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中国 海南 中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集 635 电网绿色环保与谐波污染控制 段晓波 (河北省电力研究院,河北 石家庄050021) 摘要:目前电网的谐波污染状况呈上升趋势,有的已经对电网设备的正常运行带来了一定的影响,有的则对电网的安全运行构成了潜在的威胁.随着电力体制的改革,厂网分开经营已经实现;而电网的侧重点也应从重发轻供,转移到重视供电的安全,经济,可靠,高质量上来;因此重视电网绿色环保,控制电网谐波污染是提高电能质量的关键.本文根据河北南部网谐波污染状况,以及在电能质量谐波监督中的工作体会,介绍了谐波污染给电网供用电设备和供电电能质量带来的影响和危害,论述了重视电网绿色环保,控制电网谐波污染的重要性,对需要开展的工作提出了建设性意见. 关键词:电能质量;谐波;监督管理;电网环保 1 前言 随着电网规模的不断扩大,各种大容量,重污染的用电设备接入电网,电网的谐波污染状况呈逐渐上升趋势,有的已经对电网设备的正常运行带来了一定的影响,有的则对电网的安全运行构成了潜在的威胁.因此,电网的谐波污染情况需要引起重视,各级政府和电网管理部门应加强谐波技术监督监测,进一步开展相关的谐波新技术研究,技术规程规范的制定,谐波污染治理等方面的工作.同时,随着电力体制的改革,厂网分开经营已经实现;而电网的侧重点也应从重发轻供,转移到重视供电的安全,经济,可靠,高质量上来;因此重视电网绿色环保,控制电网谐波污染是提高电能质量的关键.现根据河北南部电网的谐波污染状况和开展的一些工作,谈几点体会和看法. 2 电网谐波源与污染情况2.1电气化铁道产生的谐波对电网的影响电气化铁道是电网最大的谐波和负序污染源,是造成电网供电电能质量不合格的重要原因,目前河北南网已经运行的电气化铁道牵引站有 22 座,其谐波污染程度不容忽视,南网电气化铁道及谐波污染情况如下. 石太电气化铁道于 1979 年投运,在河北段有两座牵引站,分别为井南和南新城牵引站;电铁投运初期,该两牵引站原在微水电厂110kV母线供电,由于电气化铁道产生的谐波和负序,致使微水电厂2台50MW机组机端振动发热,保护动作,机组不能正常运行.为了解决微水电厂机组问题,被迫在该区增设了一座220kV变电站,耗资巨大,到目前为止,该站的负荷仍然很小,造成了投资的浪费. 京郑电气化铁道,在河北南网共有 10 座牵引站,在京郑电气化铁道投运前,我们对河北南网接入电铁的220kV变电站110kV母线的背景谐波进行了测试,110kV母线电压总畸变率在0.7%--1.2%之636 中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集 中国 海南间;而电铁投运后,220kV 变电站 110kV 母线电压总畸变率上升到1.2%--3.1%之间;已经超过了"谐波国标"GB/T 14549-93对110kV 母线电压总畸变率2%的限值;而谐波电流更是远远超过了谐波国标规定的限值. 电铁谐波超标,造成为其供电的 220 kV 变电站110kV母线电压波形严重畸变,致使保护发出动作信号,严重影响系统的安全运行.而由于谐波的污染也造成铁路本身供电系统电能质量的不合格,站台信号受到干扰等. 朔黄电气化铁道在河北南网共设有 10 座牵引站,至今已全部开通.由于目前负荷较小,谐波问题尚不突出;但在电力机车通过时,相应母线的电压畸变率明显增大,有的已达到和略超国标的限值.通过对电铁供电方案的谐波分析,当铁路运量上来以后,谐波超标将会比较突出. 2.2 冶金,轧钢等产生的谐波对电网的影响 电网的谐波源除了电气化铁道,还有冶金铸造,轧钢,电弧炉等大容量谐波源,也是造成电网供电电能质量不合格的主要原因. 