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电力网络无功补偿和谐波治理的技术措施陕西电力科学研究院陕西银河中试测控技术有限公司武云生目录•1.我国电力网络的现状和发展方向•2.无功补偿•3.抑制谐波影响的技术措施•4．谐波的测量与计算分析•5.治理实例个人简历•武云生，男，1964年1月生，西安交通大学毕业，高级工程师，现任中国电气工程学会高次谐波专委会委员；陕西省电力公司招标评标专家，西北电网公司、省电力公司工程技术A级专家；陕西银河中试测控技术有限公司总经理。致力于电力系统电能质量的监测与治理，电网高次谐波消谐装置的研发，无功补偿及控制技术方面的研究。•陕西银河中试测控技术有限公司以陕西电力科学研究院原无功测控中心为依托，具有雄厚的科研开发和系统试验测量技术实力，并配有先进的测量设备和仪器。公司长期承担公网及局域电网的电能质量综合治理，公司的科技研发人员长期以来致力于电力系统的试验研究和测量工作，具有丰富的实践经验，并且担负着西北电网的试验测量、高次谐波监督、电能质量技术开发检测、无功电压的平衡和补偿装置测量研究、电网开关设备技术监督、新产品型式试验、鉴定、认证等工作。在吸收中心过去几十年的实践经验的基础上开发出多项科研成果，并将其转化为科技产品推向市场。他们开发研制的DHK-1型无功补偿器、TQB系列无功补偿装置获西北电网公司科技成果一等奖，装置的补偿技术和方法属国内领先水平，现已广泛应用于电力系统配网改造的无功自动补偿，得到用户一致好评。TQF型消谐无功补偿装置获省公司科技进步二等奖，以在国内许多大型用户安装或改造中使用，电力参数变频测量技术及其装置已达到国内领先水平。1.我国电力网络的现状和发展方向•1.1我国电力网络的构成及目前运行状况和发展方向•发电机系统:目前我国发电机已向大容量机组发展,过去由50MW-100MW-200MW-300MW-600MW-1000MW的方向发展。发电即可用水力、风力、太阳能、核能、垃圾能,转换为比较容易利用和控制电能的过程,发电厂出来的电是以基波频率50Hz或60Hz按正正弦波变化的三相交流电流,它们由于制造技术和工艺水平的提高,基本不存在谐波,供给大家使用的是一个清洁的电能。•输变电系统:发电机一般发出来的电不直接供给用户,而是通过升压变压器将其送入超高压(特高压)输电网络送往负荷中心。•供变电系统：经长距离输电网络输送来的电，经降压变压器在降至一定电压等级的电压网络，再向各个电力网络进行供电，这一系统中也可直接向大型电力用户供电，他们需要必要的补偿系统，它的电压等级一般为200kV、110kV、35kV、10kV、6kV。•配变电网络：就是将供电变电站送来的电力，由用户自己配电变压器变成可供电力设备和用户可自己使用的电力，他们主要包括配电变压器，用户设备，他们的配电电压能为35kV、10kV、6kV、380V（220V）。•1.2电力网络的运行•为了维持电力网络的可靠运行，必须要有合理系统组成，在理想的交流电力系统中，每一电源上的电压和频率都应该是恒量，无谐波且功率因数为1，特别是这些参数应与用户的负荷大小和特性无关。每一负荷应设计在给定的电源电压下具有最好的运行性能，而不仅是在未能设计的电压范围内有适当的性能，还有，尽量是每一负荷采用的电流会发生变化，但不同的负荷之间应没有任何干扰，为了实现这一目的，就必然的会碰到补偿和控制的问题。2.无功补偿2.1无功补偿的目的和意义我们电力系统的运行，应尽量设法保持在理想的状况下进行，但由于电力系统及其负荷的若干特性，必然使供电质量受到影响，这就要求特别注意其中能用补偿和调节来加以纠正，所谓补偿就是吸收或供给适度可变的无功功率，所谓调节就是对能源的利用根据我们的需求来进行控制和改变。负荷补偿就是对无功功率进行合理配置，并进行适当的调度，使其改善交流电力系统的供电质量。负荷补偿的目的有三：一是功率因数校正，二是改善电压调节，三是进行负荷的平衡。