輸配電電網(wǎng)全電流和全電壓分析研究

序

Analysis and Study of Full Current and Full Voltage in Power Transmission and Distribution Network

電網(wǎng)中普遍存在諧波，在輸配電電網(wǎng)中是全電流、全電壓，若處置不當(dāng)，將引起諧振放大，甚至造成嚴(yán)重事故。當(dāng)前輸配電電網(wǎng)中的電氣元件、設(shè)備普遍都是按基波電壓設(shè)計(jì)、選型的，在輸配電電網(wǎng)中諧波嚴(yán)重時，主變、抑制諧波的電抗器、線纜、補(bǔ)償濾波裝置等都不能按傳統(tǒng)的基波電流、基波電壓設(shè)計(jì)、選型，否則將引起諧振放大，甚至造成嚴(yán)重事故。這需要現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和手冊的清晰、準(zhǔn)確的描述并有相應(yīng)的措施;設(shè)計(jì)院要正確選型;生產(chǎn)企業(yè)要對項(xiàng)目系統(tǒng)分析、安全校核，正確的選用元件設(shè)備、裝置;生產(chǎn)企業(yè)要以全電壓設(shè)計(jì)、生產(chǎn)。這樣輸配電行業(yè)設(shè)備、裝置和電網(wǎng)的電能質(zhì)量都將會有一次質(zhì)的飛躍。

Abstract

Harmonic wave is a phenomenon widely existing in power grid,Full current and full voltage input into Transmission and distribution network devices will result in resonance amplification and even serious accidents if they are not appropriately processed.Current design and production of electrical components of power transmission and distribution network are based on the fundamental voltage，Serious harmonics in transmission and distribution networks，Transformer, harmonic suppression reactor, cable and filter compensation device can not be designed by traditional fundamental current and fundamental voltage, otherwise, harmonic amplification and even serious accidents will happen.the relevant standards and manuals should clearly and accurately describe it and its corresponding measures;The design institute should choose appropriate device types;The enterprises in manufacturing enterprise should be responsible for analysis of project system,safety checking and appropriate component selection;The production enterprise should design and produce according to the full voltage.Power quality of power transmission and distribution industry and power grid.

關(guān)鍵詞： 諧波 全電流 全電壓 變壓器 線纜 電容器 電抗器

Keywords: Harmonic wave，F(xiàn)ull current, Full voltage , Transformer ，Cable， Reactor

我們期待的穩(wěn)態(tài)電壓、電流為理想的正弦波【1】
,即：

u(t)=Umcosωt ( 1 )

i(t)=Imcos(ωt+φ) ( 2 )

但系統(tǒng)中總存在各種非線性負(fù)荷，或者，某些元件因運(yùn)行區(qū)域的改變呈現(xiàn)不能忽視的非線性;前者最典型的是各種整流元器件，后者如磁性元件行于飽和區(qū)時。于是，系統(tǒng)中將產(chǎn)生高次諧波，即出現(xiàn)頻率為基波頻率整倍數(shù)的正弦波電量。也就是說輸配電系統(tǒng)中存在諧波。

上世紀(jì)八十年代以來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型用電設(shè)備越來越多地問世和使用，諧波的影響越來越嚴(yán)重，輸配電電網(wǎng)中普遍存在諧波。電力系統(tǒng)受到諧波污染后，輕則影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率，重則損壞設(shè)備、裝置，甚至危害電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。【2】

在諧波源配電線路中的變壓器，如整流變壓器、中頻爐變壓器、密煉機(jī)、變頻器的前端變壓器，大量焊機(jī)的的前端變壓器及其它主要負(fù)荷為各種諧波源的電源變壓器等的負(fù)荷電流的諧波電流畸變率大、諧波電壓畸變率高，有的高次諧波嚴(yán)重。此類變壓器的配電線路，線路上的各種一次元件(如投切元件、電抗器等)，線纜等;此類變壓器的配電線路的補(bǔ)償濾波裝置等也是全電流、全電壓電路。

下面以一臺2000KVA 10/0.66 的密煉機(jī)變壓器配電線路的全電流、全電壓分析為例分析：

測試一個時段604組數(shù)據(jù)，平均負(fù)荷率28.7%，平均諧波電流

在此參數(shù)時段中的相鄰7組大數(shù)據(jù)平均負(fù)荷率70.13%，平均諧波電流

此密煉機(jī)變壓器的全電壓分析：

從上表分析中得知：平均負(fù)荷率28.7%中的7組大數(shù)據(jù)的諧波電流值，由于高次諧波較重，密煉機(jī)變壓器二次繞組的全電壓已達(dá)其短路阻抗壓降的149%。密煉機(jī)變壓器二次繞組的全電壓已超過其短路阻抗壓降49%了。

主線路上的電抗器的全電流、全電壓分析：

上述密煉機(jī)前端加裝了1臺進(jìn)線電抗器，電抗率 1.5 % ，測試的604組數(shù)據(jù)28.7 %負(fù)荷率7組大數(shù)據(jù),及在進(jìn)線電抗器上的全電壓：

從上表分析中得知：28.7 %負(fù)荷率7組大數(shù)據(jù)的諧波電流值，由于高次諧波較重，密煉機(jī)進(jìn)線電抗器的全電壓已達(dá)其短路阻抗壓降的158%。就是說，70.13 %額定負(fù)荷，密煉機(jī)進(jìn)線電抗器的全電壓已超過其短路阻抗壓降58%了。