如邯郸供电公司某站主供冶金铸造负荷,该用户产生的谐波污染严重,随着生产规模的扩大,近几年对系统的影响也越来越严重.1997 年11 月该站#3,#4电容器组投运后损坏严重,保护频繁动作, 仅 99 年 1-5 月份就动作 26 次,造成电容器组不能正常投入运行.1999年8月3日该站UFV-2A型低频低压减载装置误动,使该站的 8 路 35KV 出线, 9路6kV出线,总计17路开关跳闸.经现场检查装置发现 l10kV 电压谐波严重超标,其误动的主要原因是由于高次谐波干扰,使计算机程序紊乱,造成计算错误所致;目前该污染源用户正在实施具体的治理措施.邯郸夏庄站 220kV 供邯钢 220kV 连轧站,2000年因邯钢的谐波注入系统,曾造成220kV保护误发信号. 邢台供电公司谐波监测站监测到石门,柏乡,康庄和羊范 220kV 变电站的 110kV 母线谐波含量呈逐增趋势,尤其是石门站110kV母线电压总畸变率严重超标,高达6.4%,超出国标允许值3.2倍.严重地威胁设备的安全可靠运行.造成石门站 110kV 母线电能质量不合格原因是邢钢高线负荷;经邢钢对其一,二高线谐波进行治理,在其滤波器组投运时,石门站 110kV 母线电压总畸变率大大下降,其谐波电压畸变率指标在国标限值以内.造成康庄和柏乡站110kV母线电能质量不合格原因是电气化铁道. 保定地区某变电站曾因谐波原因引起保护动作,原因是该站所带保定钢厂谐波含量超标,造成保护动作.保定钢厂共有电炉变压器2台,容量为25000KVA,现由一私人承包生产,由于其资源掠夺性经营,承包人对谐波的治理不愿投入资金;而真正的产权单位又退出经营,也没有能力投入治理资金.小钢厂群的谐波也比较典型,这些小钢厂一般为 RGPS 系列感应加热晶体管中频电源,多为个体企业,具有较强的短期行为;这部分的谐波问题比较典型,在其开工运行时谐波超标,需要进行系统综合治理. 沧州某县局10kV电弧炉用户开炉时,谐波电流明显增大,谐波电压畸变率升高,造成 10kV 线路出口过流跳闸,10kV母线电压波动. 2.3 其他谐波源产生的谐波对电网的影响造成电网供电电能质量不合格的主要原因,还有化工等整流设备;另外大量使用的计算机,各种电子设备,新型家用电器等,也产生大量的谐波污染. 如邯郸某 l10kV 变电站 l0kV 有四路出线供一化工厂用户,该厂设备陈旧,其产生的谐波对系统影响严重.该系统变电站装设有三组共 10.8MVar并联电容器,分别串联有 4.5%和 12%电抗率的电抗器,投运后电容器出现严重的过负荷,噪音异常,个别电容器投运后不久就发生鼓肚现象,保护动作开关跳闸.该站谐波对邯郸热电厂的保护及自动装置也带来了一些不利的影响,曾多次发生过保护误动故障和造成保护装置频繁启动.该站 10KV 出线有二十多回,由于化工厂谐波大量的注入系统,给在该站供电的其它用户也造成了严重影响.如邯郸铁路供电段曾发生误发信号,铁路部门找到供电公司,在110KV中心站建成投运后强烈要求改为由中心站 10KV 供电.邯郸电镀厂和邯郸市面粉厂由于该化工厂谐波的影响,电容器经常损坏不能投入运行,致使该厂功率因数不符合要求被罚款. 衡水供电公司某110kV变电站,1999年至2001年 10kV 两组电容器经常跳闸,不能投入运行.经过测试分析,原因是该站所带化工厂为整流负荷,产生较大的谐波电流,注入系统所至. 沧州某110kV变电站,无功补偿电容器组所串电抗率为 4.5%,出厂试验噪声 52dB,符合国标要求;现场运行中实际噪声67.6dB,超出国标要求.经测试分析,造成现场噪声较大的原因是5次谐波电流较大,在浇注式空心电抗器壳体内产生音频谐振.