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石化企业电能质量治理若干问题
作者:系统管理员            来源:             发布时间: 2011-07-08
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近年来,随着电力电子技术的不断发展,各类电力电子设备在民用建筑、石化、工业和交通等领域的应用日益广泛,电能质量问题越来越为人们所重视。为了提高效率、减少损失及缩小运营成本,供电企业和用户对电能质量和电力系统运行管理的要求也越来越高。 

大型石化企业是国民经济的支柱产业,资源资金技术密集,产业关联度高,其电能质量问题尤其令人关注。为了对石化企业电能质量治理问题有更深的了解,本期特地采访了中国石油化工股份有限公司广州分公司副总工程师黎德初先生。 

 

石化企业电能质量特点 

 

记者:黎总,您好!感谢您在百忙之中接受《电气应用》的采访。首先请您介绍下石化企业的电力系统的特点?  

黎德初:石化企业的生产介质为高温、高压、易燃、易爆、有毒、有害及强腐蚀性。生产特点为点多、链长、面广、生产工艺连续性强、自动化程度高、装置之间关联程度复杂且涉及的专业和设备种类繁多。 

石化企业的电力系统有如下特点: 

1)生产工艺的特殊性对供电可靠性要求很高,电力系统稍有不慎就可能引发化工装置很严重的安全事故和很大的环境破坏事故。 

2)石化企业内部电网一般包括输电、发电和配电三个环节。 

3)对供配电的可靠性要求非常高。对连续运行的石化企业来说,仅几个周波的电力系统故障就能造成大量生产装置停工,甚至引起灾难性的后果。 

4)负荷相对平稳及三相相对平衡。石化企业的负荷是相对平稳的,日负荷曲线的变化很小,生产装置运行正常后,负荷几乎数周甚至数月不变。 

5)大型石化企业供电系统容量一般在200MV·A以上,用电负荷150MW以上。自发电能力强,自备发电机容量一般在200MW以上;同外电网连接电压等级高,一般为220 kV,联络回路数为两个及以上。 

6)负荷以异步电动机为主。石化企业的负荷主要是以大型异步电动机拖动的风机、压缩机以及隔爆或增安型异步电动机拖动的机泵为主。电动机占总用电负荷的85%以上,同时也有少量的同步电机。 

7)有一定数量的非线性负荷,如变频器、UPS、直流电源、整流变压器及晶闸管控制的电加热器。 

8)大型电动机起动。炼油催化主风机和乙烯聚合造粒机等大型电动机的起动虽然次数很少,但起动时间却较长,对母线电压影响较大,是大型石化企业供配电系统的关键问题之一。 

9)由于有大量异步电动机的运行,一般采用电力电容器组对其功率因数进行有效的补偿。电力电容器组安装在主变电所、区域配电所或装置变电所内。 

10)电力网结构复杂,双母线或双母线分段;供电电压等级多,220kV110kV35kV10kV6kV380V等多个电压等级;变配电站多而分布很散,高压输电线路纵横交错,电缆配电系统庞大。 

11)石油化工的用电负荷大部分为一级用电负荷,有相当一部分为一级负荷中的重要负荷,配备有UPSEPS或事故柴油发电机作为安保电源。特大型石化企业还配备有用于紧急黑启动的外部热备用电源。 

12)新建的石化电网电气自动化水平高,继电保护和自动装置配置先进。 

13)具有企业自备热电厂。大型石化企业都具有企业自己的热电厂,其规模与企业的规模及地域的需求有关,有些规模大的热电厂除满足本企业的用电需求外还可向电力系统或地方社区企业售电,通常仅能为本企业提供一定负荷及保安电源。石化企业的热电厂的主要作用是为石化装置供蒸汽,因此汽轮机多以背压式、抽汽背压式或抽汽凝汽式为主。一旦电力系统发生故障造成石化企业大面积停电,生产装置蒸汽用量会大幅度波动,发汽轮发电机很难保证稳定运行。通常大型石化企业的热电厂既是热电生产中心,也是企业的变配电中心。 

 

记者:大型石化企业是国民经济的支柱产业,其电能质量问题关系重大,那么请问石化企业的电能质量指标包括哪些? 

黎德初:对于电能质量指标,石化行业同其他行业并无特别之处,只是石化装置对供电要求更为苛刻一些,所以石化供电系统电能质量具有其普遍性的特征。衡量电能质量的主要指标有以下几个方面。 

1) 电压偏差:是电压下跌(电压跌落)和电压上升(电压隆起)的总称。  

2) 频率偏差:对频率质量的要求全网相同,不因用户而异,对于该项偏差标准都有相关规定。  

3) 电压三相不平衡:表现为电压的最大偏移与三相电压的平均值超过规定的标准。 

4) 谐波和间谐波:含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间谐波,小于基波频率的分数次谐波也属于间谐波。 

5) 电压波动和闪变:电压波动是指在包络线内的电压的有规则变动,或是幅值通常不超出0.91.1倍电压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。 

 

遵循标准合理治理谐波 

 

记者:电力谐波问题是一种主要的电能质量问题,目前,产生谐波的装置量大面广,谐波使许多企业的生产面临严重的干扰与破坏。请结合石化企业的特点介绍下供电网谐波源主要来自那几个方面? 

