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摘要：以钢铁企业为代表的冲击型负荷对电力系统造成电压波动、闪变以及谐波等影响，同时对邻近发电机组造成冲击，影响其安全稳定运行，本文浅要分析了冲击型负荷对地区电网的带来的影响及解决措施。
关键词：冲击负荷电网影响措施
中图分类号：U665.12 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
随着地区经济的不断发展，地区电网负荷增长迅猛，其中不乏大量钢铁企业，其负荷主要为电炉、电机等高耗能设备，负荷曲线呈现出锯齿型曲线的特点，对电力系统造成有功以及无功冲击，影响电网的电能质量，对邻近发电机组的稳定运行造成危害。本文浅析了冲击负荷对地区电网设备以及运行方式安排方面的影响，并提出了解决措施。
1冲击负荷对系统的影响
1.1 对邻近发电机组的影响及措施
1.1.1 发电机轴系疲劳损耗
作为评估冲击负荷对发电机组轴系扭振影响的直接指标，疲劳寿命损耗的估算可以依据表现轴系特性的 S－N 曲线（扭应力—循环曲线）进行评估，如图1所示，该曲线的基本含义是：轴截面在经过大小为SN的扭应力作用 N 次后，会发生疲劳破坏，产生裂纹甚至是完全断裂。当n足够大时，Sn所引发的疲劳损耗可以忽略不计，即存在最小扭应力Sn引发轴系的疲劳损耗，一般可以将其称之为轴系疲劳极限。轴系疲劳寿命损耗是按照 Miner 线性累计损伤理论进行估算的所以可以认为在扭应力SN的一次作用下所产生的疲劳寿命损耗为 1/N，在经过 m 次循环冲击后，其疲劳损耗为 m/N。轴系的疲劳损耗具有非常强的隐蔽性，在单次扰动的冲击下机组的主轴一般不会出现严重的损坏，但当多次的冲击引起的疲劳损耗累加在一起，超过了轴系所能承受的最大限度时轴系才会发生突然的损坏或者断裂。在实际的应用中，发电机组轴系的疲劳损耗涉及到的因素很多，而且作用机理相当复杂，对于在复杂载荷条件下的发电机组轴系的疲劳损耗进行估算是一个相当复杂的问题。
图1S－N曲线
冲击性负荷在电网中的作用是具有常态性的，对于发电机组而言，应对冲击性负荷的影响应该属于一种有计划的运行操作。在冲击负荷引发的发电机组轴系疲劳损耗的评估方面，国内外一直以来都未形成统一标准。国际大电网会议组织（CIGRE）曾提出过一个针对汽轮发电机组轴系设计的建议，在建议中提到：有计划地运行操作不应引起轴系疲劳损耗。也就是说要使发电机组在冲击性负荷的作用下保持运行的安全稳定就应该使负荷对发电机组轴系造成的冲击损耗趋近于0。通过对轴系的S－N曲线的分析，从力矩的角度考虑，应该定义轴系最大安全力矩Tmax，只要Tmax小于轴系疲劳极限所对应的应力力矩 Tn，就可以满足上述要求，即：
Tmax＜Tn
1.1.2 冲击负荷对发电机影响的解决措施
冲击性负荷对发电机组的主要影响是对轴系的暂态扭矩冲击，应合理确定其疲劳极限，使轴系所承受的最大力矩小于其疲劳极限所对应的力矩；如果无法准确地获取机组轴系的疲劳极限，也可以依据电磁功率的变化进行评估，将 0.1p.u.作为电磁功率的变化上限。当负荷对机组的冲击超出预设上限时，就应对负荷的接入和运行的方式进行调整，以保证机组的运行安全；对于地区电网来说可以合理安排机组并网方式尽量使发电机组远离冲击负荷接入点。
1.2不对称负荷对系统的影响及措施
钢厂的电炉在冶炼过程中由于控制及炉料的不均匀皆会造成电极电弧的三相不对称，一般运行中不对称度约为I2=20％I1N左右，严重时电极会形成两相通过钢水短路、另一相断弧的情况，但持续时间很短，约2～3s。电炉冶炼的不对称在电极端形成负序电压源向系统注入负序电流，对负荷接入点及电网内运行的同步发电机组产生负序电压和负序电流。超标的负序电流可造成继电保护和安全自动装置误动作。
根据GB/T 15543-2008《电能质量 三相电压不平衡》，电力系统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%。根据连接点的负荷状况及邻近发电机、继电保护和自动装置安全运行的要求，可适当变动，但必须满足正常≤2％、短时≤4％的规定。因此，应在工程接入系统可研阶段就以不对称度最大的运行工况进行计算使冲击负荷的不对称运行影响指标在规定范围内。
