一、概 述
隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，社會對電力資源的需求日益增長，用戶對電力系統(tǒng)的要求也越來越高。供電的可靠性和穩(wěn)定性已經(jīng)成為保障經(jīng)濟(jì)增長和滿足用戶需求的重要問題。我國作為裝機(jī)容量和年發(fā)電量均居世界第二位的電力大國，由于國土遼闊、動力資源與用電中心相距遙遠(yuǎn)、城鄉(xiāng)家用電器設(shè)備的大量普及，對用戶端電力電壓的穩(wěn)定性提出了更高的要求。保障供電的穩(wěn)定性也是改善內(nèi)外部投資環(huán)境、滿足人民日益增長的生活水平以及提升綜合國力的重要體現(xiàn)。
我國最早的電廠由英商旗昌洋行于1882年開辦的，最初為粵恒電燈公司，后被官商合股收購。我國市電起初主要在殖民地使用，大部分為日本的殖民地，其中東北的電網(wǎng)最大，約占全國的50%。在不同地區(qū)，110V和220V市電都有使用的經(jīng)歷。至解放前，我國還是多種電壓和頻率并存，主要是與發(fā)電設(shè)備的生產(chǎn)國制式有關(guān)。新中國成立后，統(tǒng)一了全國的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)為220V 50Hz。一方面是由于我國沿襲前蘇聯(lián)的制式;另一方面，因為我國國土幅員遼闊，供電半徑要比美洲國家大，出于降低能耗，減少農(nóng)村、山區(qū)用電成本的目的，我國采用的是比美洲發(fā)達(dá)國家更高的市電電壓制度。
220V電壓與110V電壓相比的優(yōu)點：第一，傳輸耗電小，減少了能量損耗;第二，傳輸相同電量，在損耗相同的情況下，使用的導(dǎo)線橫截面積要小一倍，節(jié)約了大量的金屬資源;第三，相對減少了變壓器的工作負(fù)荷，使變電這一關(guān)鍵而又脆弱的節(jié)點有了更多的安全保障;第四，對偷盜電力設(shè)備的行為客觀上產(chǎn)生了遏制。
二、影響電源穩(wěn)定的因素
影響電源穩(wěn)定的因素主要是兩點：不穩(wěn)定電壓和諧波。本文著重從這兩方面分析探討。
(一)電壓不穩(wěn)定的危害
在現(xiàn)代工業(yè)用電中，一種電氣設(shè)備出現(xiàn)故障就會導(dǎo)致流水線、甚至整個工廠作業(yè)的中斷，造成難以想象的損失。對于普通用戶，家用電器長時間在非額定電壓或頻率下工作，會嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的使用壽命。例如：長期在低于額定電壓下工作的計算機(jī)，容易出現(xiàn)重啟、程序紊亂、燒毀硬盤等情況。因此在比較重要的信息采集、數(shù)據(jù)檢測分析工作點，都要裝設(shè)在線式UPS以保證無間斷供電。
(二)電壓不穩(wěn)定的類型
電壓不穩(wěn)定主要表現(xiàn)在電壓偏差和電壓波動兩個方面。電壓偏差是在某一時段內(nèi)，實際電壓幅值“緩慢”變化而偏離了額定電壓，偏差是穩(wěn)態(tài)的，就是我們常說的電壓偏高或偏低。電壓偏差的大小，主要取決與電力系統(tǒng)的運行方式、線路阻抗及有功負(fù)荷和無功負(fù)荷的變化。電壓偏差主要是用電設(shè)備所處的位置及運行的時間，如線路末端電壓偏低，后夜電壓偏高等。
為改善電壓偏差，可采取以下措施：一是正確選擇變壓器的變壓比和電壓分接頭;二是合理減少線路阻抗;三是提高功率因數(shù)，進(jìn)行合理的無功補償，并根據(jù)電壓與負(fù)荷變化自動接切無功補償設(shè)備容量;四是按照電力系統(tǒng)潮流分布，及時調(diào)整運行方式;五是采取用載調(diào)壓手段，如選用有載調(diào)壓變壓器等。
