張燁林

（南京鋼鐵聯(lián)合有限公司，南京 210000）

冶金企業(yè)供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量控制

張燁林

（南京鋼鐵聯(lián)合有限公司，南京 210000）

冶金企業(yè)由于其設(shè)備高功率、大容量、多感性負(fù)載及非線性負(fù)載等特點，其供配電網(wǎng)電能質(zhì)量對冶金企業(yè)的安全穩(wěn)定生產(chǎn)意義重大。針對冶金企業(yè)供配電系統(tǒng)存在的電壓偏差、電壓波動和諧波污染等電能質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因和對正常生產(chǎn)的危害進(jìn)行了簡要分析，并提出了相應(yīng)的解決方法，為提高改善冶金企業(yè)供配電網(wǎng)電能質(zhì)量提供行之有效的技術(shù)途徑。

冶金企業(yè)；供配電系統(tǒng)；電能質(zhì)量

0 引言

長達(dá)十多年的經(jīng)濟(jì)高速增長成功地促進(jìn)了我國基礎(chǔ)建設(shè)、原料工業(yè)和能源等行業(yè)的快速增長，冶金工業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也得到了高速增長。此過程中，冶金企業(yè)對能量的需求逐年提升，對電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響巨大［1］。為保證冶金企業(yè)配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須對電能質(zhì)量進(jìn)行有效控制。

電能質(zhì)量即電網(wǎng)供給用戶的電能品質(zhì)。一般來說，即是電網(wǎng)的優(yōu)質(zhì)供電，包括供電質(zhì)量和用電質(zhì)量；對于冶金企業(yè)來說，電能質(zhì)量問題是導(dǎo)致用戶設(shè)備失效或不能正常工作的電壓偏移、電壓波動或諧波污染，即冶金企業(yè)供配電系統(tǒng)中電壓和波形的質(zhì)量［2］。

1 冶金企業(yè)電能質(zhì)量特點

1.1 能耗大，負(fù)荷高度集中

冶金行業(yè)屬于高耗能行業(yè)，冶金工廠擁有為數(shù)眾多的大型設(shè)備，這些設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)都依托電力驅(qū)動。并且隨著冶金行業(yè)的發(fā)展，很多冶金企業(yè)大力開展擴(kuò)容改造工程，隨之而來的是廠內(nèi)變壓器的負(fù)載激增。冶金企業(yè)不僅有高電壓高功率的電爐、制氧機(jī)，還有大功率電動機(jī)等傳動設(shè)備，也存在著大量的照明等普通居民生活用電設(shè)備。

1.2 無功補(bǔ)償和諧波治理問題突出

冶金工廠里電磁加熱爐和軋機(jī)等電動機(jī)設(shè)備均屬于感性負(fù)荷，高電壓、大電流設(shè)備運(yùn)行時起制動頻繁、負(fù)荷沖擊大。大量感性負(fù)載的投入使電網(wǎng)功率因數(shù)降低，電壓降落快，增加線路損耗。在電力驅(qū)動上，大量使用變流器驅(qū)動、交流電動機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動及電力電子裝置等非線性器件。非線性負(fù)載將產(chǎn)生大量諧波污染，危害電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。所以諧波治理是控制冶金企業(yè)電能質(zhì)量的重要任務(wù)。

1.3 電機(jī)啟動對電壓影響明顯

大功率電動機(jī)啟動分為降壓啟動和全壓啟動兩種方式.電機(jī)全壓啟動時，需要配電網(wǎng)提供8～10倍的啟動電流，對拖動機(jī)構(gòu)會產(chǎn)生巨大的沖擊轉(zhuǎn)矩，并且造成輸電線路上較大的電壓降落，對用電設(shè)備的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的損害，然而，全壓啟動操作簡單，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)。降壓啟動通過改變電機(jī)連接方式，或借助自耦變壓器降低電壓和啟動電流來啟動電力拖動設(shè)備，電流性能穩(wěn)定，然而轉(zhuǎn)矩特性不好，特別是對于有載啟動，往往不能達(dá)到轉(zhuǎn)矩要求。

1.4 用電設(shè)備對電能質(zhì)量要求高

冶金工廠設(shè)備大多要求連續(xù)生產(chǎn)，且其電力二次設(shè)備涉及生產(chǎn)的測量、檢測，精密儀器對電能質(zhì)量有著較高的要求。對于軋機(jī)、電爐等負(fù)荷來說，電壓驟降或突然失壓等情況都會造成次品率上升［3］，甚至安全事故，且冶煉設(shè)備功率大，無法配備UPS等電源，只能依賴對電能質(zhì)量的控制。

2 冶金企業(yè)電能質(zhì)量控制措施

2.1 電壓偏差控制

供配電網(wǎng)正常運(yùn)行時，由于線路損耗或系統(tǒng)無功功率不平衡，實際電壓與標(biāo)稱電壓存在偏差。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電壓允許偏差指電力系統(tǒng)中實際電壓偏離標(biāo)準(zhǔn)額定電壓值的百分比，并強(qiáng)制要求如下考核標(biāo)準(zhǔn)：對于35kV及以上電壓等級，其正負(fù)偏差正負(fù)絕對值之和小于10%；10kV及以下電壓等級，其偏差正負(fù)絕對值之和小于7%；對于居民用電單相220V，其電壓偏差值應(yīng)保證-10%～7%的區(qū)間。

