非線性負(fù)荷及其對電力系統(tǒng)的影響

1、2001年12月 高 壓 電 器 第37卷 第6期 21文章編號:1001-1609(2001)06-0021-03非線性負(fù)荷及其對電力系統(tǒng)的影響薛 軍, 汪 鴻, 華 峰, 劉軍成234(1 陜西省電力公司, 陜西西安710000; 2 西安交通大學(xué), 陜西西安710049;3 河南南陽地區(qū)電業(yè)局, 河南南陽473000; 4 西安天宇電氣有限公司, 陜西西安710077)NON LINEARPOWERLOADANDITSINFLUENCEONELECTRICALPOWERSYSTEMXUEJun, WANGHong, HUAFeng, LIUJun cheng234(1.ShannxiEl

2、ectricalCompany,Xi an710000,China; 2.Xi anJiaotongUniversity,Xi an710049,China;3.NanyangElectricalCompany,Nanyang473000,China; 4.Xi anTianyuElectricalCo.,Ltd.,Xi an710077,China)摘要: 介紹了非線性負(fù)荷的種類及其用電特性;分析了非線性負(fù)荷對電力系統(tǒng)及電器設(shè)備的危害;提出了分析非線性負(fù)荷時所采取的數(shù)學(xué)模型,論述了在解決實際問題時非線性負(fù)荷的處理方式。關(guān)鍵詞: 非性線; 負(fù)荷; 諧波; 電壓波動中圖分類號: TM732 文獻(xiàn)

3、標(biāo)識碼: BKeywords: non linear;load;harmonic;voltagefluctuation高頻感應(yīng)加熱爐;(7)電石爐。非線性負(fù)荷的主要用電特性一般表現(xiàn)為:(1)產(chǎn)生大量的諧波污染。所有的非線性負(fù)荷都不同程度地產(chǎn)生諧波,沖擊性負(fù)荷特別是煉鋼電弧爐幾乎產(chǎn)生連續(xù)頻譜的諧波電流,甚至產(chǎn)生大量的分?jǐn)?shù)次諧波。(2)引起電壓波動及電壓閃變。(3)產(chǎn)生負(fù)序電流。負(fù)序電流的產(chǎn)生主要是由于非線性負(fù)荷的不對稱性引起的。其主要負(fù)荷為交流電弧爐及電氣化鐵道的機(jī)車。212 對電力系統(tǒng)及電器設(shè)備的影響2.1 非線性負(fù)荷對電力系統(tǒng)的影響諧波導(dǎo)致供電電壓波形畸變,劣化公共連接點(PCC)供電質(zhì)量。

4、同時,諧波電流進(jìn)入電網(wǎng)后有發(fā)生諧振的潛在危險,諧振的后果將出現(xiàn)大范圍、大幅度的過電壓、過電流問題,進(jìn)一步威脅電力系統(tǒng)的安全運行。因此,諧波問題不僅造成對非線性負(fù)荷自身利益的損害,而且構(gòu)成了對電力系統(tǒng)較大威脅的公害,必須加以限制和消除。2.2 非線性負(fù)荷對電器設(shè)備的影響31 概述隨著工業(yè)負(fù)荷的不斷發(fā)展及電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用,非線性負(fù)荷已經(jīng)成為電力系統(tǒng)負(fù)荷的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計,目前20%的電力負(fù)荷通過各種形式的功率交換來實現(xiàn),交流電弧爐、軋機(jī)等大量沖擊性負(fù)荷引起的電壓波動及閃變更是人們頭疼的問題。總之,非線性負(fù)荷對區(qū)域性電網(wǎng)甚至整個電力系統(tǒng)的影響表現(xiàn)的更加明顯與突出,因此,應(yīng)該認(rèn)真地加以分析對

5、待。電力系統(tǒng)的非線性負(fù)荷大致有以下幾類:(1)大功率可控硅整流裝置,如鐵道電氣化、電化工業(yè)電解裝置、直流輸電的換流閥和相控電抗器型無功補(bǔ)償裝置;(2)交流煉鋼電弧爐及軋機(jī);(3)節(jié)能型家用電器;(4)自飽和、可控飽和電抗器;(5)大型變壓器的勵磁回路;(6):2001-241高次諧波在電力系統(tǒng)中傳遞,將引起銅損和鐵損增大,設(shè)備過熱,產(chǎn)生噪聲。另外,高次諧波的負(fù)序分量有可能使旋轉(zhuǎn)設(shè)備產(chǎn)生反方向轉(zhuǎn)矩,造成機(jī)械損傷和熱耗。當(dāng)電壓含有高次諧波時,使得電器設(shè)備的絕緣水平受到威脅,介質(zhì)損耗增加,充電電流增大,從而引起各種故障,主要表現(xiàn)為:(1)電力電容器的過負(fù)荷和損壞;(2)旋轉(zhuǎn)設(shè)備和電力變壓器的損(;2

6、2 December2001 HighVoltageApparatus Vol.37 No.6電纜的容量降低;(4)導(dǎo)致長距離輸電線路單相重合閘失敗(延緩了電弧的熄滅時間);(5)使開關(guān)的開斷更加困難;(6)影響到避雷器的安全運行;(7)導(dǎo)致電壓互感器的損壞;(8)導(dǎo)致自動裝置、繼電保護(hù)誤動或拒動,電子儀表失靈。I1=I1o+ I1o;I2=I2o+ I2o;Is=Iso+ Iso(5)式中: I1o、 I2o、 I3o分別為K合上后I1o、I2o、I3o的增量;考慮到(3)(5)式,則有如下算式成立:Iso+ Iso=(I1o+ I1o)+(I2o+ I2o)+ILE-(Iso+ Iso)Z