電壓波動是在某一時段內(nèi)，實際電壓幅值急劇變化而偏離了額定電壓，偏差是動態(tài)的，就是我們所說的電壓忽高忽低。電壓波動主要是由大型用電設(shè)備負(fù)荷快速變化引起的沖擊性負(fù)荷造成的，如軋鋼機(jī)咬鋼、起重機(jī)提升啟動、電弧爐熔化期發(fā)生工作短路、電弧焊機(jī)引弧、電氣機(jī)車啟動或爬坡等都有沖擊負(fù)荷產(chǎn)生。電壓波動的大小，主要取決于電壓波動的頻度、波動量的大小及工作場所對電壓質(zhì)量的要求等。抑制電壓波動的措施一是增加供電系統(tǒng)容量，即更換大容量的變壓器，或由大的電網(wǎng)來承擔(dān)供電任務(wù);二是提高供電電壓等級;三是采用專用變壓器和專線供電;四是改進(jìn)生產(chǎn)工藝及操作水平;五是采用專用穩(wěn)壓設(shè)備等。
(三)引起電壓不穩(wěn)定的原因及解決辦法
按供電系統(tǒng)節(jié)點來看，電壓波動可分為高壓側(cè)電壓波動和低壓側(cè)電壓波動。高壓側(cè)電壓波動又可分為進(jìn)線電源處電壓不穩(wěn)定和高壓母線上電壓不穩(wěn)定。
1.進(jìn)線電源處電壓不穩(wěn)定原因分析
原因之一是上一級電源質(zhì)量不高。解決方法是更換電源或在上一級負(fù)荷處重新架設(shè)一條供電線路。原因之二是傳輸過程中(進(jìn)線電纜)存在問題。解決方法是檢查是否存在電纜破損、電纜質(zhì)量、電纜選型不正確的情況，有針對性地加以改善。
2.高壓母線上電壓不穩(wěn)定原因分析
原因之一是變壓器三相空載導(dǎo)致高壓側(cè)母線電壓不穩(wěn)定。解決方法是重新計算變壓器的負(fù)載率，更換更大一級容量的變壓器。原因之二是在變壓器負(fù)載時，大功率設(shè)備沖擊電網(wǎng)造成高壓側(cè)母線電壓不穩(wěn)定。解決方法如下 一是對大功率設(shè)備采用變頻啟動或軟啟動方式，來減少對電網(wǎng)的沖擊。二是大功率設(shè)備盡量采用高壓電機(jī)，以優(yōu)化電能質(zhì)量。三是對個別大功率設(shè)備，采用單獨無功補償裝置穩(wěn)定電壓。
3.低壓側(cè)電壓波動可分為電纜出線端電壓不穩(wěn)定、設(shè)備入線端電壓不穩(wěn)定和低壓母線上電壓不穩(wěn)定。
(1)電纜出線端和設(shè)備入線端電壓不穩(wěn)定原因分析。原因之一是外接負(fù)載功率較大導(dǎo)致的啟動電流沖擊。解決方法是優(yōu)化設(shè)備啟動方式。一是對大功率設(shè)備采用變頻啟動或軟啟動方式，來減少對電網(wǎng)的沖擊。二是大功率設(shè)備盡量采用高壓電機(jī)，以優(yōu)化電能質(zhì)量。
三是對個別設(shè)備采用單獨無功補償裝置穩(wěn)定電壓。原因之二是傳輸過程中存在問題。解決方法一是檢查電纜是否存在電纜破損等質(zhì)量問題，如有則更換電纜，如非質(zhì)量問題則存在電纜選型問題，應(yīng)重新計算電纜壓降，從配電柜出線端到設(shè)備進(jìn)線口的電纜壓降，看是否超過了5%，如果超過了，要更換大一級的電纜來進(jìn)行電能的傳輸。
(2)低壓側(cè)母線電壓不穩(wěn)定原因分析。 其原因是整個供電系統(tǒng)功率因數(shù)的問題。解決方法是提高整個供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，增大無功功率，使功率因數(shù)提高到90%以上。
(3)按交流和直流來分。按交流與直流來分，低壓側(cè)母線電壓不穩(wěn)定可分為交流電壓波動和直流電壓不穩(wěn)定。交流電主要承擔(dān)煤礦除工藝集中控制外的所有負(fù)荷;直流電主要負(fù)責(zé)供給工藝集中控制信號的電源。直流電壓不穩(wěn)定原因有三：一是電源;二是負(fù)載;三是接觸不良。解決方法一是更換電源或改善傳輸路徑;二是提高負(fù)載供電等級;三是檢查接觸裝置按設(shè)備負(fù)載。
