李养俊，何子春，张强，涂伟

（华电电力科学研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

电能质量是指电力系统指定点处的电特性，关系到供用电设备正常工作(或运行)的电压、电流等各种指标偏离基准技术参数的程度[1]，反映了电能质量关注点(常指用户端)的交流电能的品质，可由标志其好坏的各种指标来衡量。随着用电负荷的多样化，电能质量具体指标也在不断发展和完善[2]。

电能质量测试在电力系统预定的运行方式下，采用标准规定的电能质量检测方法，应用符合标准的电能质量监测设备，对待定供用电(节点)电能质量干扰指标进行测试，并应用符合标准的、或广泛承认的数据评估方法，得到针对该节点的电能质量评估结果，将该结果与国家或行业标准进行比较，以判断其电能质量指标是否超标[3]。

本文在对多个火力发电厂电能质量进行实时测量和数据采集的基础上，通过计算并分析发电机出口、升压站母线、厂用电母线等关键监测点的电能质量指标数据，并把测试分析结果同相关国标限值进行比对，最后给出了评估结论和合理化建议。

1 电能质量超标问题的产生

近年来，由电能质量引发的各类问题已经成为重要焦点，越来越受到发电企业和电力用户的关注，火力电厂也采取了大量必要的技术手段来不断提高电能质量。火力发电厂输出电能质量指标优异的电能，对于提高电力系统生产效率及电能上网传输的重要性日益突出[4]。

由于火力发电厂的特殊接线形式及其运行特点，火力发电厂的电能质量实际运行指标有着其特殊性。火力发电厂电能质量超标问题主要表现在电压偏差和谐波污染两个方面。

1.1 电压偏差问题

电压偏差是指实际运行电压对系统标称电压的偏差相对值(以百分数表示)。由于火力发电厂电气部分配置的电气设备种类繁多，部分大容量异步电动机、电弧焊机等设备快速启停形成了间歇性的冲击性负荷，在电动机起动时由于起动电流大而引起电压跌落；当冲击性负荷突然退出时，厂用电电压同样会出现暂升。此外，雷击、操作过电压等因素同样会引发电压波动而出现电压偏差问题。

1.2 谐波污染问题

谐波是由于施加在电力设备中的电压与产生的电流之间未形成线性关系而导致的。随着控制理论和计算机技术的不断更新进步，电力电子技术在火力发电厂生产现场被广泛应用。大量使用的整流、变频等设备，一方面满足了火力发电厂的节能减排需求，另一方面又因整流变频设备的非线性特点，为火力发电厂电能质量关键监测点注入了大量的谐波。其谐波源主要包括以下四类设备：

1）变频调速设备。如在空冷风机、凝结水泵、吸风机组、供油泵、工业废水处理水泵及给煤机等调速频繁电动机的设备中使用的各类变频调速设备。

2）输变电设备。如变压器、电抗器等具有饱和特性的铁心设备。

3）晶闸管类设备。火力发电厂配置的大容量不间断电源(uninterrupted power supply，UPS)以及晶闸管整流设备等。

4）照明灯具。如发电厂照明中通常使用的是金属卤化物灯。

2 电能质量超标对火力发电厂的危害

2.1 电压偏差对发电厂安全运行的危害

目前，电力系统中大多数电力设备的工作电压均无法达到额定电压，但由于二者之间相差不大，对电力设备不会造成太大的影响。但对于火力电厂，在运作过程中仍应密切关注电压的变化情况，避免因电压超过规定的偏移范围而引起电力设备故障。

当火力发电厂发电机出口、升压站母线、厂用电母线等电压过高时，将会大大降低各类变压器输出功率，导致整个火力发电厂无法正常运转。若无法及时处理电压过高的状况，发电机将会因触动保护装置而停止工作，还将导致供电区域无法正常供电。同时，电压过高还将导致变压器的电流大幅增大，使电力设备出现不正常的发热，导致电力设备出现烧毁的现象，从而加剧了对电力设备的损害程度。除电压过高外，电压过低也会对电厂的安全运行造成巨大的影响。电压过低将增大电动机的电流量，导致电动机定子绕组因过热而出现老化的现象，不利于电动机的正常稳定运转[5]。

2.2 频率偏差对发电厂安全运行的危害

电源与负荷之间由于功率不同将会导致电子设备出现频率偏差。若电力设备的工作频率与额定频率相差过大，电力设备出现故障的概率将大幅升高。

火力发电厂在运行过程中，发电机的频率会因大负电荷的存在而迅速上升，使电厂的辅机因工作频率以及电压的急剧升高而出现跳闸的现象，使系统与发电机出现解列，导致电厂无法正常运转。除此之外，频率偏差过大还将导致汽轮机叶片出现剧烈震动，而长时间的震动会使叶片断裂，妨碍电力设备长期正常运行。