2.2无功补偿与电压调整补偿设备是在完成电压维持在预期限度内有十分主要的作用。电压调整定义为规定的负荷电流变化（例如空载或满载）所引起的供电电压幅值变化的比例，它是由负荷电流流经电源阻抗时的电压降所造成的。2.3无功功率补偿的经济效益•一般电力系统，可在高压侧或低压侧进行功率因数改善。装设的电容器组装置越接近负载端，对用户而言将可获取最大的经济利益。•2.3.1改善功率因数-降低总电流(％)，可节省变压器及输电线路设备的投资费用。•2.3.2减少输电线路及变压器的损失；•2.3.3增加变压器及输电线路利用率(减少设备投资费用)•2.3.4提高系统端电压一即减少系统的电压降。2.4无功功率的补偿方式2.4.1在马达负载侧直接补偿2.4.2在低压电网上集中补偿,低压系统可利用自动功率因数调整器作更有效、更经济的无功功率补偿。3.谐波源所谓“谐波源”，通常是指各类特定的用电设备，即非线性用电设备，它是电力系统中某些地区或网络出现严重谐波影响的重要愿因。其中非线性用电设备是最主要的，大致可划分为以下几类：（1）铁磁原件,如：电力变压器、磁性变压器等;电压调整器、并联电抗器和静止补偿器等;电气化铁道牵引负荷。特征谐波为3、5、7次。（2）电弧设备。例如交流电弧炉，其特征次谐波为2、3、4、5次等。（3）含有半导体的设备。例如：在工业中经常看到的直流调速、电解、UPS、变频器等设备，在生活家用电器的计算机、数字电视、节能灯等。其特征谐波为5、7、11、13次等。（4）四是高新技术应用的各种设备：例如，电子计算机、敏感电子元件、功调器、激光切割机、核磁共振设备、数据传送器、节能灯等。1000W的微波炉100W奔腾120MHz处理器6Kg桶洗衣机3段式空气调节器82W彩色电视机96W小轿车音响系统4．谐波的危害和影响谐波影响的大多数例是对设备寿命和线损的影响，是逐渐积累其效应的慢过程；受谐波影响而产生的后果，一般也在一定时期后才暴露，因此容易使受害单位及其主管单位不能及早发现问题，直到严重后果发生。但谐波对继电保护、自动装置、通讯等的影响却是立刻出现的，因此容易引起受害单位及其上级的立即关注，及时分析和采取可能的措施,特别是在装有并补电容器时。•4.1对电容器的影响:电容器比其它电器设备更容易受谐波影响和损坏的原因，由于它是容性阻抗，所以能和电网中大部分都是感性阻抗的电气设备配合而成谐波谐振或接近谐波谐振条件；由于它的阻抗和频率成反比，所以容易吸取谐波电流而引起电流过载。在电力系统中，并联电容器组可以补偿无功，起改善功率因数和调压的作用。当有谐波源时，在一定的参数配合下，电容器组会对谐波起严重的放大作用，危及电容器本身和其他设备的安全。因此，在系统中并联电容器组的使用应特别注意对谐波的放大作用。•4.2对同步电机的影响:主要引起转子表面局部过热；也能引起定子零件过热，常需降低输出功率；还可能引起振动等；•4.3对感应电机的影响:主要是引起定子绕组过热，对绕线式转子是转子过热，危机绝缘；还引起机械震动、局部过电压等；•4.4对变压器的影响:引起绕组、外层硅钢片、外壳、金属紧固零件局部发热，降低输出功率；引起噪声和振动；•4.5对电缆线的影响：加浸渍绝缘局部放电和升温，缩短寿命；•4.6对断路器的影响：降低遮断能力，延缓甚至阻碍熄弧，有时损坏断路器；3.抑制谐波影响的技术措施①：增加换流装置的脉动数（相数）:改造换流装置或利用相互间有一定移相角的换流变压器。评价：可有效地减小谐波量；换流装置容量应相等；使装置复杂化。②：加装交流滤波装置：在谐波源附近安装若干单调谐及高通滤波支路，以吸收谐波电流。评价：可有效的减小谐波量；应同时考虑功率因数补偿和电压调整效应；装置运行维护简易，但需专门设计。③：改变谐波源的配置或工作方式：具有谐波互补性的装置应集中，否则应适当分散或交错使用，适当限制谐波量大的工作方式。评价：可以减小谐波的影响；对装置运行维护简单，但需专门设计。