钢铁电能质量测试评

1钢铁厂电能质量测试评估技术梁栋1、2李令冬1、2朱明星1、2黄杰2王晓军3陈国生2曾野1、21．安徽大学电子科学与技术学院2．教育部电能质量工程研究中心3．宝钢股份冷轧厂摘要：本文介绍钢铁厂电能质量测试评估的必要性、测试评估内容、依据的标准及评估导则，通过测试评估实例说明钢铁厂配电系统存在的电能质量问题、安全经济运行问题及解决方案。1．钢铁厂电能质量测试评估的必要性钢铁厂配电系统是最复杂的非线性系统，随着钢铁生产规模迅速扩大和电力电子新技术的应用，大量的非线性、冲击性、不对称负荷产生的谐波电流、冲击无功、负序电流注入电网，使公用电网的谐波电压、电压波动与闪变、三相电压不平衡度日趋严重，不仅影响钢铁厂本身的安全经济运行，而且还使公用电网电能质量变差。为了构建安全可靠、优质高效的输配电网，必须对钢铁厂的电能质量进行系统的测试评估，并针对评估结果，系统地采取相应的技术措施，这里强调系统地测试评估和治理，可以避免局部测试评估和治理中出现顾此失彼的问题。2．评估内容短路容量计算；电能质量指标限值计算；（满足电磁兼容要求即可）母线电压、线路电流在较大工况下的典型波形和频谱；在较大工况下，功率及电能质量参数的变化趋势分析和统计报表；电压凹陷敏感负荷的供电母线电压凹陷事件波形及统计报表；从电能质量、安全运行和经济运行三个方面对配电系统进行综合评估；配电系统电能质量存在的问题及解决方案。3．评估依据的标准3．1国家电能质量标准《电能质量—电力系统频率允许偏差》（GB/T15945-95）《电能质量—供电电压允许偏差》（GB12325-90）《电能质量—公用电网谐波》（GB/T14549-93）《电能质量—电压允许波动和闪变》（GB12326-2000）《电能质量—电压允许不平衡变》（GB/T15543-95）3．2国家电磁兼容标准《电磁兼容限值中高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》（GB/Z17625.4-2000idtIEC61000-3-6:1996）《电磁兼容限值中高压电力系统中波动负荷发射限值的评估》（GB/Z17625.5-2000idtIEC61000-3-7:1996）《电磁兼容试验和测量技术—供电系统及所连设备谐波、谐间波的测量和测量仪器导则》（GB/Z17626.7-1998idtIEC61000-4-7）3．3IEEE和IEC有关标准2Electromagneticcompatibility(EMC)-part2-8EnviromentVoltagedipsandshortinterruptionsonpublicpowersupplysystemswithstatisticalmeasurementresults.IEC61000-2-8FirstEdition2002-11.《IEEE(1993)519IEEErecommendedpractiesandrequirementsforharmoniccontrolinelectricalpowersystems.Standard,IEEE519.IEEE,NewYork》3．4《电力网电能损耗计算导则》（DL/T686-1999）4．评估导则4．1限值计算（1）110kV及以上电压等级的PCC的谐波电压、谐波电流限值按照GB/T14549-93规定计算；（2）35kV及以下电压等级的PCC的谐波电流限值按照IEEE519规定计算，若计算结果大于等于国标限值的2倍，则以国标限值的2倍作为工厂内部配电网的指标限值；（3）35kV及以下电压等级的PCC的谐波电压限值按照GB/Z17625.4-2000中电压规划水平计算；（4）系统频率偏差限值按照GB/T15945-95规定计算；（5）对于冲击功率较大的轧机负荷和电弧炉负荷，按照相关国家电能质量标准计算110kV（或220kV）PCC的电压偏差、三相电压不平衡度、电压变动与闪变的限值，然后再根据高中压或高低压的短路容量比将限值往下配电网传递，若计算结果大于等于国标限值的2倍，则以国标限值的2倍作为工厂内部配电网的指标限值；对于一般负荷，中压系统PCC的电压偏差、三相电压不平衡度、电压变动与闪变按照相关国家电能质量标准计算。4．2评估要点（1）建立配电系统运行参数基础资料通过测试评估，建立较为完善的“钢铁厂供配电系统运行参数基础资料”。包括如下内容：各变电站供配电系统图；220kV、35kV、10kV各段供电母线最大和最小短路容量；各变电站供配电系统电能质量限值；标准工况下，系统频率变化趋势及统计报表；标准工况下，主要供电线路基波电压、电流、功率和谐波电压、谐波电流等参数变化趋势及统计报表；标准工况下，各供电母线电压偏差、三相电压不平衡度、电压变动与闪变等供电电压质量参数变化趋势及统计报表；电压凹陷敏感负荷的供电母线电压凹陷事件统计报表及典型事件波形。以上资料对配电系统改造、电气故障分析有极其重要的参考价值。（2）PCC电能质量评估通过测试评估，考核钢铁厂总进线的供电质量是否合格；钢铁厂配电系统的冲击负荷、非线性负荷和不对称负荷对公用电网的干扰是否在允许值以内；提出整改措施，维护供用电双方的权益。（3）安全运行评估通过测试评估，考核钢铁厂内部电网，即钢铁厂配电系统的供电质量和负荷干扰参数是否在电磁兼容规划水平及相关电能质量标准规定的范围内，提出相应整改措施，以实现配电系统安全稳定运行。（4）经济运行评估3通过测试评估，分析中压配电系统供电电压、无功潮流分布、功率因数、变压器负载率对电能损耗的影响，提出相应整改措施，以实现配电系统经济运行。4．3几点说明（1）中低压供电系统直接面向负载，负载设备额定电压大都以标称电压为准，为了评估供电电压的合理性，我们在电压偏差计算中统一以标称电压为参考电压，而不以变压器输出额定电压为参考电压。评估时需要考虑母线至设备终端的电压降。