(4)按負(fù)載來分。按設(shè)備負(fù)載來分，低壓側(cè)母線電壓不穩(wěn)定可分為帶沖擊負(fù)載的電動機(jī)引起電壓波動、由反復(fù)短時工作負(fù)載引起電壓波動、大型電動機(jī)啟動時引起電壓波動和供電系統(tǒng)短路電流引起的電壓波動。
5)帶沖擊負(fù)載的電動機(jī)引起的電壓波動。由于生產(chǎn)工藝的需要，有些設(shè)備的電動機(jī)負(fù)載是沖擊性的。如沖床、壓力機(jī)和軋鋼機(jī)等。其特點是在工作過程中負(fù)荷產(chǎn)生劇增和劇減變化，并周期性地交替。這些設(shè)備一般采用帶飛輪的電，力拖動系統(tǒng)。由于飛輪的儲能和釋能作用，拉平了電動機(jī)軸上的負(fù)載，從而降低了電動機(jī)的能耗。但因其機(jī)械慣性較大沖擊電流依然存在，所以伴隨負(fù)荷產(chǎn)生周期性交替的電壓波動不可避免。
(6)由反復(fù)短時工作負(fù)載引起電壓波動。這類負(fù)載的特點是呈現(xiàn)周期性交替的增減變化。但其交替的周期是不定值，且交替的幅值也是不定值，如吊運工件的吊車，手工交直流電焊機(jī)等。當(dāng)前企業(yè)為節(jié)能降耗在交直流電焊機(jī)上都裝設(shè)了自動斷電裝置，因此在節(jié)電的同時電動機(jī)的啟動電流和焊接變壓器的涌流卻加劇了所在電網(wǎng)的電壓波動。
(7)大型電動機(jī)啟動時引起電壓波動。目前，企業(yè)使用的電動機(jī)功率越來越大，其啟動電流(為額定電流的4~7倍)所引起的電壓波動成為一個不可忽視的問題。啟動電流不但數(shù)值很大，而且具有很低的滯后功率因數(shù)，故其電壓波動將更大。
(8)供電系統(tǒng)短路電流引起的電壓波動。由于各種原因，企業(yè)的許多高、低壓配電線路及電氣設(shè)備可能發(fā)生不同性質(zhì)的短路。在這種情況下，如繼電保護(hù)裝置或斷路器失靈就會使故障持續(xù)存在也會造成越級跳閘，輕則損壞配電裝置，重則造成大面積停電，延長整個電網(wǎng)的電壓波動時間，并擴(kuò)大波動范圍。解決方法一是合理選擇變壓器的分接頭，保證用電設(shè)備的電壓水平。二是設(shè)置電容器進(jìn)行人工補償。三是配電變壓器并列運行。四是采用電抗值最小的高低壓配電線路方案。五是線路出口加裝限流電抗器。六是大型感應(yīng)電動機(jī)帶電容器補償。七是采用電力穩(wěn)壓器穩(wěn)壓。
三、諧波的形成和危害
(一)諧波的形成
在我國，電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓，一般可認(rèn)為是50Hz的正弦波。但是由于系統(tǒng)中各種非線性元件存在，因而在系統(tǒng)和用戶處的線路都會出現(xiàn)諧波，導(dǎo)致電流或電壓波形出現(xiàn)畸變，從而影響交流電的質(zhì)量。當(dāng)電網(wǎng)中的電壓和電流波形非理想的正弦波時，即說明其中含有高于50Hz的電壓和電流成分，我們將頻率高于50Hz的電流或電壓成分稱之為諧波。
系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的非線性元件很多，例如熒光燈、各種氣體放電燈及交流電動機(jī)、電焊機(jī)、變壓器、變頻器等，會產(chǎn)生高次諧波電流。
諧波在電網(wǎng)誕生的同時就是存在的，因為發(fā)電機(jī)和變壓器都會產(chǎn)生少量的諧波。現(xiàn)在由于產(chǎn)生大量諧波的用電設(shè)備不斷增加，并且電網(wǎng)中大量使用的并聯(lián)電容器對諧波非常敏感甚至?xí)糯笾C波，使得諧波的影響越來越嚴(yán)重，從而引起人們的重視。
(二)諧波造成的危害
1.加大電力運行成本。由于諧波的頻率較高，且無法自然消除，因此當(dāng)大量諧波電壓、電流在電網(wǎng)中游蕩并積累疊加會導(dǎo)致?lián)p耗增加、電力設(shè)備過熱，從而加大了電力運行成本，增加了電費的支出。
