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石化企業(yè)電能質(zhì)量分析
大型石油化工企業(yè)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，資源資金技術(shù)密集，產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高，經(jīng)濟(jì)總量大，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生活、國(guó)防科技等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)具有舉足輕重的作用。
我國(guó)是石化產(chǎn)品生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，石化產(chǎn)業(yè)保持快速增長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，綜合實(shí)力逐步提高。工業(yè)增加值年均增長(zhǎng)20%左右，拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)約1個(gè)百分點(diǎn)。成品油、乙烯、合成樹(shù)脂、化肥、農(nóng)藥等產(chǎn)品產(chǎn)量位居世界前列。
石化企業(yè)的生產(chǎn)介質(zhì)為高溫、高壓、易燃、易爆、有毒、有害、強(qiáng)腐蝕性。生產(chǎn)特點(diǎn)為點(diǎn)多、鏈長(zhǎng)、面廣、生產(chǎn)工藝連續(xù)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，裝置之間關(guān)聯(lián)程度復(fù)雜，涉及的專(zhuān)業(yè)和設(shè)備種類(lèi)繁多。
1 石化企業(yè)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)
（1）工藝的特殊性對(duì)供電可靠性要求很高，電力系統(tǒng)稍有不慎就可能引發(fā)化工裝置很?chē)?yán)重的安全事故和很大的環(huán)境破壞事故。
（2）企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)一般包括輸電、發(fā)電、配電三個(gè)環(huán)節(jié)
（3）配電的可靠性要求非常高
對(duì)連續(xù)運(yùn)行的石化企業(yè)來(lái)說(shuō)，僅幾個(gè)周波的電力系統(tǒng)故障就能造成大量生產(chǎn)裝置停工，甚至引起災(zāi)難性的后果。(毫秒級(jí)、經(jīng)濟(jì)損失－－非計(jì)劃停車(chē)、誘發(fā)安全事故、導(dǎo)致環(huán)境污染)。
（4）負(fù)荷相對(duì)平穩(wěn)及三相相對(duì)平衡
石化企業(yè)的負(fù)荷是相對(duì)平穩(wěn)的，日負(fù)荷曲線的變化很小，生產(chǎn)裝置運(yùn)行正常后，負(fù)荷幾乎數(shù)周甚至數(shù)月不變。
（5）大型石化企業(yè)供電系統(tǒng)容量一般在200ＭＶＡ以上，用電負(fù)荷150MW以上。
自發(fā)電能力強(qiáng)自備發(fā)電機(jī)容量一般在200ＭＷ以上；同外電網(wǎng)連接電壓等級(jí)高，一般為
（6）異步電動(dòng)機(jī)為主
石化企業(yè)的負(fù)荷主要是以大型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)以及隔爆或增安型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)泵為主。電動(dòng)機(jī)占總用電負(fù)荷的85％以上。同時(shí)也有少量的同步電機(jī)。
（7）一定數(shù)量的非線性負(fù)荷，如變頻器、UPS、直流電源、整流變壓器、可控硅控制的電加熱器
（8）大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)
煉油催化主風(fēng)機(jī)和乙烯聚合造粒機(jī)等大型電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)雖然次數(shù)很少，但啟動(dòng)時(shí)間卻較長(zhǎng)，對(duì)母線電壓影響較大，是大型石化企業(yè)供配電系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
（9）有大量異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，一般采用電力電容器組對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行有效的補(bǔ)償。電力電容器組安裝在主變電所、多區(qū)域配電所或多區(qū)域變電所內(nèi)。
（10）電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雙母線或雙母線分段；供電電壓等級(jí)多，220kV、110kV、35kV、
10kV、6kV、380V等多個(gè)電壓等級(jí)；變配電站多而分布很散高壓輸電線路縱橫交錯(cuò)，電纜配電系統(tǒng)龐大。
（11）化工的用電負(fù)荷大部分為一級(jí)用電負(fù)荷，有相當(dāng)一部分分為一級(jí)負(fù)荷中的重要負(fù)荷，配備有UPS、EPS或事故柴油發(fā)電機(jī)作為安保電源。特大型石化企業(yè)還配備有用于緊急黑啟動(dòng)的外部熱備用電源。
2.質(zhì)量指標(biāo)
一個(gè)理想的電力系統(tǒng)應(yīng)以恒定的頻率和正弦波形，按規(guī)定的電壓水平對(duì)用戶供電。在實(shí)際情況下，由于電能在輸送過(guò)程中受到各種因素的干擾和影響，到達(dá)用戶的電壓和頻率會(huì)偏離規(guī)定值，原本應(yīng)為正弦波的電能波形也發(fā)生畸變。電能質(zhì)量不僅取決于發(fā)電、輸電和配電系統(tǒng)本身，而且伴隨著現(xiàn)代工業(yè)化的迅速發(fā)展，接入公用電網(wǎng)的半導(dǎo)體換流器和非線性負(fù)荷也明顯干擾或降低配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。
對(duì)于電能質(zhì)量指標(biāo)，石化行業(yè)同其他行業(yè)并無(wú)特別之處，只是石化裝置對(duì)供電要求更為苛刻一些，所以石化供電系統(tǒng)電能質(zhì)量具有其普遍性的特征。衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有：
（1）電壓偏差（voltagedeviation）：是電壓下跌(電壓跌落)和電壓上升(電壓隆起）的總稱(chēng)。
（2）頻率偏差（friquencydeviation）：對(duì)頻率質(zhì)量的要求全網(wǎng)相同，不因用戶而異，對(duì)于該項(xiàng)偏差標(biāo)準(zhǔn)都有相關(guān)規(guī)定。
（3）電壓三相不平衡（unbalance）：表現(xiàn)為電壓的最大偏移與三相電壓的平均值超過(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。
（4）諧波和間諧波（harmonics&inter-hamonics）：含有基波整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱(chēng)為諧波。含有基波非整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱(chēng)為間諧波，小于基波頻率的分?jǐn)?shù)次諧波也屬于間諧波。