沧州某 220kV 变电站,10kV 母线配备 4.5%,中国 海南 中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集 637 12%两种电抗率的电容器组,10kV 母线电压中3次谐波含量较高,当先投入4.5%的电容器组,再投入12%的电容器组时就会将4.5%的电容器组顶跳. 石家庄某1l0kV变电站10 kV母线接有谐波源用户,母线谐波电压总畸变率严重超标,该站变压器母差微机保护一年中两次动作,造成大面积停电.石家庄供电公司在九十年代中期的一次谐波普测时,共测试了二十座变电站,三十条母线,其中有九座变电站,十条母线,四十一个谐波电压数据超出国标限值;电压总畸变率有六座变电站,六条母线,十六个数据超出国标限值. 衡水变电某站电容器经常跳闸,有时不能正常投运.2003年11月和2004年3月测量10kV母线电压总畸变率超过10%,超过谐波国标限值150%以上,给供电设备带来严重的隐患. 西柏坡,衡水等电厂近两年来对厂用电系统进行了节能改造,新上了多台变频调速设备.经过电研院对相应变频设备投入前后的测试表明,各电厂厂用母线谐波电压畸变率水平都有不同程度的增高.如果谐波畸变过大,将会引起计算机等自动控制系统的紊乱;应该引起电厂方面的注意,在选择变频设备的同时,提出谐波指标的限制值. 河北南网500kV变电站中谐波电压水平较高,经过省电研院和超高压公司共同对沧西,廉州,蔺河,保北四座500kV变电站进行的测试试验研究,由于目前高压系统中普遍采用电容式电压互感器(简称CVT),而CVT对谐波有畸变作用,因此通过CVT二次侧得到的电网谐波电压畸变数据是不真实的. 3 近几年河北南网谐波开展的主要工作 为了加强对各谐波污染源的监督监测,掌握第一手资料,各供电公司对谐波污染比较严重的用户和系统公共母线,装设了谐波在线监测装置.并加强了在线监测装置的运行维护和数据的搜集和整理分析工作.加强了电能质量谐波监督管理,逐步开展了谐波专项治理工作,进行谐波测试新方法的研究等. 3.1 谐波监督及治理方面 在省公司谐波监督中心的指导下,各供电公司积极深入地开展谐波治理及研究工作,使谐波监督工作不只停留在测量阶段,而是把工作重点放在从根本上提高电网供电质量上来.通过几年的摸索工作,使网内一些大的谐波源用户得到了治理. 邢台邢钢一高线,二高线,三高线谐波治理工程,在邢台钢厂一高线和二高线设计之初,电研院与邢台供电公司帮助钢厂对该工程的谐波滤波方案进行技术可行性审查,发现了其滤波器设计参数的错误,使邢钢对滤波器设计及时进行了变更,避免了投资的浪费和危及电网的情况出现.在沧州供电公司和省谐波监督中心的不懈努力下,完成了沧州谐波污染大户黄骅氯碱厂的滤波工程的设计,安装和调试工作,使滤波工程及时投入运行,不仅减少了该厂对电网的谐波污染,还提高了用户的功率因数,该用户从功率因数不达标罚款到受奖励,使用户得到了直接的经济效益,两年多收回滤波工程的投资;也使电网的谐波污染得到了有效的控制.石家庄供电公司通过谐波监督工作,使石家庄钢厂,鹿泉钢厂等滤波工程得以实施,从而使得该类用户的谐波污染得到了有效的控制.石家庄赵县供电局对网内的较小谐波源用户进行了调整,将一批有谐波污染的用户集中供电,在变电站集中进行谐波治理;这样既保证了其他公共供电点的电能质量,同时也使小的谐波用户群的谐波污染得到了有效控制. 省谐波监督中心还为各基层单位从技术上把关,严格控制新增谐波源向网内的谐波注入.各供电公司生技部门与计划,用电等部门统一协调,在新增设备报装时就增加了谐波评估及测试工作.如完成了新奥化工公司,辛集钢厂等谐波源用户接入系统的背景测试及评估. 3.2 谐波专题研究工作除了正常的谐波监督管理工作,还开展了多项研究工作.在京郑电气化铁道,朔黄电气化铁道接入系统之前,电研所,设计院,局生计部,各相关供电局就开展了电铁接入系统的危害的研究,从多种供电方案的选择到谐波指标的仿真计算,最终确定了谐波污染相对较小的供电方案,从而避免了由于谐波问题造成的线路跳闸和大面积停电事故和主设备损坏事故.