輸配電電網(wǎng)中線纜的全電流、全電壓分析

上述密煉機(jī)配電電網(wǎng)中線纜的全電流、全電壓：28.7 %負(fù)荷率7組大數(shù)據(jù)的全電壓：

從上表分析中得知：70.13 %額定負(fù)荷的諧波電流值，由于高次諧波較重，密煉機(jī)低壓側(cè)母排的全電壓已達(dá)其額定基波壓降的185%。就是說，70.13 %額定負(fù)荷，密煉機(jī)低壓側(cè)母排的全電壓已超過其額定基波壓降85%了 。

補(bǔ)償濾波裝置的全電流、全電壓分析

進(jìn)入無功補(bǔ)償裝置中的諧波電流，它與諧波源、系統(tǒng)參數(shù)和無功補(bǔ)償裝置參數(shù)有關(guān)。任何一個參數(shù)改變，Ifn也就隨之改變，電抗率越小，越接近主次諧波頻次，進(jìn)入補(bǔ)償裝置的諧波越大。

上述密煉機(jī)諧波嚴(yán)重，主次諧波為5次，且7次、11次諧波都較高，23次諧波電流高達(dá)30.8A，此補(bǔ)償濾波裝置 配置H5+H7+Hp11，此補(bǔ)償濾波裝置的主要功能元件電容器、電抗器的全電流、全電壓為：

電抗器的全電流、全電壓：

補(bǔ)償濾波裝置中的電抗器與電容器的全電流相同，電抗器的全電壓與基波電壓比值系數(shù)很高，此例中Hp11高達(dá)“9”左右。

上述分析中得知：在諧波嚴(yán)重配電電網(wǎng)中，負(fù)荷率50%左右，變壓器、電抗器(濾波電抗器除外)全電壓與基波電壓比值系數(shù)就達(dá)“100%”左右了，負(fù)荷率進(jìn)一步提高，全電壓與基波電壓比值系數(shù)就大于100%了，有的高達(dá)150%以上，現(xiàn)有的變壓器、電抗器設(shè)計(jì)資料，線纜的選擇等基本都是按基波電流、基波電壓設(shè)計(jì)和選擇的。現(xiàn)傳統(tǒng)的變壓器、鐵芯電抗器設(shè)計(jì)和運(yùn)行的磁化曲線：

全電壓與基波電壓比值系數(shù)達(dá)150%，此時密煉機(jī)變壓器鐵芯將會飽和。變壓器、電抗器鐵芯若深度飽和，將會成為諧波源，甚至可能造成事故,損壞變壓器，時常發(fā)生的變壓器、電抗器損壞，就是這個原因。

現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和手冊與全電流、全電壓理念不符

前述有關(guān)諧波的專著對于無功補(bǔ)償裝置中的全電流、全電壓有明確的分析，但指導(dǎo)工作的現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)卻規(guī)定無功補(bǔ)償裝置的：

額定電抗率：4.5%、5%、6%、12%、13%。

電抗器額定端電壓： Un=K·N·Ucn

標(biāo)準(zhǔn)中只提及基波電流、基波電壓，沒有提及諧波電流、諧波電壓。基層設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和項(xiàng)目施工單位就缺乏全電流、全電壓的指導(dǎo)和設(shè)計(jì)依據(jù)。導(dǎo)致有的設(shè)計(jì)院、用戶選用的無功補(bǔ)償裝置：電抗器(鐵芯電抗器)、電抗率都符合上述相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在諧波環(huán)境運(yùn)行中卻出現(xiàn)安全事故。 變壓器的設(shè)計(jì)中更沒有全電流、全電壓方面的指導(dǎo)和規(guī)定。

正確掌握輸配電電網(wǎng)全電流、全電壓的意義

前面闡述中理論和實(shí)踐都證實(shí)輸配電電網(wǎng)是全電流和全電壓;諧波源的主變，如密煉機(jī)主變、中頻爐主變、焊機(jī)主變、變頻主變、整流主變等變壓器，此類變壓器的配電線路，線路上的各種一次元件(如投切元件、電抗器等)，線纜等;此類變壓器配電室配置的補(bǔ)償濾波裝置等，都必須充分應(yīng)用全電流、全電壓技術(shù)，計(jì)算相關(guān)參數(shù)，選用元件，確定安全距離和安全校核裕度。

因此，清晰、準(zhǔn)確認(rèn)識輸配電電網(wǎng)是全電流和全電壓，對充分發(fā)揮輸配電設(shè)備和補(bǔ)償濾波裝置功能、確保設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。要做到這一點(diǎn)，首先必須是與此有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),《手冊》對輸配電電網(wǎng)是全電流和全電壓要清晰、準(zhǔn)確的描述及采取相應(yīng)的措施;設(shè)計(jì)院要正確選型;輸配電電網(wǎng)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)對項(xiàng)目要經(jīng)系統(tǒng)分析、安全校核，才能正確的選用元件;特別是電抗器生產(chǎn)企業(yè)要以電抗器端子全電壓設(shè)計(jì)電抗器，確保全電壓運(yùn)行中鐵芯不飽和。這樣諧波嚴(yán)重環(huán)境的輸配電電網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)、選型和電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行將會有一次質(zhì)的飛耀。

對輸配電電網(wǎng)中諧波嚴(yán)重領(lǐng)域的變壓器、電抗器、線纜、補(bǔ)償濾波裝置的全電流、全電壓分析，案例探討、事故分析及朋友們關(guān)注的問題將陸續(xù)與朋友們共享。