化。瞬时脉冲可以是任意极性的单方向 脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。 1 1 ) 电压波动与闪变：电压波形是指工频电压包络线呈规则的变化或者电 压幅值不超过0 9 1 1 ( p u ) 的一系列的随机变化，电压波动引起照 明灯的照明波动；闪变是人眼对照明异常产生的视觉感受，分为周期 性和非周期性两种。 1 2 ) 电压切痕：又称电压缺口，是一种持续时间小于o 5 周波的周期性电 压扰动。电压缺口主要是由电力电子装置换相时，换相电路瞬时短路 造成的，与电压切痕有关的信号分量频率很高，采用常规的谐波分析 仪很难测量到。 其中，( 卜5 ) 属于稳态电能质量问题；其余为暂态电能质量问题。 好的电能质量对于保证电网安全、经济运行，保障工业产品质量和科学实验 正常进行以及降低能耗等有重要的意义。因而，电能质量问题的监测治理十分重 要。 1 2 浙江开化工业园区基本情况 浙江开化工业园区成立于2 0 0 1 年。2 0 0 6 年4 月，经省政府重新批准，国家 发改委审核的省重点工业园区，被确定为省级工业园区，并更名为浙江开化工业 园区，2 0 0 8 年4 月被省政府命名为“浙江省硅产业基地”，批准规划面积1 7 9 公 顷。该园区交通便捷，2 0 5 国道贯穿南北，拟建中的杭新景高速公路东西向穿罗丰 村而过，东临在建中的黄衢南高速公路，南接杭金衢高速公路。 浙江开化工业园区通过近几年的招商引资，经济发展十分迅速，工业结构逐 渐趋向完善，其投资领域主要体现在以下几个方面：有机硅、单晶硅、新材料、 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 绝缘材料等新产品开发项目；绿色食品有机茶、食用菌产业化工程深度系列开发 项目；电子、机电、五金、服装等工业加工；竹木资源深度加工，提高产品附加 值出口创汇项目。其中以有机硅、电光源等为主导产业。经过历年建设，特别是 2 0 0 7 年提出“快速拉开框架，增强发展后劲，加快产业培育，打造特色产业基 地”的建设思路以来，到2 0 0 7 年底，工业园区建设框架基本形成，三个区块建 设全面拉开。其中，青联区块征地面积1 1 7 8 亩，已基本建成，吸纳了多家企业 入驻；独山硅电子区块，征地面积10 0 6 亩，万向硅峰有限公司项目用地2 6 0 亩， 其抛光片项目已建成投产；茶场片区共征用各类土地2 6 9 3 亩，一期1 0 0 0 余亩可 用地建设全面推进，已出让5 9 0 亩，项目入驻率快速提高。可以说一个产业特色 鲜明、功能区块相对独立、总体统一的工业园区框架已形成。到2 0 0 7 年底，入 园企业实现工业总产值1 9 8 亿元，有5 亿元企业1 家，亿元企业4 家，国家级 火炬计划重点高新技术企业1 家，省级高新技术企业2 家，市级高新技术企业6 家；尤其是单晶硅产业自2 0 0 4 年后，在短时间内完成了初步的集聚发展，成为 园区乃至全县的工业经济支柱。 根据开化经济发展规划，到2 0 1 0 年打造百亿硅产业，推动产业链向下游延 伸、价值链向高端攀升、生态链向循环再生，促进集聚约集群发展。茶场片区首 期征用土地的平整工作已基本完成，这将有效解决园区土地的瓶颈制约，促进园 区扩展平台，增强项目容纳能力，做大做强特色优势产业。目前，已有金西园电 子科技、矽盛电子、荣马电子、明峰电子、星字电子等十多家单晶硅企业相继建 成投产，另外在建及准备建设的有嘉毅能源科技、方元硅材料、宏晟电子、普润 得能源、龙鼎电子、裕奇电子、新盛电子等多家企业。另外，独山片区二期工程 建设已开始启动，土地准备平整( 土地面积约7 0 0 多亩) ，招商引资在洽谈中。 