針對電壓偏差問題，可以通過兩個方法來控制系統(tǒng)電壓：一是通過降低系統(tǒng)等效阻抗，調(diào)節(jié)變壓器分節(jié)頭即控制變壓器變比來控制電壓降落水平，使線路保證較高電壓水平，其原理如圖1。合理安排電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證三相電壓平衡。二是在供配電系統(tǒng)內(nèi)裝設(shè)容抗器等無功補(bǔ)償裝置，在長距離輸電線路上可采用電纜，以補(bǔ)償無功功率，原理如圖2。增加導(dǎo)線橫截面積，減小線路阻抗也可有效降低線損，從而保證電壓水平。

2.2 電壓波動控制方法

在冶金企業(yè)的配電網(wǎng)里，配電網(wǎng)電壓波動主要由大型負(fù)載啟停引起。大型負(fù)載接入配網(wǎng)啟動時，汲取大量啟動電流，拉低電網(wǎng)電壓，系統(tǒng)阻抗值增大，進(jìn)一步增加電網(wǎng)電壓損耗，短時間內(nèi)使電壓閃變。對于冶金設(shè)備來說，電壓波動可能導(dǎo)致同步電機(jī)轉(zhuǎn)子震動，過電壓可能擊穿電子設(shè)備，損壞設(shè)備。

對于風(fēng)機(jī)、水泵等電動機(jī)設(shè)備對電壓的影響，采用合理的啟動方式即可有效地減小電機(jī)啟動壓降。低電壓降壓啟動時，可用自耦變壓器提供無功支撐，從而保證電網(wǎng)電壓水平；高壓電機(jī)降壓啟動時，可采用水電阻增大阻抗，從而降低串入電機(jī)的電壓；如果拖動電機(jī)能承受電機(jī)全壓啟動的電磁沖擊和機(jī)械轉(zhuǎn)矩沖擊時，應(yīng)采用全壓啟動［4］。

針對電壓短時波動問題，主要治理思路是優(yōu)化配電網(wǎng)運(yùn)行方式，對大負(fù)載采用單獨(dú)供電方式。如對于大容量大功率電爐或中高頻加熱爐可以直接接入變壓器，由單臺變壓器單獨(dú)供電；針對軋機(jī)等沖擊性負(fù)荷，可以通過裝設(shè)電容、FC或SVC等無功補(bǔ)償裝置來吸收短時無功功率，減小沖擊電壓。其補(bǔ)償方案比較見表1。

表1 電容、SVC和FC的電容補(bǔ)償

2.3 供配電系統(tǒng)諧波控制

冶金企業(yè)各種冶煉爐、電弧爐和傳動電機(jī)調(diào)速器等包含大量電力電子器件，大量非線性負(fù)載的接入使得冶金企業(yè)配電網(wǎng)中諧波問題十分突出。諧波是由一系列角頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦波疊加而成，即在數(shù)學(xué)上是由不同幅值，不同頻率波形疊加使基波畸變?；兊牟ㄐ螘ε潆娋W(wǎng)內(nèi)負(fù)荷造成損害，在電網(wǎng)內(nèi)造成諧波損耗，使發(fā)配電設(shè)備及用電設(shè)備效率降低，對冶煉過程中的檢測、通訊和控制設(shè)備造成干擾。電網(wǎng)諧波電壓限值見表2。

表2 諧波電壓（相電壓）限值

治理諧波的主要方式有：1）改善配電網(wǎng)內(nèi)非線性負(fù)載，如改善冶煉爐逆變器運(yùn)行方式，減少對電網(wǎng)諧波注入量。2）安裝諧波補(bǔ)償裝置，一般可以采用固定電容補(bǔ)償、靜態(tài)無功補(bǔ)償、動態(tài)無功功率補(bǔ)償?shù)取?）利用儲能系統(tǒng)冗余容量優(yōu)化控制諧波含量。

3 結(jié)語

冶煉企業(yè)在電力系統(tǒng)中具有負(fù)荷高度集中、高電壓、大功率等特點，其用電設(shè)備安全要求高，優(yōu)質(zhì)供電的需求也成了冶金企業(yè)面臨的問題之一。針對電能質(zhì)量控制問題，應(yīng)采用行之有效的技術(shù)手段，對冶金企業(yè)供配電網(wǎng)的電壓偏移、電壓波動和諧波治理問題進(jìn)行優(yōu)化改善，保證冶金過程安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，滿足冶金企業(yè)在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型期高速高質(zhì)量發(fā)展。

［1］劉精宇，蔡九菊，李小玲等.鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的發(fā)電設(shè)備及影響發(fā)電效率的因素分析［J］.中國冶金，2014（06）∶58-64.

［2］趙興.鞍鋼礦渣公司供配電系統(tǒng)設(shè)計改造研究［D］.大連理工大學(xué)，2015.

［3］段俊城.供配電系統(tǒng)的可靠性和連續(xù)性［J］.建筑電氣，2008，27（08）∶10-13.

［4］鄭德化，張衛(wèi)，魏丹等.微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析及控制［J］.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.中國四川成都，2014（07）.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.013

張燁林（1978-），男，江蘇南京人，學(xué)士，工程師，主要研究方向：電氣自動化。