④：加装串联电抗器：在用户进线处加串联电抗器，以增大和系统的电气距离，减小谐波的相互影响可减小和系统的谐波相互影响；评价：应同时考虑功率因数补偿和电压调整效应；运行维护简单，但应专门设计。⑤：改善三相不平衡度：从电源电压、线路阻抗、负荷特性等找出不平衡原因，加以消除；评价：可以有效的减小3次谐波的产生；有利于设备的正常用电，减小损耗；有时需要用平衡装置。⑥：加装静止无功补偿装置（或称动态无功补偿装置）：采用TCR、TCT或SR型静补装置时其容性设计成滤波器；评价：可以有效的减小波动谐波源的谐波量有抑制电压波动、闪变、三相不对称的补偿功率因数的功能，具有综合技术经济效益投资较大，需专门设计。⑦：增加系统承受谐波能力：将谐波源由较大容量的供电点或由高一级电压的电网供电。评价：可以减小谐波的影响在规划和设计阶段考虑。⑧：避免电力电容器组对谐波的放大：改变电容器组的串联电抗器或将电容器组的某些支路改为滤波器或限定电容器组的投入容量。评价：可以有效的减小电容器组对谐波的放大并保证电容器组安全运行需专门设计。⑨：提高设备或装置抗谐波干扰能力，改善谐波保护性能改进设备或装置性能对谐波敏感设备或装置采用灵敏的谐波保护装置。评价：适用于对谐波（特别是暂态过程中谐波）较敏感的设备或装置需专门研究。⑩：采用有源滤波器等新型抑制谐波的措施：研制和逐步推广应用。评价：目前还只用于小容量谐波源的补偿且造价较高。4．谐波的测量与计算分析•谐波作为表征电能质量的一个重要指标，有必要在电力系统日常运行中加以监测，以保证供电系统谐波含量和波形畸变率符合国标要求。由于电网谐波问题的复杂性，采用近似的程序计算很难反映出电网的真实谐波，通常采用谐波实际测量数据作为发现问题、研究问题和解决问题的最终手段。实测电网谐波的干扰状况，已成为保证电网安全经济运行，高质量供电必不可少的措施之一。•采用专用的滤波器仿真设计软件，能根据供电和配电系统的电气设备参数、及实际现场的测量数据，设计滤波器，并对系统进行仿真，最后得出一个能同时满足技术指标（谐波电压达标、谐波电流达标、功率因数达标）、安全指标（电容器过电压、过电流和容量平衡）以及经济指标（投资最小、损耗最小）的系统方案。谐波分析系统软件使用流程及图例系统软件平台操作流程图谐波分析系统软件使用步骤•双击“谐波分析系统.exe”文件启动程序，进入如下界面：进入接线图编辑界面：进行绘图操作元件的属性数据输入操作阻抗频率曲线5.治理实例：实例1、余姚先锋不锈钢有限公司余姚先锋不锈钢有限公司所使用的电负荷中，中频电源是一严重的谐波源。一般中频电炉工作原理是通过三相桥式整流，然后将整流后的直流再进行脉冲调频来进行变频。晶闸管整流装置正常运行中，必然会产生较大的谐波电流，且功率因数在晶闸管未全通过额定运行时达不到0.9的要求。余姚先锋不锈钢有限公司测试数据•在1000V侧负荷电压、电流、功率及谐波随时间变化曲线如下：TQF装置切除后UAB线电压、A相电流某一时刻的变化波形TQF装置投运后UAB线电压、A相电流某一时刻的变化波形余姚先锋不锈钢有限公司测试结论•TQF滤波补偿装置投运后，有效地滤除了大量的谐波电流，比如：在1000V低压侧5次谐波电流在TQF装置未投前的350A左右,投运后其谐波电流只有55A左右,在10kV高压侧5次谐波电流在TQF装置未投前的34A左右,投运后其谐波电流只有7A左右,在10kV高压侧考核各项指标满足了国标标准。•TQF滤波补偿装置投运后，谐波电压畸变得到了很大的改善，在1000V低压侧电压总畸变率由22%左右降低到7%以下,在10kV高压侧电压总畸变率由8%降低到4%以下(谐波为21次)。可见，滤波装置的投运效果非常显著。•TQF滤波补偿装置投入后，功率因数也得到了很好的补偿，功率因数提高到0.98以上，运行经济效益十分可观。•经调试后，TQF滤波补偿装置稳定可靠，可长期投入运行。实例2、福建佳通轮胎福建佳通轮胎有限公司（简称福建佳通）的用电负荷中，变频装置是一种严重的谐波源，它在生产过程中必然会产生较大的谐波电流，且功率因数达不到0.9的要求。实际测量证实，佳通负荷产生的