2 0 0 7 年，工业园区范围内新建了两座3 5 千伏变电所，分别为3 5 千伏独山 变、3 5 千伏园区变，当时基本缓解了园区的用电“卡脖子”现象，但是随着茶 场片区招商引资的不断深入，用电需求越来越大，依然存在以下几个方面的问题： 1 ) 3 5 千伏园区变无备用电源自投装置 3 5 千伏园区变由2 2 0 千伏古田变3 5 千伏古园3 4 5 2 线路单侧供电、并经3 5 千伏园村3 4 1 0 线转供3 5 千伏村头变，未配置备用电源自投装置，且村头变侧园 浙江大学硕学位论文 绪论 村3 4 1 0 线路未设置保护。一旦古园3 4 5 2 线路永久性故障，则3 5 千伏园区变失 压。而且，2 0 0 9 年该变电所负荷已超过1 万千瓦，预计2 0 1 0 年将达到1 3 万千 瓦，因此，急需对3 5 千伏园区变进行增容改造工程。 2 ) 独山片区二期工程将出现用电“卡脖子 现象 独山片区，目前一期工程已经结束，其中万向硅峰电子有限公司已经入园生 产，总用电容量4 8 5 0 千伏安。二期工程建设已开始启动，土地准备平整( 土地 面积约7 0 0 多亩) ，招商引资在洽谈中，预计明年年底将新增负荷5 0 0 0 千瓦左右。 但是目前尚无电源延伸过去，由此需新建一条1 0 千伏公用线路至独山片区二期 的负荷中心。 3 ) 茶场片区出现布点不足现象 根据开化经济发展规划，到2 0 1 0 年打造百亿硅产业，推动产业链向下游延 伸、价值链向高端攀升、生态链向循环再生，促进集聚约集群发展。该片区目前， 已有金西园电子科技、矽盛电子、荣马电子、明峰电子、星字电子等十多家单晶 硅企业相继建成投产，另外在建及准备建设的有嘉毅能源科技、方元硅材料、宏 晟电子、普润得能源、龙鼎电子、裕奇电子、新盛电子等多家企业。随着招商引 资企业的不断落地、建成投产企业的不断增容扩建，以及要求1 0 千伏专线供电 的用户不断增多，原有的1o 千伏配电网不能满足要求，将会出现有电送不进， 用电“卡脖子”的现象。故急需加快1 1 0 千伏罗坞输变电工程的建设进度。 1 3 广域监测系统概述 系统由维护工作站子系统、前置采集子系统、数据处理子系统、报表子系统、 w e b 浏览子系统等子系统构成，包括以下三大模块： 1 ) 电能质量实时数据查询：主要是对各监测线路、母线的电能质量的主要 数据查询分析，主要有：电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、电压波动、电压 闪变、暂态过电压、频率偏差、谐波电压、谐波电流、超标告警、汇总查看。在 每个页面上都是显示各监测点的3 分钟实时数据，直接显示从监测终端上采集上 来的各类电能质量的数据，为电能质量的实时监测与分析提供了很好的依据。 2 ) 电能质量统计数据查询：从电能质量的数据特点来看，所有的数据如果 光看某个时间点来分析间比较片面。最好的分析方式是用某一段的时间数据来分 4 浙江大学硕士学位论文绪论 析，所以在电能质量有数据分析的时候主要有：最大值、最小值、9 5 大值，只 有用这样的分析方式才能综合的分析出在一段时间内整个电网的电能质量。具体 的统计数据有：电压偏差统计、三相不平衡度统计、电压波动统计，电压闪变统 计、暂态过电压、谐波电压统计，谐波电流统计、频率偏差统计。 3 ) 电能质量报表查询：目前系统中主要的报表有四个：谐波电压统计报表， 谐波电流统计报表，频率、闪变、三相平衡度报表、电能质量综合报表；报表又 分为日报表和月报表。 1 4 课题的现实意义和论文的主要内容 截止2 0 0 9 年8 月，开化电网拥有2 2 0 千伏变电所1 座，主变2 台，总容量 3 0 万千伏安；1 1o 千伏变电所3 座，主变5 台，总容量1 6 6 0 万千伏安，1 1o 千 伏输电线路7 条，长度8 6 4 9 千米；3 5 千伏变电所7 座，主变1 1 台，总容量1 0 4 2 5 千伏安，3 5 千伏输电线路1 8 条，长度1 8 1 2 7 千米；1 0 千伏配电线路7 5 条，长 度1 2 9 9 1 4 千米；全县并网电站6 1 座，总装机容量4 2 9 7 7 千瓦。 