（2）中低压系统一般由钢铁厂管理，中低压系统的电能质量限值完全采用国家标准计算显得过于严格，为了达到限值要求，需要较大的技改投资，根据宝钢等钢铁厂运行经验，中压系统的电能质量只要能满足IEC电磁兼容标准和相关的IEEE标准及部分国标规定，系统能够安全运行即可。（3）测试时段内的功率冲击计算方法：一条线路冲击计算：maxminPPP，maxminQQQ；两条线路冲击合成计算：12120.5PPPPP，12120.5QQQQQ；4．4负荷的静特性与负荷电压的负偏差运行负荷的静特性可用下式表达：000000ufufPPQQufPPufufQQuf配电系统的实际运行情况是00.9961.004ff，即f变化很小，而0uu变化较大，通常00.91.10uu，甚至变化更大，因此我们主要考虑电压变化对负荷功率的影响。常见负荷的静态性能参数如下：大型电机：0.05Pu，0.5Qu中央空调：0.1Pu，2.5Qu室空调：0.5Pu，2.5Qu通风扇：0.08Pu，1.6Qu工厂辅助电力：0.08Pu，1.6Qu对于大型电机，当00.9uu时，00.995PP，00.949QQ；当01.1uu时，01.005PP，01.049QQ。对于中央空调，当00.9uu时，00.990PP，00.768QQ；当01.1uu时，01.010PP，01.269QQ。4工厂辅助电力，当00.9uu时，00.992PP，00.845QQ；当01.1uu时，01.008PP，01.165QQ。由上述计算可以看出，对于大多数工厂负荷，当供电电压在额定电压的以内变化时，有功变化很小，但无功功率变化很大。为此，美国在上个世纪90年代就把工厂负荷电压的负偏差运行作为重要的节电措施来大力推广。因此我们在经济运行评估时，认为终端电压大于额定电压3%，视为不符合节电运行要求。5．测试评估结果和主要结论的内容5．1测试评估的主要结果（1）主要供电变压器负载功率一览表报表内容包括：变电所序号、变压器序号、变压器容量、。变压器额定电压、平均有功功率、平均无功功率、平均视在功率、平均负载率、平均功率因数、有功冲击、无功冲击。（2）主要供电母线电能质量参数一览表报表内容包括：变电所序号、供电母线编号、短路容量（最大、最小）、电压偏差（最大正偏差、最大负偏差、平均偏差）、电压总谐波畸变率、主导谐波电压含有率、三相电压不平衡度、电压闪变的95%概率大值、电压变动（3）主要供电线路电流、谐波电流及功率一览表报表内容包括：变电所序号、供电线路编号、基波电流（最大、最小、平均）、电流总谐波含量、主导谐波电流含量、平均功率（有功功率、无功功率、视在功率、功率因数）、有功冲击、无功冲击。（4）电压凹陷事件一览表（略）5．2测试评估的主要结论的内容按变电所给出：电能质量评估、经济运行评估、安全运行评估的结论，并给出相应的建议解决方案6．测试评估举例6．1某冷轧厂IGBT交－直－交变频轧机的高次谐波问题与解决方案（1）某冷轧厂配电系统示意图其他负载滤波器组交－直－交变频器轧机80MVA110kV10kVI1I2图1冷轧厂配电系统示意图5（2）高次谐波问题I2为谐波电流源负载，68次高次谐波电流为其特征谐波电流，I1为总进行电流，由于电缆分布电容与系统阻抗并联谐振，使进入I1的68次谐波电流放大3倍左右，HRU68高达8.1%，THDU高达13.5%，严重超过电磁兼容限值（8%）致使该厂自动控制装置烧坏，变压器发热，每年谐波损耗高达48万kWh，严重影响系统安全经济运行。图2、表1、图3、表2、图4、表3分别为I1、I2的波形与频谱图和报表，网络阻抗谐波电流系数和报表。A.电压U和总进行电流I1的波形与频谱图、报表图2电压和电流的波形和频谱图表1主导谐波电压和谐波电流（C相）h60626364656667686970()hUV80100801402604209045013090HU42.5(%)hHRU1.51.91.52.54.77.61.78.12.41.6(%)uTHD13.5)(h108.52.826.719.722.2-163.884.9-131.0-135.2-133.6)(AIh6758162762785HI47.6)(h-158.197.9123.0115.7116.3-72.2-178.3-38.9-46.8-43.7hh-93.4-95.1-96.3-96.0-94.1-91.6-96.8-92.1-88.4-89.9hh在第三象限，说明h次谐波电流是流向系统的。6B.电压U和IGBT交－直－交变频器支路电流I2的波形与频谱图、报表图3电压和电流的波形和频谱图表2主导谐波电压和谐波电流（C相）h5660646566676869()hUV60706019056026036070HU771.3(%)hHRU1.01.31.13.410.24.76.61.3(%)uTHD14.1)(h161.2-34.952.067.7-94.4-66.8140.6165.6)(AIh1.02.02.04.011.05.07.02.0HI22.0)(h-79.181.0-171.7-154.243.784.0-67.9-56.9hh-119.7-115.9-136.3-138.1-138.1-150.8-151.5-137.5hh在第三象限，说明h次谐波电流是流向系统的。对比表2和表1的数据，可以看出，变频器产生的68次左右的谐波电流被放大3倍左右。7C.网络阻抗谐波电流系数仿真结果01020304050607080012345678KhHarmonicorder图4配电网的谐波电流系数表3谐波电流系数报表h2345678910111213hK1.10.371.540.130.980.10.430.520.560.590.610.63h171923252931353741434749hK0.670.680.720.7