黎德初:在理想的干净供电系统中,电流和电压都是正弦波的。在线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里,流过的电流与施加的电压成正比,流过的电流是正弦波。 

在实际的供电系统中,由于有非线性负荷的存在,当电流流过与所加电压不成线性关系的负荷时,就形成非正弦波电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整数倍或分数倍。供电网谐波主要来自三方面。
  (1)发电源质量不高产生的谐波 

发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称,铁心也很难做到绝对平衡从而抑制饱和,发电源在运行时会产生一些谐波,但一般很少。 

2)输配电系统产生谐波
  输配电系统中主要是电力变压器产生谐波,由于变压器铁心的饱和,磁化曲线的非线性,加上设计变压器时考虑其经济性,其工作磁密度选择在磁化曲线的近饱和段上,实际运行时铁心容易进入饱和区,因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高,变压器工作点偏离线性越远,谐波电流也就越大,其中3次谐波电流可达额定电流的0.5% 

3)石化用电设备产生的谐波 

1)晶闸管整流设备:石化企业广泛使用电脱盐、电除尘、电解槽、电加热器、开关电源及UPS等许多晶闸管整流设备,给电网造成了大量的谐波。如果整流装置为单向整流电路,在接感性负载时则含有奇次谐波电流,其中3次谐波的含量可达基波的30%; 如果整流装置为三相全控桥6脉冲整流器,变压器一次侧及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流;如果是12脉冲整流器,也有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明,有整流装置产生的谐波占所有谐波的近 40%,这是最大的谐波源。 

2)变频装置:变频装置常用于石化装置的风机、水泵等驱动设备中,由于采用了相位控制,谐波成分很复杂,除含有整数次谐波外,还含有分数次谐波,这类装置的功率一般较大,随着变频调速的发展,对电网造成的谐波也越来越多。 

3)气体放电光源:石化行业大量使用的荧光灯、高压汞灯、高压纳灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源,会给电网造成奇次谐波电流。 

造成当前石化企业电能质量问题主要原因有:  

1)电力负荷构成的变化。目前,石化企业使用了大量非线性负荷,如大规模电力电子应用装置(节能装置、变频设备等)、大功率的电力拖动设备、直流输出装置、化工整流设备及其他非线性负荷。 

2)存在很多快速变化的冲击性负荷,如大型电动机和电动机群组等。  

3)大量谐波注入电网含有非线性、冲击性负荷的新型电力设备在实现功率控制和处理的同时,都不可避免地产生非正弦波形电流,向电网注入谐波电流,使公共连接点的电压波形严重畸变,负荷波动性和冲击性导致电压波动、瞬时脉冲等各种电能质量干扰。 

 

记者:那么请问谐波对石化企业配电的危害具体表现在哪些方面? 

黎德初:石化行业电力事故发生的可能性将逐步表现为由电能质量不合格所引起。 

1)增加了发、输、供和用电设备的附加损耗,使设备发热,降低设备的效率和利用率
  由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍,高频电流流过导体时,因趋肤效应的作用,使导体对谐波电流的有效电阻增加,从而增加了设备功率损耗、电能损耗、使导体的发热严重。 

1)对电动机的影响:谐波对电动机的危害主要是产生附加损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在电动机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加.谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大,但谐波会产生显著的脉冲转矩,可能出现电机转轴扭曲振动的问题。这种振荡力矩是电机的转子元件发生扭振,会缩短电动机使用寿命,甚至损坏。 

2)对变压器的影响:谐波电流式变压器的铜耗增加,特别是3次及其倍数次谐波对三角形联结的变压器,会在其绕组中形成环流,使绕组过热;对全星形联结的变压器。当绕组中性点接地,而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时。可能成3次谐波谐振,使变压器附加损耗增加。 

3)对输电线路的影响:谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时,对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。
    4
)对电力电容器的影响:含有电力谐波的电压加在电容器两端时,由于电容器对电力谐波阻抗很小,谐波电流叠加在电容器的基波上,使电容器电流变大,温度升高,寿命缩短,引起电容器过负荷甚至爆炸,同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振,使故障加剧。 

(2)影响继电保护和自动装置的工作和可靠性
  特别对于电磁式继电器来说,电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动,使其动作失去选择性,可靠性降低,容易造成系统事故,严重威胁电力系统的安全运行。
   (3)
影响电力测量和计量仪器 

影响电力测量和计量仪器的指示和计量准确性。  
(4)
干扰通信信息通的工作 

电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时,会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压,干扰通信系统的工作,影响通信线路通话的清晰度。 

(5)对用电设备的危害 

谐波会使电视机、计算机的图形畸变,画面亮度发生波动变化,并使机内的元件出现过热,使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动镇流器和提高功率因数用电容器的荧光灯及汞灯来说,会因为在一定参数的配合下,形成某次谐波频率下的谐振,使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变频装置,谐波可能使晶闸管误动作,或使控制回路误触发。 

 

记者:谐波综合治理是采取的技术措施有哪些?在设计中应注意哪些问题? 