开化县主要谐波源客户有2 2 家，现有单晶炉谐波源客户1 7 家，单晶炉1 4 2 台；中频炉谐波源客户5 家，中频炉5 台。预计2 0 1o 年底将达到23 0 台左右。 浙江开化工业园区作为“浙江省硅产业基地”，因单晶硅企业集中，谐波污染严 重，成为影响电能质量的“重灾区”。目前，园区内已有万向硅峰电子、华友电 子、金西园电子、矽盛电子、荣马电子、明峰电子、星宇电子、晶岛电子、诚泰 电子、宏晟电子等十家单晶硅企业相继建成投产，另外在建及准备建设的有同欣 电子、嘉毅能源科技、宏晟电子、普润得能源、龙鼎电子、裕奇电子、汇晶电子 等多家单晶硅企业。 论文基于此现状，主要研究内容如下： ( 1 ) 对电能质量相关内容进行概述。 ( 2 ) 对广域监测系统进行简单介绍。 ( 3 ) 对谐波治理规划进行重点阐述。 ( 4 )远景展望。 浙江人学硕士学位论文电力系统中谐波的危害及治理 2 电力系统中谐波的危害及治理 2 1 谐波的产生 2 1 1 谐波概念 电力系统中的正弦电流由电网从发电厂、输配电线路和变压器传送，作用于 非线性元件时，就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流，这些不同于 工频频率的正弦电压或电流，称为电力谐波。电力系统中的非线性元件主要是换 流和整流设备、变频设备、中频感应炉、电弧炉、轧钢机、电解槽和电解化工设 备、大容量电弧焊机等负载。 2 1 2 谐波产生的原因 谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经非线性负载时，与 所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。其中谐波源大多 是非线性元件，工作波形为非正弦波，有的用电设备是切割正弦波进行工作的， 如可控硅整流设备等；有的是将直流电源变换成方波工作，如变频器等。这些设 备与电力系统发生关系时，都能使电力系统的基波产生畸变。而非线性阻抗设备 常利用感抗涡流工作或利用容性电离做功，如中频感应炉、电弧炉等，这些用电 设备在运行时可使电流产生大幅度的浪涌、尖脉冲，造成电力系统的基波产生畸 变，形成电能污染。 以上这些非线性电气设备的显著特点是它们从电网中注入非正弦电流。它们 具有其电流不随电压同步变化的非线性的“电压一电流特性”，使得流过电网的 电流是非正弦波形的。这种电流波形是由基波和基波频率成整数倍的谐波组成， 即产生了谐波，使电网电压严重畸变，使这条线路的用户受到影响。随着这些设 备使用的不断增加，同时这些设备产生的谐波又具有较大的振幅，就形成了供电 系统中的主要谐波源。 2 2 谐波的危害 目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。对于 电力系统来说，电力谐波的危害主要表现以下几个方面： 2 2 1 增加设备的额外附加损耗 6 浙江人学硕士学位论文电力系统中谐波的危害及治理 增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利 用率和经济效益。由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体 时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的 功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。 