（5）電壓波動(dòng)和閃變（fluctuation&flicker）：電壓波動(dòng)是指在包絡(luò)線內(nèi)的電壓的有規(guī)則變動(dòng)，或是幅值通常不超出0.9－1.1倍電壓范圍的一系列電壓隨機(jī)變化。閃變則是指電壓波動(dòng)對(duì)照明燈的視覺(jué)影響。
3.石化供電系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生和抑制。
諧波的產(chǎn)生
在理想的干凈供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。在線性元件(電阻、電感及電容)
的簡(jiǎn)單電路里，流過(guò)的電流與施加的電壓成正比，流過(guò)的電流是正弦波。
在實(shí)際的供電系統(tǒng)中，由于有非線性負(fù)荷的存在，當(dāng)電流流過(guò)與所加電壓不成線性關(guān)系的負(fù)荷時(shí)，就形成非正弦波電流。任何周期性波形均可分解為一個(gè)基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波。諧波頻率是基頻的整數(shù)倍或分?jǐn)?shù)倍。
供電網(wǎng)諧波來(lái)自三方面：
（1）發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生的諧波
發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱(chēng)，鐵芯也很難做到絕對(duì)平衡從而抑制飽和，發(fā)電源在運(yùn)行時(shí)多多少少會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般很少。
（2）.輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波
輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵芯的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮其經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密度選擇在磁化曲線的近飽和段上，實(shí)際運(yùn)行時(shí)鐵芯容易進(jìn)入飽和區(qū)，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵芯的飽和程度有關(guān)。鐵芯的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流的0.5%。
（3）石化用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波
晶閘管整流設(shè)備：
石化企業(yè)廣泛使用電脫鹽、電除塵、電解槽、電加熱器、開(kāi)關(guān)電源、UPS等許多晶閘管整流設(shè)備，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。如果整流裝置為單向整流電路，在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%;如果整流裝置為三相全控橋6脈沖整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈沖整流器，也有11
次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：有整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。
變頻裝置：
變頻裝置常用于石化裝置的風(fēng)機(jī)、水泵等驅(qū)動(dòng)設(shè)備中，由于采用了相位控制，諧波成分很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分?jǐn)?shù)次諧波，這類(lèi)裝置的功率一般較大，隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)造成的諧波也越來(lái)越多。
氣體放電光源：
石化行業(yè)大量使用的熒光燈、高壓汞燈、高壓納燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類(lèi)電光源，會(huì)給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。
3. 造成當(dāng)前石化行業(yè)電能質(zhì)量問(wèn)題的主要原因
——電力負(fù)荷構(gòu)成的變化。目前，石化企業(yè)大量使用非線性負(fù)荷：大規(guī)模電力電子應(yīng)用裝置（節(jié)能裝置、變頻設(shè)備等）、大功率的電力拖動(dòng)設(shè)備、直流輸出裝置、化工整流設(shè)備及其他非線性負(fù)荷。
——存在很多快速變化的沖擊性負(fù)荷：如大型馬達(dá)和馬達(dá)群組等。
——大量諧波注入電網(wǎng)含有非線性、沖擊性負(fù)荷的新型電力設(shè)備在實(shí)現(xiàn)功率控制和處理的同時(shí)，都不可避免的產(chǎn)生非正弦波形電流，向電網(wǎng)注入諧波電流，使公共連接點(diǎn)的電壓波形嚴(yán)重畸變，負(fù)荷波動(dòng)性和沖擊性導(dǎo)致電壓波動(dòng)、瞬時(shí)脈沖等各種電能質(zhì)量干擾。
4.供電系統(tǒng)中的諧波危害
石化行業(yè)電力事故發(fā)生的可能性將逐步表現(xiàn)為由電能質(zhì)量不合格所引起。
（1）增加了發(fā)、輸、供和用電設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備發(fā)熱，降低設(shè)備的效率和利用率。由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，因集膚效率的作用，使導(dǎo)體對(duì)諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備功率損耗、電能損耗、使導(dǎo)體的發(fā)熱嚴(yán)重。
①對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響
諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害主要是產(chǎn)生附加損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應(yīng)、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在電動(dòng)機(jī)的鐵芯和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加.諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩的影響不大，但諧波會(huì)產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲振動(dòng)的問(wèn)題。這種振蕩力矩是電機(jī)的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振,會(huì)縮短電動(dòng)機(jī)使用壽命，甚至損壞。