2.3 谐波对发电厂安全运行的危害

火力发电厂中的谐波来源主要分为铁磁饱和型以及电子开关型。铁磁饱和型主要指铁芯的铁磁饱和性呈现非线性关系的电子设备，例如变压器、电抗器等。而电子开关型指的是交流电与直流电换流期间产生谐波的设备，较为典型的是电除尘的整流变压器。谐波的出现将增加电力设备在工作过程中产生的损耗。对于电动机及变压器这类铁磁饱和型设备而言，谐波不仅可增加设备的损耗而且还会产生过多热量，当设备产生的热量超过其正常承受范围时，将加快电力设备的老化速度，甚至会使电力设备因温度过高而出现跳闸。

除此之外，谐波还将导致电动机与变压器因震动而使其零部件出现松动的现象，大大影响电厂的安全稳定运行，还将影响到工作人员的生命安全。而对于电子开关型的设备而言，例如，电感与电容将因谐波而出现谐振的现象，这将触动设备的保护装置，导致相关电力设备无法正常工作。

3 测试数据评估分析

为了全面、准确掌握火力发电厂运行中的电能质量指标状况，通过对其电能质量进行专门测试与评估分析，了解并掌握火力发电厂发电机出口、升压站母线、厂用电母线等电能质量监测点的电能质量水平，选定多座电厂的电能质量专项测试数据进行评估分析。评估分析内容主要包括：电压闪变测试数据、频率偏差测试数据、三相电压不平衡度测试数据、谐波电压及谐波电流测试数据。

3.1 电压闪变测试数据

闪变是电压波动在一段时期内的累积效果，可通过灯光照度不稳定造成的视感来反映，主要由短时闪变和长时闪变值来衡量，其国标限值分别在国标GB/T 12326—2008《电能质量 电压波动和闪变》中有详细规定[6]。

通过对3座电厂的6台机组，共计18条厂用电母线的闪变测试数据进行评估分析，发现某电厂6 kV 1 A段母线C相电压长时闪变测试数据存在超标情况，具体测试数据见表 1，其余测点电压短时及长时闪变均在国标限值以内。

表1 6kV 1A段母线C相电压长时闪变测试数据Tab. 1 The test data of phase C voltage long duration flicker for 6kV 1A segment bus

3.2 频率偏差测试数据

频率偏差测量的方法是测量电网基本频率，每次取1 s、3 s或10 s间隔内计到的整数周期与整数周期累计时间之比(与1 s、3 s或10 s时钟重叠的单个周期应丢弃)。测量时间间隔不能重叠，每1 s、3 s或10 s间隔应在1 s、3 s或10 s时钟开始计。国标GB/T 15945—2008《电能质量 电力系统频率允许偏差》规定电力系统正常运行条件下频率偏差限值为±0.2 Hz[7]。

通过对3座电厂6台发电机机端、18条厂用电母线、5条送出线路及1条并网母线频率偏差测试数据评估分析，发现电厂所测线路或母线频率偏差数据均在国标限值以内，频率偏差测试数据全部合格。

3.3 三相电压不平衡度测试数据

不平衡度的测量应在电力系统正常运行的最小方式(或较小方式)下，不平衡负荷处于正常、连续工作状态下进行，并保证不平衡负荷的最大工作周期包含在内。国标GB/T 15543—2008《电能质量 三相电压不平衡》中规定：电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过 2%，短时不得超过 4%；此外，接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%[8]。

通过对3座电厂6台发电机机端、18条厂用电母线、5条送出线路及1条并网母线三相电压不平衡度测试数据评估分析，发现某电厂 6 kV 1 A段母线三相电压不平衡度测试数据存在超标情况，具体测试数据见表 2，其余测点三相电压不平衡度测试数据均在国标限值以内。

表2 6kV 1A段母线三相电压不平衡度测试数据Tab. 2 The test data of three-phase voltage unbalance of 6kV 1A segment bus

3.4 谐波电压及电流测试数据

谐波电压/电流测量应选择在电网正常供电时可能出现的最小运行方式，且应在谐波源工作周期中产生的谐波量大的时段内进行(例如电弧炼钢炉应在融化期测量)。国标GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》中规定了380 V~110 kV各电压等级下的谐波电压/电流限值[9]。