1.3冲击负荷的暂态过程对系统影响及措施
1.3.1 接入点电压波动及闪变影响及措施
钢厂的电炉是供电电网的很大的负载，而且在运行中经常产生突然的、强烈的电流冲击，导致电网电压的快速波动，频率为0.1～30Hz。其中特别是频率在1～10Hz之间的电压波动会引起照明白炽灯和电视画面的闪烁，使人们感到烦躁，这类干扰称之为闪烁或闪变(Fluctuation)。强烈的闪烁会造成电机转动不稳定，电子装置误动作甚至损坏，也会使电网供电的用户(包括电弧炉本身)的实际功率减少，闪烁是对电网的一种公害。
对于电压波动或者闪变主要可以安装动态无功补偿装置或者有源滤波器来进行控制。
1.3.2 接入点高频谐波影响及措施
交流电弧炉在炼钢过程中其电流会产生非正弦畸变和各次谐波，对电网造成干扰。其主要原因有：电弧的电阻值不恒定，并且在交流电弧的半个周期中电弧电阻也在变动，这造成电弧电流的非正弦畸变；交流电的正负半周换相，石墨电极和炉料交替作阴极和阳极，因不同材料的发射电子能力不一样，故使电流的正负两个半周的波形不对称，造成偶次谐波；三相电弧不均衡，导致三次谐波；供电系统连接的各种谐波源导致各种谐波的形成，如静补装置中的整流器等等。
谐波电流流入电网，使电压波形发生畸变，引起电气设备发热、振动以及保护误动作等。谐波对电气设备的危害很大，可使变压器等设备损坏。还会使电动机转子发生振动现象，影响机械加工的产品质量。此外，谐波电流可使电力线路的电能损耗和电压损耗增加，使计量电能的感应式电度表计量不准确；还可能造成系统的继电保护和自动装置发生误动作或拒动作；并可对附近的通信设备和通信线路产生信号干扰等等危害。
因此，需安装谐波补偿装置进行谐波补偿或者安装有源或者无源滤波器对谐波进行过滤。
2 结束语
钢铁企业的崛起给当地经济的发展带来动力，同时由于其使用的大功率设备对地方电网必然带来冲击，影响电能质量以及当地电网的安全稳定运行，需要引起供电公司的重视。我们应当在源头上予于控制，在项目的前期就对冲击负荷的接入严把控制关，对冲击负荷对电网的影响进行研究，提出治理方案，确保电网的安全稳定以及电压电能质量的合格。
参考文献：
[1]施偉,刘建辉.地区电力长期负荷预测方法研究[J].中国科技
信息,2006,(23).
[2]钟庆,吴捷,黄武忠.电力系统负荷分区分布预测[J].国际电力,2003,7(4).
作者简介：
薛风华（1981-），男，工程师，技师，从事地区电网运行方式管理工作。
关键词：冲击负荷电网影响措施
中图分类号：U665.12 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
随着地区经济的不断发展，地区电网负荷增长迅猛，其中不乏大量钢铁企业，其负荷主要为电炉、电机等高耗能设备，负荷曲线呈现出锯齿型曲线的特点，对电力系统造成有功以及无功冲击，影响电网的电能质量，对邻近发电机组的稳定运行造成危害。本文浅析了冲击负荷对地区电网设备以及运行方式安排方面的影响，并提出了解决措施。
1冲击负荷对系统的影响
1.1 对邻近发电机组的影响及措施
1.1.1 发电机轴系疲劳损耗
作为评估冲击负荷对发电机组轴系扭振影响的直接指标，疲劳寿命损耗的估算可以依据表现轴系特性的 S－N 曲线（扭应力—循环曲线）进行评估，如图1所示，该曲线的基本含义是：轴截面在经过大小为SN的扭应力作用 N 次后，会发生疲劳破坏，产生裂纹甚至是完全断裂。当n足够大时，Sn所引发的疲劳损耗可以忽略不计，即存在最小扭应力Sn引发轴系的疲劳损耗，一般可以将其称之为轴系疲劳极限。轴系疲劳寿命损耗是按照 Miner 线性累计损伤理论进行估算的所以可以认为在扭应力SN的一次作用下所产生的疲劳寿命损耗为 1/N，在经过 m 次循环冲击后，其疲劳损耗为 m/N。轴系的疲劳损耗具有非常强的隐蔽性，在单次扰动的冲击下机组的主轴一般不会出现严重的损坏，但当多次的冲击引起的疲劳损耗累加在一起，超过了轴系所能承受的最大限度时轴系才会发生突然的损坏或者断裂。在实际的应用中，发电机组轴系的疲劳损耗涉及到的因素很多，而且作用机理相当复杂，对于在复杂载荷条件下的发电机组轴系的疲劳损耗进行估算是一个相当复杂的问题。