②對(duì)變壓器的影響
諧波電流式變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對(duì)三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過(guò)熱;對(duì)全星形連接的變壓器。當(dāng)繞組中性點(diǎn)接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)。可能成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。
③對(duì)輸電線路的影響
諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，對(duì)輸電線路和電力電纜線路會(huì)造成絕緣擊穿。
④對(duì)電力電容器的影響
含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時(shí)，由于電容器對(duì)電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過(guò)負(fù)荷甚至爆炸，同時(shí)諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇。
（2）影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作和可靠性
特別對(duì)于電磁式繼電器來(lái)說(shuō)，電力諧波常會(huì)引起繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，使其動(dòng)作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
（3）影響電力測(cè)量和計(jì)量?jī)x器的指示和計(jì)量準(zhǔn)確性
（4）干擾通訊信息通的工作
電力線路上流過(guò)的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過(guò)磁場(chǎng)耦合時(shí)，會(huì)在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度。
（5）對(duì)用電設(shè)備的危害
諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫(huà)面亮度發(fā)生波動(dòng)變化，并使機(jī)內(nèi)的元件出現(xiàn)過(guò)熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于帶有啟動(dòng)鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)用電容器的熒光燈及汞燈來(lái)說(shuō)，會(huì)因?yàn)樵谝欢▍?shù)的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮(zhèn)流器或電容器因過(guò)熱而損壞。對(duì)于采用晶閘管的變頻裝置，諧波可能使晶閘管誤動(dòng)作，或使控制回路誤觸發(fā)。
5. 石化供電系統(tǒng)抑制諧波的對(duì)策
諧波問(wèn)題是關(guān)系到供電質(zhì)量的重要問(wèn)題，為減少石化系統(tǒng)的諧波問(wèn)題，一般從管理上和技術(shù)措施上采取以下幾種方面的對(duì)策：
（1）貫徹性有關(guān)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)諧波管理
我國(guó)于1998年12月14日發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB17625.1-1998《低壓電器及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值(設(shè)備諧波輸入電流小于等于16A)》。GB17625.1規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)接入公用低壓配電系統(tǒng)中的電氣、電子設(shè)備(每相輸出電流小于等于16A)可能產(chǎn)生的諧波的限值。只有經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該電子產(chǎn)品注入系統(tǒng)的總體諧波電流水平低于16A的產(chǎn)品才容許接入供電系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)驗(yàn)電源的要求、對(duì)測(cè)量設(shè)備的要求和實(shí)驗(yàn)條件的內(nèi)容。
我國(guó)于1993年頒發(fā)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，該標(biāo)準(zhǔn)考慮了不同諧波源疊加計(jì)算的方法，規(guī)定了各級(jí)電網(wǎng)電壓諧波總畸變率和用戶諸如電網(wǎng)的諧波電流容許值，對(duì)限制公用電網(wǎng)中的諧波起到了積極的工作。
石化企業(yè)認(rèn)真貫徹執(zhí)行有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于限制諧波的規(guī)定，就能從總體上控制供電系統(tǒng)中的諧波水平，保證供電系統(tǒng)供給優(yōu)質(zhì)的電力質(zhì)量。
（2）三相整流變壓器采用Y/△或△/Y的接線形式，這樣可以消除3的整數(shù)倍次的電力諧波，從而使注入電網(wǎng)的諧波電流只有5、7、11……等次諧波
（3）裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，對(duì)晶閘管控制的大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)裝置等非線性設(shè)備，由于其負(fù)荷是沖擊性的，而且是隨機(jī)的，因此宜裝設(shè)能吸收動(dòng)態(tài)諧波電流的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。
（4）對(duì)于大容量的電力設(shè)備，特別是大容量的電容器組，回路內(nèi)增設(shè)限流裝置或串聯(lián)電抗器，以抑制電力諧波的產(chǎn)生。
（5）.對(duì)容量在100kVA及以上整流裝置和非線性設(shè)備的用戶，必須增設(shè)分流濾波裝置，就近吸收電力諧波。
（6）增加整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)。
（7）選擇合理的供電電壓，并盡可能保持三相電壓平衡。
總之，電能質(zhì)量不僅取決于發(fā)電、輸電和供電系統(tǒng)本身，而且伴隨著現(xiàn)代工業(yè)化的迅速發(fā)展，接入公用電網(wǎng)的半導(dǎo)體換流器和非線性負(fù)荷也明顯干擾或降低配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。
電能質(zhì)量的下降給電力系統(tǒng)和用電設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重的危害。一方面要嚴(yán)格限制諧波的發(fā)射水平。另一方面還要設(shè)法提高設(shè)備自身的抗諧波干擾的能力，改善諧波保護(hù)性能，做到真正意義上的電磁兼容。
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