2 2 2 增加输电线路功耗 谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于网络谐振 点附近的谐振区内时，对输电线路会造成绝缘击穿。由于谐波次数高频率上升， 再加之电缆导体截面积越大集肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使 得电缆允许通过的电流减小。 2 2 3 对变压器的危害 谐波会大大增加变压器的铜损和铁损，降低变压器有效出力。特别是3 次及 倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全 星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布较大或者装有中性点 接地的并联电容器时，可形成3 次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。 2 2 4 对电容器的危害 含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对谐波阻抗很小，谐波 电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电 容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成谐波谐振，使 故障加剧。 2 2 5 对弱电系统设备的危害 谐波通过电磁感应、静电感应和传导三种途径耦合到计算机网络、通信、有 线电视、报警与楼宇自动化等这些弱电系统中，产生干扰，使电视机、计算机的 图形畸变，并使机内元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，影 响清晰度与准确性，严重的甚至会损害机器。 2 2 6 对通信线路产生干扰 在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时，通过电磁耦合，会在邻 近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作，使通话清晰 度降低，甚至会引起通信线路的破坏。 浙江人学硕i 二学位论文 电力系统中谐波的危害及治理 2 2 7 对产品质量的影响 当一定频率的谐波对用电设备有影响时，会使设备工作不稳定，导致产品质 量下降，严重时会产生批次性产品报废。 2 2 8 影响电力测量的准确性 目前采用的电力测量仪表通常为磁电型和感应型，都是按工频正弦波形设计 的，受谐波影响较大。特别是电能表，当谐波较大时将产生计量混乱，测量失准。 2 2 9 对人体产生的影响 人体细胞在受到兴奋刺激时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或 可逆翻转，其频率如果与谐波频率相近，电磁辐射就会直接影响人的脑磁场和心 磁场，从而影响人体健康。另外，电力系统谐波还会对电力设备、电力电缆、用 电设备等产生不同程度的影响和破坏。 2 2 1 0 影响电网的质量 电力系统中的谐波使电网的电压与电流波形发生畸变，导致线路及功率损耗 增加，浪费电网的容量，更严重的会使供电质量下降，使用寿命缩短，甚至损坏 2 2 1 1 影响继电保护装置 谐波对电子控制、继电保护和自动保护等系统造成误触发、误动作或拒动现 象，造成不必要的供电中断和损失。尤其一些衰减时间较长的暂态过程，如变压 器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值强大、谐波含量也很大，更容易引起继电 保护的误动作。 2 3 开化县电网谐波危害情况 2 0 0 4 年以来，开化县发生了多起谐波引发的电容器、家用电器、电能表烧 毁事故。