黎德初:谐波问题是关系到供电质量的重要问题,为减少石化系统的谐波问题,一般从管理上和技术措施上采取以下几种方面的对策:
  1)贯彻有关谐波的国家标准,加强谐波管理。
  我国于19981214发布了国家标准GB 17625.11998 《低压电器及电子设备发出的谐波电流限值》(设备谐波输入电流小于等于16A)GB 17625.1规定了标准接入公用低压配电系统中的电气、电子设备(每相输出电流小于等于16A)可能产生的谐波的限值。只有经过实验证实该电子产品注入系统的总体谐波电流水平低于16A的产品才容许接入供电系统。该标准规定了实验电路和实验电源的要求、对测量设备的要求和实验条件的内容。             

我国于1993年颁发的国家标准GB/T 145491993《电能质量公用电网谐波》,该标准考虑了不同谐波源叠加计算的方法,规定了各级电网电压谐波总畸变率和用户诸如电网的谐波电流容许值,对限制公用电网中的谐波起到了积极的工作。 

石化企业认真贯彻执行有关国家标准关于限制谐波的规定,就能从总体上控制供电系统中的谐波水平,保证供电系统供给优质的电力质量。 

 2)三相整流变压器采用Y/△或△/Y的接线形式,这样可以消除3的整数倍次的电力谐波,从而使注入电网的谐波电流只有5711等次谐波。 

3)装设静止无功补偿装置,对晶闸管控制的大型电动机起动装置等非线性设备,由于其负荷是冲击性的,而且是随机的,因此宜装设能吸收动态谐波电流的静止无功补偿装置,提高供电系统承受谐波的能力。 

4)对于大容量的电力设备,特别是大容量的电容器组,回路内增设限流装置或串联电抗器,以抑制电力谐波的产生。
   5)对容量在100kV·A及以上整流装置和非线性设备的用户,必须增设分流滤波装置,就近吸收电力谐波。 

 6)增加整流变压器二次侧的相数。 

 7)选择合理的供电电压,并尽可能保持三相电压平衡。 

因此,电能质量不仅取决于发电、输电和供电系统本身,而且伴随着现代工业化的迅速发展,接入公用电网的半导体换流器和非线性负荷也明显干扰或降低配电网中的电能质量。电能质量的下降给电力系统和用电设备带来严重的危害。一方面要严格限制谐波的发射水平。另一方面还要设法提高设备自身的抗谐波干扰的能力,改善谐波保护性能,做到真正意义上的电磁兼容。 

 

综合治理  全面考虑 

记者:除谐波污染外,电能质量还涉及其他诸如电压、频率等方面的问题,请您结合石化企业的特点做一介绍。 

黎德初:石化电网电能质量问题,主要是频率问题、电压问题、谐波问题。解决电能质量问题,必须从系统性、整体性的角度全面分析和治理。 

石化系统的频率问题主要是由于石化小电网脱离大电网形成孤网运行而引起。首要目标是要加强主网构架、选择合理的运行方式,电源运行方式必须符合N-1 校核,极力避免孤网运行的可能。其次,配置的三级频率保护装置应相互匹配,当石化小电网万一形成孤网时能确保其内部电网频率的稳定,符合电力系统稳定性的三道防线的要求。 

石化系统的电压问题分为电压降低问题和电压升高问题。避免电网的内外故障,选择合理的电动机启动方式,作好电网的无功平衡可以有效解决电压降低问题。合理配置电气主接线和运行方式、电源快速切换装置、静止无功补偿装置、电动机软启动装置、电源浪涌吸收器,可以减少各种扰动对母线电压波动的影响。同时需要采取各种措施防止电网出现的内部和外部过电压问题。 

电网的谐波是引起电能质量问题的最重要的因素。按照“谁污染谁治理”的原则,首先在接入设备的谐波含量必须标准要求;其次在公共电源点设置滤波装置,确保各级电网的公共母线谐波含量在规定范围内;第三,严密监测各级电源网络的谐波及时汇总分析,并制定和实施治理措施,确保石化电网的运行指标符合规范标准。 

 

记者:非常感谢您接受我们的采访。同时感谢您向我们的读者介绍了这么多关于电能质量的知识。 

黎德初:谢谢! 

 
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