通过对3座电厂28个谐波测点谐波电压和谐波电流测试数据评估分析，发现所测电厂部分发电机机端、6 kV厂用母线部分段谐波电压含有率测试数据较为接近国标限值，部分母线谐波电压含有率测试数据存在超标情况，部分发电机机端电压和厂用电压母线分支谐波电流含有量测试数据(同其他次电流谐波含有量相比)存在明细偏大的情况，具体数据见表 3(其中 THD为总谐波畸变率)和表4。其余大部分谐波测点谐波电压和谐波电流测试数据均满足国标限值要求。

表3 谐波电压含有率测试数据Tab. 3 The test data of harmonic voltage content %

表4 谐波电流含有量测试数据Tab. 4 The test data of harmonic current contains A

3.5 评估分析

通过对3.1~3.4节的测试数据进行评估分析，发现：

1）某电厂6kV 1A段母线C相电压长时闪变测试数据超标，同时该段母线三相电压不平衡度测试数据也超标。怀疑可能的原因是测试期间，此段母线上接大容量异步电动机等快速变化的冲击性负荷且三相负荷分配很不均匀，若要准确判定超标原因，可对该段母线进行电能质量复测，复测期间严格监控母线所带特殊负荷的分布情况。

2）各电厂所测频率偏差测试数据均满足国标要求，不存在不合格数据。由于频率偏差过大引发的电力系统故障及损失将是异常巨大的，因此发电厂配置的发电机频率异常保护是保证电厂各电能质量监测点频率正常的技术措施。

3）部分发电机机端电压3次谐波三相谐波电压含有率较为接近国标限值，导致总谐波畸变率显著增大，也较接近国标限值。此外，还有多台发电机机组电压、6 kV厂用母线3次谐波三相谐波电压含有率超过国标限值而判定为不合格，总谐波畸变率虽未超标但较为接近限值，建议加强监测，定期实施复测。

4）部分发电机机端电压11次谐波三相谐波电流含有量较为接近国标限值，需要加强监测；此外，部分发电机10 kV段分支及10 kV公用段分支5次、7次谐波三相谐波电流含有量较大但未超过国标限值，建议加强监测，必要时复测并查明电流谐波含量较大的具体原因。

4 结论

1）通过评估分析发现，火力发电厂电压闪变、频率偏差、三相电压不平衡度、谐波电压及谐波电流等电能质量指标并不是全部满足国标限值要求，而是存在接近国标限值甚至大幅超过国标限值的情况。因此，电厂相关人员应改变因其厂内电能质量指标较优而武断的判定火电电能质量指标满足标准而轻视电能质量工作的现状，不断加强对电能质量测试与评估工作的重视程度。

2）对于火力发电厂可采取必要的技术手段来保证厂内电能质量，如当机组负荷较大时投入自动发电控制，机组正常运行时投入自动电压控制和一次调频功能，机组使 用自动准同期装置并网，保证汽机阀门动作正常等。

3）火力发电企业应定期邀请专业检测机构进行电能质量普查测试。国标DL/T 1053—2007《电能质量技术监督规程》第7.4.3条规定：“为了全面掌握电网的谐波水平和负荷的谐波特性，应定期(不小于 3年)对所辖电网进行谐波普查测试”。而火电厂作为电网的主力电源，更应从源头严格把控，保证向电网输送电能质量指标优异的电能。

4）电能质量测试数据仅代表测试期间各测点的电能质量实际指标，若火力发电企业内部电气参数发生变化后(如更换变压器、安装无功补偿装置或投退大型变频设备)，需要再次确定受影响监测点的电能质量指标，必须重新测试厂内各监测点的电能质量实际运行水平，及时掌握厂内电能质量水平及其变化情况。

[1] 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会．GB/T 32507—2016 电能质量 术语[S]．北京：中国标准出版社，2016．

[2] 林海雪．电能质量指标的完善化及其展望[J]．中国电机工程学报，2014，34(29)：5073-5079．

[3] 汪云静，蒋勇．浅议发电厂电能质量与监测分析[J]．电源世界，2011(2)：38-41．

[4] 林令知．发电厂电能质量若干问题探讨[J]．电气应用，2012(7)：6-8．

[5] 宋琳．电能质量对发电厂安全运行的影响分析及解决方法[J]．中国高新技术企业，2016(35)：187-188．

[6] 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会．GB/T 12326—2008 电能质量 电压波动和闪变[S]．北京：中国标准出版社，2008．

[7] 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会．GB/T 15945—2008 电能质量 电力系统频率偏差[S]．北京：中国标准出版社，2008．

[8] 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会．GB/T 15543—2008 电能质量 三相电压不平衡[S]．北京：中国标准出版社，2008．

[9] 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会．GB/T 14549—93 电能质量 公用电网谐波[S]．北京：中国标准出版社，1993．