2 0 0 4 年1 0 月，开化县龙田炼钢厂因谐波超标，造成对周围的开化县齐 溪乡大量的农村用户的表计烧毁，电视无法收看，在群众中造成了恶劣的影响。 谐波污染已经对开化县电网运行和人民生命财产安全构成了严重威胁。 谐波对开化县电网产生的危害分为对电网、对用户两大类，主要表现如下几 个方面： 2 3 1 对开化电网的危害 浙江大学硕士学位论文 电力系统中谐波的危害及治理 1 ) 谐波对并联电容器的影响是最显著的。一方面由于电容器阻抗和频率成 反比的特性，谐波的存在会造成电容器电流值的急剧增大，引起电容开关，熔丝 等保护装置经常动作，根本无法正常运行。受浙江金西园电子有限公司的影响， 1 1o 千伏开化变电所及邻近的中低压用户在该厂工作时期，电容器均无法正常投 切，不得不强行退出运行。浙江开化工业园区也由于受谐波影响严重，较多用户 及公变的无功补偿设备经常损坏或运行不正常。 另一方面，由于电容器独特的容性阻抗特性，容易和电网中大部分都是感性 阻抗的电气设备配合而构成谐振和谐波电流( 谐波电压) 成倍地放大，导致电容器 寿命的明显缩短及系统、电容支路谐波在原有基础上的放大若构成并联谐振， 严重的谐波过电压及过电流将导致电气设备的损坏，危及系统安全。在对3 5 千 伏园区变、1 l o 千伏开化变的测试结果中，发现电容器的投运分别将系统谐波放 大了2 倍和3 倍。 2 ) 谐波对电力变压器的影响。变压器本身既是谐波源，又是传送其他谐波 源所产生谐波的中间环节，谐波电流的涡流损耗会引起变压器的附加损耗和附加 发热，谐波电压引起的附加损耗( 铁心的谐频磁滞损耗和涡流损耗) ，会影响绝 缘的局部放电和介损增大，受到较大的谐波电流或电压时会导致损坏( 其中包括 谐波过电压使绝缘击穿) ，谐波还会使变压器噪声增大。1 1 0 千伏开化变电所在 浙江金西园电子有限公司谐波未治理前，受其影响，变压器噪声明显增大，且发 出异常声音。开化县精工铸造有限公司的谐波先后引起周围一台变压器烧毁，同 时影响到附近居民的生活用电。 3 ) 谐波对电力电缆的影响。由于电缆的对地电容比架空线路大的多，为1 0 一2 0 倍左右，而感抗较架空线路小，为1 2 1 3 左右。故电缆的谐波谐振和放 大产生于低次谐波，而谐波源产生的低次谐波含量又较大，更易激励较大的谐振 和放大，引起绝缘介质的谐波过电压而造成击穿，使电缆的损坏率增高。 4 ) 谐波对继电保护和自动装置的影响。谐波的严重超标容易引起继电保护 和自动装置误动和拒动，使微机保护动作频繁。曾经发生在开化县凯盛电子有限 公司和浙江通利照明有限公司的精密设备开关误动作跳闸，都和工业园区的单晶 硅企业的谐波影响导致继电保护误动作密不可分。同时受谐波影响，也曾发生继 9 浙江大学硕士学位论文电力系统中谐波的危害及治理 电保护调试时，由于试验电源谐波含量大，影响调试精度或无法调试等现象。由 此可见，谐波容易引发继电保护误整定事故。 5 ) 谐波对网损的影响。谐波功率和谐波电能是有害无益的，谐波在电力系 统和用户电气设备上都要造成附加损耗，谐波功率本身可以说完全是损耗，从而 造成网损的增大。 2 3 2 对开化用户的危害 1 ) 谐波对电能质量的影响。使电能质量要求较高的企业不能正常生产，严 重时导致设备损坏被迫停产。浙江通利照明有限公司曾受谐波影响造成进口设备 无法投入生产，在3 5 千伏园区交进行谐波治理后，该厂设备才能正常运行。 2 ) 谐波对用户电气设备的影响。电机运行处于过热状态，经常烧毁电机， 运行寿命短，修理成本极高；电容柜经常烧毁，电容器鼓包；负荷开关不明原因 跳闸，造成大量废品；同时谐波还易影响到居民的生活，造成居民家用电器损坏， 电表损坏等。开化县齐溪镇和长虹乡曾发生大片居民电表烧毁的情况。 3 ) 谐波对产品电耗的影响。谐波引起产品单耗增加，用电成本增大，有悖 于国家节能减排的政策。 4 ) 谐波对设备容量的影响。