2.降低了供電的可靠性。諧波電壓在許多情況下能使正弦波變得更尖，不僅導(dǎo)致變壓器、電容器等電氣設(shè)備的磁滯及渦流損耗增加，而且使絕緣材料承受的電應(yīng)力增大。諧波電流能使變壓器的銅耗增加，所以變壓器在嚴(yán)重的諧波負(fù)荷下將產(chǎn)生局部過熱，從而加速絕緣老化，大大縮短了變壓器、電動機(jī)的使用壽命，降低供電可靠性，極有可能在生產(chǎn)過程中造成斷電的嚴(yán)重后果。
3.引發(fā)停電事故。繼電保護(hù)自動裝置對于保證電網(wǎng)的安全運行具有十分重要的作用。但是，由于諧波的大量存在，易使電網(wǎng)的各類保護(hù)及自動裝置產(chǎn)生誤動或拒動，特別在廣泛應(yīng)用的微機(jī)保護(hù)、綜合自動化裝置中表現(xiàn)突出，引起區(qū)域電網(wǎng)瓦解，造成大面積停電惡性事故。
4.對弱點系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生干擾。對于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、有線電視、報警與樓宇自動化等弱點設(shè)備，電力系統(tǒng)中的諧波通過電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)與傳導(dǎo)方式耦合到這些系統(tǒng)中，產(chǎn)生干擾。其中電感應(yīng)與靜電感應(yīng)的耦合強(qiáng)度與干擾頻率成正比，傳導(dǎo)通過公共接地耦合，有大量不平衡電流流入接地極，從而干擾弱點系統(tǒng)。
5.對電力電纜的危害。由于諧波次數(shù)高頻率上升，再加上電纜導(dǎo)體截面積越大趨膚效應(yīng)越明顯，從而導(dǎo)致導(dǎo)體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減少。另外，電纜的電阻、系統(tǒng)母線側(cè)及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián)，提高功率因數(shù)用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián)，在一定數(shù)值的電感與電容下肯能發(fā)生諧振。
(三)消除諧波的措施
1.改善供電系統(tǒng)和環(huán)境。諧波的產(chǎn)生不可避免，但通過加大供電系統(tǒng)短路容量、提高供電系統(tǒng)的電壓等級、加大供電設(shè)備的容量、盡可能保證三相負(fù)載平衡等措施都可以提高電網(wǎng)抗諧波的能力。選擇合理的供電電壓并盡可能的保持三相平衡，可以有效的減少諧波對電網(wǎng)的危害。諧波源由較大容量的供電點或高一級電壓的電網(wǎng)供電，承受諧波的能力會增大。對諧波源負(fù)荷由專門的線路供電，減少諧波對其他負(fù)荷的影響，也有助于集中抑制和消除高次諧波。
2.三相整流變壓器采用Yd或Dy聯(lián)結(jié)。這種聯(lián)結(jié)可以消除3的整數(shù)倍的高次諧波。由于電力系統(tǒng)中的非正弦交流對橫軸對稱，不含直流分量和偶次諧波分量，因此系統(tǒng)中只有影響較小5、7、11……等次諧波分量，這是抑制整流變壓器產(chǎn)生高次諧波干擾的最基本方法。
3.加裝無功補償裝置。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無功補償裝置，可有效較少波動的諧波量，同時，可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡，還可補償功率因數(shù)。
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