7、s=(I1o+ I1o)Z1= (I2o+ I2o)Z2=ILZ1 Y1,Z2=1 Y2,則不難求出:(6)3 非線性負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型3.1 解決諧波問題的數(shù)學(xué)模型非線性負(fù)荷的處理方式直接關(guān)系到諧波問題綜合治理的方法及經(jīng)濟(jì)效益,應(yīng)正確的加以分析研究。圖1為非線性負(fù)荷分析網(wǎng)絡(luò)圖,圖1(a)為開關(guān)K合上前的電路圖,(b)為開關(guān)K合上后的電路圖。(7)根據(jù)式(1)、(2)、(6)、(7),并考慮到Zs=1 Ys,Z1=Iso=ILYs (Ys+Y1+Y2)I1o=-ILY1 (Ys+Y1+Y2)I2o=-ILY2 (Ys+Y1+Y2)分析發(fā)現(xiàn):非線性負(fù)荷投入后引起的電流增量與非線性負(fù)荷的阻抗Z沒有關(guān)系

8、,只與非線性負(fù)荷投入前的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及非線性負(fù)荷電流IL有關(guān)。由此可見,非線性負(fù)荷接入電網(wǎng),可以將其等效為一電流源,這一電流源包含基波和諧波,而與非線性負(fù)荷本身的阻抗沒有關(guān)系,從而將一個非線性問題的研究轉(zhuǎn)化為線性問題(系統(tǒng)的阻抗可以認(rèn)為是線性的)研究。3.2 解決電壓波動問題的數(shù)學(xué)模型事實上,分析電壓波動問題主要是分析沖擊性負(fù)荷的無功功率波動問題。以交流電弧爐為例,介紹沖擊性負(fù)荷的分析方法。圖2所示為IEEE分析首先假定非線性負(fù)荷Z沒有運行,即開關(guān)K未投入,如圖1(a),則有:4電弧爐用電特性的典型電路,PCC為鋼廠與電力系統(tǒng)的公共連接母線,圖3為等效電路。Iso=I1o+I2oU=E-IsoZ

9、s=I1oZ1=I2oZ2(1)(2)式中:U為開關(guān)K合上前K兩端的電壓,Iso、I2o、Iso表示此時流過Z1、Z2、Zs的電流。當(dāng)開關(guān)K合上并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運行后,如圖1(b),此時有如下算式成立:Is=I1+I2+ILE-IsZs=I1 Z1=I2oZ2(3)(4)式(3)、(4)中,I1、I2、Is、IL分別為開關(guān)K合上后通過1s:2001年12月 高 壓 電 器 第37卷 第6期 23 設(shè)X=X1+X2,R為電弧弧阻(R=f(t),Q為沖擊性負(fù)荷吸收的無功功率,則根據(jù)電工原理有:Q=EX (R+X)注意,在此式中,R為一可變電阻(弧阻),是由電弧的長度等很多因素所決定的。將此式用曲線表示如

10、圖4所示?？梢?隨著電弧的變化,無功功率在Qmax左右波動。因此,雖然難以確定某一時刻沖擊性負(fù)荷可變電阻的數(shù)值,但可方便地作出其無功功率隨可變電阻的變化曲線,了解其變化規(guī)律,不僅可以定性地分析其電壓波動,而且能夠比較方便地進(jìn)行定量分析。可以證明,任何沖擊性負(fù)荷都可采用此類方法進(jìn)行分析。22線性負(fù)荷將會成為電力負(fù)荷的重要組成部分,由此帶來的諧波 污染 、電壓波動以及負(fù)序分量問題將會嚴(yán)重地威脅電力系統(tǒng)及電器設(shè)備的安全運行。(2)分析諧波問題時,非線性負(fù)荷可等效為一電流源,此電流源包含基波與諧波分量,與非線性負(fù)荷本身的阻抗無關(guān)。(3)沖擊性負(fù)荷引起的電壓波動與閃變的分析可轉(zhuǎn)化為分析其無功功率隨非線性

11、電阻的變化曲線,從而再根據(jù)要具體解決的問題(對電器設(shè)備的影響、對生產(chǎn)的影響、選擇補(bǔ)償容量等)具體分析。參考文獻(xiàn):水利電力出版社,1990.2 劉軍成.高壓交流濾波裝置J.高壓電器,1997,33(3):51-53.3 吳竟昌.供電系統(tǒng)諧波M.北京:中國電力出版社,1998.4 孫樹勤.電壓波動與閃變M.北京:中國電力出版社,1998.6 結(jié)論(1)隨著節(jié)能意識的增強(qiáng)以及工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展,非作者簡介:薛 軍(1967-),男,畢業(yè)于西安交通大學(xué)絕緣專業(yè),從事電力系統(tǒng)分析及其絕緣研究。(上接第20頁)撞后和碰撞前物體的動能比。經(jīng)計算,不同質(zhì)量比m M下的v1、v1 v0和 如表1。可以證明,后兩者的計算公式恰巧相同?？梢?在m M較小的情況下,v1、v1 v0和 都相當(dāng)?shù)?應(yīng)當(dāng)引起注意。但應(yīng)說明,在m增大的情況下,v0及v1均將減小,因此m亦不宜過大。表1 不同質(zhì)量比m M下的v1、v1 v0和 的值m Mv1 v1mv1 v000.20.511502510010017338389標(biāo)可以有兩種:(1)為獲得碰撞后最大速度v1,由式(4),令 dv1 dm=0,得m=M,即碰撞的兩物體質(zhì)量應(yīng)相等,此時兩物體共同運動的速度最大。(2)為獲取碰撞后兩物體總動能(m+M)v1 2最大,由式d(m+M)v1 2(4)取=0,得m ,即m的質(zhì)量dm越大,能量損失Af越小,兩