谐波污染重的区域一般功率因数低下，用户变 压器的带负荷能力降低，主变在轻负荷时就发热严重。如浙江星宇电子有限公司 在谐波治理前，原来5 0 0 千伏安的主变只带负荷2 0 0 多千瓦三台单晶炉，治理后， 可带单晶炉五台，大大的提高了设备的利用率。 2 4 电能质量控制的基本策略 目前，很多配电网缺乏全局治理电能质量问题的规划，往往在电能质量比较 突出的点采取电能质量控制措施，其结果常常不能达到满意的效果。实际上，电 能质量控制是一个系统工程，必须进行全网的配合才能从根本上解决配电网的电 能质量问题。配电网电能质量控制的基本思路是： 首先，必须保证电网有充足的无功电源。充足的无功电源不仅是保证稳态电 压的基础，而且非线性和非对称负荷对电能质量的影响将被削弱。如果没有充足 的无功电源，很多电能质量控制技术和设备将因为电压下降可能达不到应有的性 能，部分设备( 如变压器分接头) 在低电压时调整可能造成更大的无功缺额。因 l o 浙江大学硕士学位论文电力系统中谐波的危害及治理 此，按照无功功率就地平衡原则合理配置无功功率电源是保证电能质量的重要前 提，特别是在大功率非线性和非对称负荷附近。 其次，在合理配置电能质量监测点的同时，尽可能利用现有的电能质量控制 设备，合理进行调整，并适当增加系统级的电能质量调整手段，保证整个配电系 统的电能质量。国家标准原则上规定了电网的稳态电压监测点，其原则同样适合 电网的其他电能质量监测，但应该适当考虑特殊用户对电能质量的特殊需求。为 了系统地改善电能质量，有必要建立全网的电能质量监测、分析和协调系统，以 克服局部电能质量调节系统的缺陷。 第三，满足不同用户对电能质量的不同需求是电能质量控制的发展方向，也 是为今后电力市场中对用户实施“同网不同质不同价”的技术基础。因此，研究 和应用大功率电力电子电能质量控制装置、研究电力电子装置与其他电能质量控 制装置的协调配合问题是电能质量控制的高级阶段。 2 4 1 配置充足的无功电源 电力系统电压和无功技术导则哺1 规定2 2 0 k v 及以下电网的无功电源安装 总容量，应大于电网最大自然无功负荷，一般可按最大自然无功负荷的1 1 5 倍计 算。2 2 0 千伏及以下电压等级的变电站中，应根据需要配置无功补偿设备，其容 量可按主变容量的o 1 o 3 倍确定。在主变压器最大容量时，其二次侧的功率因 数不小于表2 1 中所列数值，或者由电网供给的无功功率与有功功率比值不大于 表2 1 中所列数值。其中，由发电厂直接供电的变电所，其供电线路较短，功率 因数可取表2 1 中较低值。其他变电所功率因数应取较高值。技术经济比较合理 时，功率因数可高于表2 1 中的上限值。 表2 2 2 0 k v 及以下变电所二次侧功率因数规定值 电压等级k v 2 2 03 5 1 10 功率因数 o 9 5 10 9 1 无功功率有功功率 o o 3 3o o 4 8 1 0 ( 6 ) k v 配电线路上宜配置高压并联电容器，或者在配电变压器低压侧 配置低压并联电容器。电容器的安装容量不宜过大，一般为线路配电变压器总容 量的o 0 5 0 1 0 倍，并且在线路最小负荷时，不应向变电所倒送无功。如配置 浙江人学硕士学位论文电力系统中谐波的危害及治理 容量过大，则必须装设自动投切装置。 目前配电网的无功配置主要有用户终端分散补偿、杆上无功补偿，低压集中 补偿和变电站集中补偿这四种方式n 1 。 其中，用户分散补偿可以用于整个电网，改善电压的效果最好，并能减少线 损和电压损失以及提高线路供电能力。但是由于低压无功补偿通常按照配电变压 器低压侧最大无功功率需求来确定容量，因此设备利用率较低、单位投资大。 杆上无功补偿则主要用于1 0 千伏线路，这种方式是通过提高配电网功率因数 来达到降损升压的目的，具有很高的设备利用率以及较小的单位投资，在改善电 压效果方面也很显著。