電源不穩(wěn)定的因素及解決辦法

　　一、概 述

　　隨著我國經(jīng)濟建設的蓬勃發(fā)展，社會對電力資源的需求日益增長，用戶對電力系統(tǒng)的要求也越來越高。供電的可靠性和穩(wěn)定性已經(jīng)成為保障經(jīng)濟增長和滿足用戶需求的重要問題。我國作為裝機容量和年發(fā)電量均居世界第二位的電力大國，由于國土遼闊、動力資源與用電中心相距遙遠、城鄉(xiāng)家用電器設備的大量普及，對用戶端電力電壓的穩(wěn)定性提出了更高的要求。保障供電的穩(wěn)定性也是改善內外部投資環(huán)境、滿足人民日益增長的生活水平以及提升綜合國力的重要體現(xiàn)。

　　我國最早的電廠由英商旗昌洋行于1882年開辦的，最初為粵恒電燈公司，后被官商合股收購。我國市電起初主要在殖民地使用，大部分為日本的殖民地，其中東北的電網(wǎng)最大，約占全國的50%。在不同地區(qū)，110V和220V市電都有使用的經(jīng)歷。至解放前，我國還是多種電壓和頻率并存，主要是與發(fā)電設備的生產國制式有關。新中國成立后，統(tǒng)一了全國的電網(wǎng)電壓標準為220V 50Hz。一方面是由于我國沿襲前蘇聯(lián)的制式;另一方面，因為我國國土幅員遼闊，供電半徑要比美洲國家大，出于降低能耗，減少農村、山區(qū)用電成本的目的，我國采用的是比美洲發(fā)達國家更高的市電電壓制度。

　　220V電壓與110V電壓相比的優(yōu)點：第一，傳輸耗電小，減少了能量損耗;第二，傳輸相同電量，在損耗相同的情況下，使用的導線橫截面積要小一倍，節(jié)約了大量的金屬資源;第三，相對減少了變壓器的工作負荷，使變電這一關鍵而又脆弱的節(jié)點有了更多的安全保障;第四，對偷盜電力設備的行為客觀上產生了遏制。

　　二、影響電源穩(wěn)定的因素

　　影響電源穩(wěn)定的因素主要是兩點：不穩(wěn)定電壓和諧波。本文著重從這兩方面分析探討。

　　(一)電壓不穩(wěn)定的危害

　　在現(xiàn)代工業(yè)用電中，一種電氣設備出現(xiàn)故障就會導致流水線、甚至整個工廠作業(yè)的中斷，造成難以想象的損失。對于普通用戶，家用電器長時間在非額定電壓或頻率下工作，會嚴重影響電氣設備的使用壽命。例如：長期在低于額定電壓下工作的計算機，容易出現(xiàn)重啟、程序紊亂、燒毀硬盤等情況。因此在比較重要的信息采集、數(shù)據(jù)檢測分析工作點，都要裝設在線式UPS以保證無間斷供電。

　　(二)電壓不穩(wěn)定的類型

　　電壓不穩(wěn)定主要表現(xiàn)在電壓偏差和電壓波動兩個方面。電壓偏差是在某一時段內，實際電壓幅值“緩慢”變化而偏離了額定電壓，偏差是穩(wěn)態(tài)的，就是我們常說的電壓偏高或偏低。電壓偏差的大小，主要取決與電力系統(tǒng)的運行方式、線路阻抗及有功負荷和無功負荷的變化。電壓偏差主要是用電設備所處的位置及運行的時間，如線路末端電壓偏低，后夜電壓偏高等。

　　為改善電壓偏差，可采取以下措施：一是正確選擇變壓器的變壓比和電壓分接頭;二是合理減少線路阻抗;三是提高功率因數(shù)，進行合理的無功補償，并根據(jù)電壓與負荷變化自動接切無功補償設備容量;四是按照電力系統(tǒng)潮流分布，及時調整運行方式;五是采取用載調壓手段，如選用有載調壓變壓器等。

　　電壓波動是在某一時段內，實際電壓幅值急劇變化而偏離了額定電壓，偏差是動態(tài)的，就是我們所說的電壓忽高忽低。電壓波動主要是由大型用電設備負荷快速變化引起的沖擊性負荷造成的，如軋鋼機咬鋼、起重機提升啟動、電弧爐熔化期發(fā)生工作短路、電弧焊機引弧、電氣機車啟動或爬坡等都有沖擊負荷產生。電壓波動的大小，主要取決于電壓波動的頻度、波動量的大小及工作場所對電壓質量的要求等。抑制電壓波動的措施一是增加供電系統(tǒng)容量，即更換大容量的變壓器，或由大的電網(wǎng)來承擔供電任務;二是提高供電電壓等級;三是采用專用變壓器和專線供電;四是改進生產工藝及操作水平;五是采用專用穩(wěn)壓設備等。

　　(三)引起電壓不穩(wěn)定的原因及解決辦法

　　按供電系統(tǒng)節(jié)點來看，電壓波動可分為高壓側電壓波動和低壓側電壓波動。高壓側電壓波動又可分為進線電源處電壓不穩(wěn)定和高壓母線上電壓不穩(wěn)定。

　　1.進線電源處電壓不穩(wěn)定原因分析

　　原因之一是上一級電源質量不高。解決方法是更換電源或在上一級負荷處重新架設一條供電線路。原因之二是傳輸過程中(進線電纜)存在問題。解決方法是檢查是否存在電纜破損、電纜質量、電纜選型不正確的情況，有針對性地加以改善。