开发了谐波在线监测管理系统,使电铁谐波等用户造成的谐波污染得到了有效的监测,为进一步治理提供了详实的数据.完成了CVT对谐波测量影响的对比测试研究工作,开发了解决CVT谐波失真的专用测量装置,解决了CVT不能用于谐波测量的难题. 4 加强电网环保控制谐波谐波污染的几点建议 尽管这几年各电网公司在谐波管理上做了一638 中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集 中国 海南 些工作,但相对于目前电网谐波污染的严重情况和电网安全稳定运行的迫切要求,还有很大的距离.这就要求我们电网的各级管理部门,进一步加强领导和管理,在政策和技术以及资金上有所侧重.在具体工作上,今后应该加强和开展如下几项主要工作. 加强谐波监督的技术管理,重点是抓谐波监督落实.各级管理部门要进一步完善组织机构,建立健全技术台帐.各供电公司要定期对220kV及110kV站进行谐波普测和数据汇总,幷加快基层供电局电能质量谐波监督机构的建立,做到谐波监督从大用户,基层县供电局,从源头抓起. 配合电网需求侧管理,开展配网谐波监督管理的研究工作,制定出一套行之有效的管理方法.各供电公司应加强城市电能质量的监测和治理,完善谐波源用户台帐,严格控制新的污染用户接入系统.对网内新上变电站进行谐波论证审查,进行投运时的谐波测试.这就要求计划,设计,用电,生技等部门协调一致,统一管理. 各省公司谐波监督中心要逐步建立电磁兼容和谐波标准实验室,开展电磁兼容方面的专题研究.针对目前电能质量监督和电网安全运行的需要,研究制定谐波在线监测装置的运行规程;研究制定成套滤波装置的验收测试规范;研究制定电能质量谐波分析仪器和测量设备的定期检测检验规程等. 开展谐波问题的专题研究,进行变电站电容器组谐波放大问题的仿真研究,对有问题的变电站应制定出解决的措施,制定相关运行方式及规程.建立谐波MIS网,实现谐波数据的共享,同时为各级运行和管理人员提供及时的信息和有效的数据.进一步开展CVT谐波问题的研究,推广新的谐波测试方法,从根本上解决谐波国标中规定CVT不能用于谐波测量的问题. 面对目前电力紧缺和电能质量下降的双重局面,开展城市居民小区的谐波研究和治理等项工作,实现节能和提高供电电能质量的双重目的. 对大型的谐波治理工程,根据电网运行安全性要求,从电网用户的整体利益出发,应严格按照谐波国标和电能质量技术监督的具体要求,进行技术可行性审查和滤波工程投运的验收工作. 各电厂应加强机组及辅机的谐波测试分析工作,加强系统谐波电流注入机组的监测,监视,预防危及机组安全情况的出现.研究发电厂厂用系统变频改造给厂用电带来的谐波污染问题,制定有效的对策,防止由于谐波污染造成的控制系统紊乱,保障发电设备的安全. 5 结束语 提高电能质量是每个发供电企业最根本的任务之一,尤其对供电企业来说,电能质量谐波是衡量电能这一唯一产品的重要指标.只有为千家万户提供高质量的电能,才能为社会创造巨大的物质财富,同时也给电网带来更大的经济效益.因此,重视电网绿色环保,控制电网谐波污染是电网运行管理的重要工作. 参考文献 [1] 吕润馀•电力系统高次谐波•中国电力出版社•1999年5月 [2] 段晓波•饶群•河北南网谐波实时监测与管理网•中国电机工程学会高次谐波专业委员会•第五次高次谐波学术会议论文集•2002年9月 [3] 段晓波,张立群,饶群,郝剑欣•500kV变电站谐波测试方法•中国电力出版社•第二届电能质量国际研讨会论文集•2004年5月 作者简介: 段晓波,(1959-),男,高级工程师,河北省电力研究院电气所主任工程师,华北电力技术院院级专家,河北电力技术院电力系统专家组组长,1983年毕业于清华大学电机系,主要从事电网试验研究,电能质量技术监督等工作.