但是由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容易出现保 护不易配置的情况，因此其控制成本和维护工作量比较大。 低压集中补偿和变电站集中补偿的效果相当，前者主要用于配电变压器的 3 8 0 伏侧，是根据用户负荷水平的波动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿；后 者主要用于1 0 千伏变电站，利用并联电抗器和有载调压变压器进行协调控制。这 两种方式都具有较高的设备利用率和较好的电压改善效果，但是也都具有单位投 资较大的缺陷。 在无功装置配置时，应该根据实际情况选取一种或几种补偿装置。 值得强调的是，在配电网无功电源配置的过程中，应该注重终端用户的无功 补偿问题。大多数的终端用户负荷特性稳定，负荷增长可预测。这类终端用户应 该考虑采用无功补偿装置和调节器将功率因数稳定在接近1 ，并利用补偿装置的 分相补偿特性尽可能减小三相不平衡。在负荷增长后，首先考虑的也是先增加终 端用户的无功补偿容量。这样做的好处是：减小网损；保证用户的电压质量；降 低中高压网络无功优化配置时负荷预测的工作量。 2 4 2 建立系统级的电能质量监测协调控制系统 电能质量控制有多种方法，如调节有载调压变压器的分接头，以保持电压稳 定，保证电压质量；局部并联电容器组，以补偿系统无功功率解决电压偏低的情 况；采用无源滤波器抑制谐波电流，通过备用发电机组和机械式双电源切换装置 ( 2 s ) 等方法对重要用户连续供电，以及采用新型的电力电子控制装置。这些方 法虽然各自独立调节，但是其调节效果又会相互影响，因此，在满足无功供给充 浙江火学硕j ：学位论文电力系统中游波的危害及治理 足的条件下，如何协调各种装置以使电能质量达到合理范围，并有效地保证系统 的经济运行显得非常重要。这就要求建立系统级的电能质量监测、分析、协调控 制系统，统一协调各电能质量控制装置的控制行为协引。 为了建立电能质量监测协调控制系统，各个电能质量控制装置应该满足“四 遥”功能要求：遥测该装置控制的电能质量状态量；遥信该装置的投切状态和故 障信息；遥控该装置的投切状态；遥调该装置的无功出力和整定值。 根据电网实际情况，电能质量监测协调控制系统可以采用集中控制、分级 ( 层) 控制或分布式控制及这几种控制的折中方案。集中控制要求将大量的实时 数据传输到控制中心，具有信息集中、计算量大的特点；分级( 层) 控制将信息 约束到一个较小的范围，上一级对下一级进行统一协调，是目前比较认可的控制 方案；分布式控制从理论上尚未形成一致认可的方案，其应用将有待于网络化控 制技术的发展，但是可能是一个极具发展潜力的控制方案。 电能质量控制属于电网运行的内容，因此电能质量监测协调控制系统应该是 e m s d m s 的子系统之一，不应该独立成自动化孤岛，但是作为过渡方案，该系统 也可以建成独立的系统。电能质量监测协调控制系统主要完成三个方面的职能： 监测全网电能质量；分析全网电能质量；协调各电能质量控制装置的动作行为。 为了完成这三个方面的职能，尚有若干系统理论和实际问题需要进一步研究。 目前地县级电网中正在推广使用的全网电压集中( 或分级) 控制系统属于上 述电能质量监测协调控制系统的初级阶段。 2 4 3 满足不同用户电能质量需求的用户电力技术 用户电力技术是美国h i n g o r a n i 博士于1 9 8 8 年提出的概念：把大功率电力电 子技术和配电自动化技术综合起来，以用户对电力可靠性和电能质量要求为依 据，为用户配置所需要的电力。电力公司( 或其他利益群体) 利用用户电力技术和 相关新设备，可使单独用户或用户群从配电系统得到用户指定质量水平的电力； 用户电力技术可以用来有效地抑制或抵消电力系统中出现的各种短时、瞬时扰 动，可使用户供电可靠性达到不断电、严格的电压调整、低谐波电压、冲击和 非线性负荷对终端电压无影响等n 们。 