　　2.高壓母線上電壓不穩(wěn)定原因分析

　　原因之一是變壓器三相空載導致高壓側母線電壓不穩(wěn)定。解決方法是重新計算變壓器的負載率，更換更大一級容量的變壓器。原因之二是在變壓器負載時，大功率設備沖擊電網(wǎng)造成高壓側母線電壓不穩(wěn)定。解決方法如下 一是對大功率設備采用變頻啟動或軟啟動方式，來減少對電網(wǎng)的沖擊。二是大功率設備盡量采用高壓電機，以優(yōu)化電能質量。三是對個別大功率設備，采用單獨無功補償裝置穩(wěn)定電壓。

　　3.低壓側電壓波動可分為電纜出線端電壓不穩(wěn)定、設備入線端電壓不穩(wěn)定和低壓母線上電壓不穩(wěn)定。

　　(1)電纜出線端和設備入線端電壓不穩(wěn)定原因分析。原因之一是外接負載功率較大導致的啟動電流沖擊。解決方法是優(yōu)化設備啟動方式。一是對大功率設備采用變頻啟動或軟啟動方式，來減少對電網(wǎng)的沖擊。二是大功率設備盡量采用高壓電機，以優(yōu)化電能質量。

　　三是對個別設備采用單獨無功補償裝置穩(wěn)定電壓。原因之二是傳輸過程中存在問題。解決方法一是檢查電纜是否存在電纜破損等質量問題，如有則更換電纜，如非質量問題則存在電纜選型問題，應重新計算電纜壓降，從配電柜出線端到設備進線口的電纜壓降，看是否超過了5%，如果超過了，要更換大一級的電纜來進行電能的傳輸。

　　(2)低壓側母線電壓不穩(wěn)定原因分析。 其原因是整個供電系統(tǒng)功率因數(shù)的問題。解決方法是提高整個供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，增大無功功率，使功率因數(shù)提高到90%以上。

　　(3)按交流和直流來分。按交流與直流來分，低壓側母線電壓不穩(wěn)定可分為交流電壓波動和直流電壓不穩(wěn)定。交流電主要承擔煤礦除工藝集中控制外的所有負荷;直流電主要負責供給工藝集中控制信號的電源。直流電壓不穩(wěn)定原因有三：一是電源;二是負載;三是接觸不良。解決方法一是更換電源或改善傳輸路徑;二是提高負載供電等級;三是檢查接觸裝置按設備負載。

　　(4)按負載來分。按設備負載來分，低壓側母線電壓不穩(wěn)定可分為帶沖擊負載的電動機引起電壓波動、由反復短時工作負載引起電壓波動、大型電動機啟動時引起電壓波動和供電系統(tǒng)短路電流引起的電壓波動。

　　5)帶沖擊負載的電動機引起的電壓波動。由于生產工藝的需要，有些設備的電動機負載是沖擊性的。如沖床、壓力機和軋鋼機等。其特點是在工作過程中負荷產生劇增和劇減變化，并周期性地交替。這些設備一般采用帶飛輪的電，力拖動系統(tǒng)。由于飛輪的儲能和釋能作用，拉平了電動機軸上的負載，從而降低了電動機的能耗。但因其機械慣性較大沖擊電流依然存在，所以伴隨負荷產生周期性交替的電壓波動不可避免。

　　(6)由反復短時工作負載引起電壓波動。這類負載的特點是呈現(xiàn)周期性交替的增減變化。但其交替的周期是不定值，且交替的幅值也是不定值，如吊運工件的吊車，手工交直流電焊機等。當前企業(yè)為節(jié)能降耗在交直流電焊機上都裝設了自動斷電裝置，因此在節(jié)電的同時電動機的啟動電流和焊接變壓器的涌流卻加劇了所在電網(wǎng)的電壓波動。

　　(7)大型電動機啟動時引起電壓波動。目前，企業(yè)使用的電動機功率越來越大，其啟動電流(為額定電流的4~7倍)所引起的電壓波動成為一個不可忽視的問題。啟動電流不但數(shù)值很大，而且具有很低的滯后功率因數(shù)，故其電壓波動將更大。

　　(8)供電系統(tǒng)短路電流引起的電壓波動。由于各種原因，企業(yè)的許多高、低壓配電線路及電氣設備可能發(fā)生不同性質的短路。在這種情況下，如繼電保護裝置或斷路器失靈就會使故障持續(xù)存在也會造成越級跳閘，輕則損壞配電裝置，重則造成大面積停電，延長整個電網(wǎng)的電壓波動時間，并擴大波動范圍。解決方法一是合理選擇變壓器的分接頭，保證用電設備的電壓水平。二是設置電容器進行人工補償。三是配電變壓器并列運行。四是采用電抗值最小的高低壓配電線路方案。五是線路出口加裝限流電抗器。六是大型感應電動機帶電容器補償。七是采用電力穩(wěn)壓器穩(wěn)壓。

　　三、諧波的形成和危害

　　(一)諧波的形成

　　在我國，電力系統(tǒng)的發(fā)電機發(fā)出的電壓，一般可認為是50Hz的正弦波。但是由于系統(tǒng)中各種非線性元件存在，因而在系統(tǒng)和用戶處的線路都會出現(xiàn)諧波，導致電流或電壓波形出現(xiàn)畸變，從而影響交流電的質量。當電網(wǎng)中的電壓和電流波形非理想的正弦波時，即說明其中含有高于50Hz的電壓和電流成分，我們將頻率高于50Hz的電流或電壓成分稱之為諧波。

系統(tǒng)中產生諧波的非線性元件很多，例如熒光燈、各種氣體放電燈及交流電動機、電焊機、變壓器、變頻器等，