配电网的用户电力控制技术是在满足电能质量在一定范围内的前提下，对系 浙江人学硕士学位论文电力系统中谐波的危害及治理 统中出现的一些暂态情况以及对供电质量有更高要求的用户所提供的，是电能质 量控制的高级阶段。其中最有代表性及最具影响的有不间断电源( u p s ) 、配电系 统静止无功补偿器( d s t a t c o m ) 、有源电力滤波器( a p f ) 、动态电压调节器( d v r ) ， 统一电能质量控制器( u p q c ) 以及固态切换开关( s s t s ) 等。下面简要介绍其中 的几种。 配电系统静止无功补偿器( d s t a t c o m ) n 是将p w m 控制与电力系统并联的电 压源变流器，在配电网中有取代传统静止无功补偿器( s v c ) 的趋势，它具有响 应时间短( 1o m s ) 、补偿电流不依赖系统电压、占地面积小( 仅有同容量s v c 的 5 0 ) 、谐波抑制能力强和较好的抑制电压闪变的能力，其有功损耗也比s v c 低两 个百分点。 为了防止敏感负荷停电，通常在敏感负荷的电源侧安装不问断电源( u p s ) 。 虽然u p s 能保证敏感负荷持续供电，但大容量u p s 的价格过于昂贵，限制了它的应 用。而价格相对低廉的d v r 则是保证对敏感负荷供电质量非常有效的串联补偿装 置，它能在毫秒级内将电压跌落补偿至正常值，是抑制动态电压干扰的有效补偿 装置n 2 h 钔。 有源电力滤波器( a p f ) n 5 1 可看作可控的电流源，因而可主动快速地( 5 m s ) 补偿负荷的谐波、无功功率或不平衡电流，而且这些不同的电流成分可按需要分 别补偿，从而使非线性负荷流入系统的电流为基波电流、基波正序电流或纯基波 正序有功电流。 把有源电力滤波器( a p f ) 、动态电压调节器( d v r ) 组合起来，就是能同时 补偿电压跌落瞬时电压中断、谐波电流和谐波电压、电压闪变、系统不对称等 电能质量问题的综合补偿装置，即统一电能质量控制器( u p q c ) 。它给对电压和 电流波形都很敏感的重要负荷提供电源，还可消除非线性负荷和冲击性负荷对系 统的影响，相当于在负载和系统之间进行了隔离。 固态切换开关( s s t s ) 则具有防止停电、补偿动态电压以及防止灾害、容量 大和成本低的优点。 1 4 浙江大学硕士学位论文广域监测系统 3 广域监测系统 3 1 网络化电能质量监测系统 要对电网的电能质量进行改善，首先要对电能质量做出精确的检测和分析， 测量电网的电能质量水平，并分析和判断造成各种电能质量问题的原因，为电能 质量的改善提供依据。如今国内提出的网络化电能质量监测的策略，达到了实时 数据采集和在线监测的功能。 3 1 1 电能质量监测方式 目前，国内外对电能质量的监测方式大致分为三种：专门测量、定期或不定 期检测以及在线监测。 专门测量，即对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器组、 滤波器等在接入电网前后，测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响，通过 与国家相关标准对照，决定其是否可以投运。 定期或不定期检测，即针对普通电力干扰源，根据干扰的大小、危害程序和 需要等采取定期或不定期检测方式。定期检测多用于电网电能质量的定期普查， 主要目的是全面了解全网电能质量水平和干扰源的特性；不定期检测是针对电力 用户的特殊电能质量问题进行检测分析。 在线监测，也称为连续监测、全过程监测或日常监测等。即对于大型干扰源 如炼钢厂、电气化铁路等必须按照电能质量标准，对电压偏差、频率偏差、谐波、 电压波动和闪变、三相不平衡等指标进