图1S－N曲线
冲击性负荷在电网中的作用是具有常态性的，对于发电机组而言，应对冲击性负荷的影响应该属于一种有计划的运行操作。在冲击负荷引发的发电机组轴系疲劳损耗的评估方面，国内外一直以来都未形成统一标准。国际大电网会议组织（CIGRE）曾提出过一个针对汽轮发电机组轴系设计的建议，在建议中提到：有计划地运行操作不应引起轴系疲劳损耗。也就是说要使发电机组在冲击性负荷的作用下保持运行的安全稳定就应该使负荷对发电机组轴系造成的冲击损耗趋近于0。通过对轴系的S－N曲线的分析，从力矩的角度考虑，应该定义轴系最大安全力矩Tmax，只要Tmax小于轴系疲劳极限所对应的应力力矩 Tn，就可以满足上述要求，即：
Tmax＜Tn
1.1.2 冲击负荷对发电机影响的解决措施
冲击性负荷对发电机组的主要影响是对轴系的暂态扭矩冲击，应合理确定其疲劳极限，使轴系所承受的最大力矩小于其疲劳极限所对应的力矩；如果无法准确地获取机组轴系的疲劳极限，也可以依据电磁功率的变化进行评估，将 0.1p.u.作为电磁功率的变化上限。当负荷对机组的冲击超出预设上限时，就应对负荷的接入和运行的方式进行调整，以保证机组的运行安全；对于地区电网来说可以合理安排机组并网方式尽量使发电机组远离冲击负荷接入点。
1.2不对称负荷对系统的影响及措施
钢厂的电炉在冶炼过程中由于控制及炉料的不均匀皆会造成电极电弧的三相不对称，一般运行中不对称度约为I2=20％I1N左右，严重时电极会形成两相通过钢水短路、另一相断弧的情况，但持续时间很短，约2～3s。电炉冶炼的不对称在电极端形成负序电压源向系统注入负序电流，对负荷接入点及电网内运行的同步发电机组产生负序电压和负序电流。超标的负序电流可造成继电保护和安全自动装置误动作。
根据GB/T 15543-2008《电能质量 三相电压不平衡》，电力系统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%。根据连接点的负荷状况及邻近发电机、继电保护和自动装置安全运行的要求，可适当变动，但必须满足正常≤2％、短时≤4％的规定。因此，应在工程接入系统可研阶段就以不对称度最大的运行工况进行计算使冲击负荷的不对称运行影响指标在规定范围内。
1.3冲击负荷的暂态过程对系统影响及措施
1.3.1 接入点电压波动及闪变影响及措施
钢厂的电炉是供电电网的很大的负载，而且在运行中经常产生突然的、强烈的电流冲击，导致电网电压的快速波动，频率为0.1～30Hz。其中特别是频率在1～10Hz之间的电压波动会引起照明白炽灯和电视画面的闪烁，使人们感到烦躁，这类干扰称之为闪烁或闪变(Fluctuation)。强烈的闪烁会造成电机转动不稳定，电子装置误动作甚至损坏，也会使电网供电的用户(包括电弧炉本身)的实际功率减少，闪烁是对电网的一种公害。
对于电压波动或者闪变主要可以安装动态无功补偿装置或者有源滤波器来进行控制。
1.3.2 接入点高频谐波影响及措施
交流电弧炉在炼钢过程中其电流会产生非正弦畸变和各次谐波，对电网造成干扰。其主要原因有：电弧的电阻值不恒定，并且在交流电弧的半个周期中电弧电阻也在变动，这造成电弧电流的非正弦畸变；交流电的正负半周换相，石墨电极和炉料交替作阴极和阳极，因不同材料的发射电子能力不一样，故使电流的正负两个半周的波形不对称，造成偶次谐波；三相电弧不均衡，导致三次谐波；供电系统连接的各种谐波源导致各种谐波的形成，如静补装置中的整流器等等。
谐波电流流入电网，使电压波形发生畸变，引起电气设备发热、振动以及保护误动作等。谐波对电气设备的危害很大，可使变压器等设备损坏。还会使电动机转子发生振动现象，影响机械加工的产品质量。此外，谐波电流可使电力线路的电能损耗和电压损耗增加，使计量电能的感应式电度表计量不准确；还可能造成系统的继电保护和自动装置发生误动作或拒动作；并可对附近的通信设备和通信线路产生信号干扰等等危害。
因此，需安装谐波补偿装置进行谐波补偿或者安装有源或者无源滤波器对谐波进行过滤。
2 结束语
钢铁企业的崛起给当地经济的发展带来动力，同时由于其使用的大功率设备对地方电网必然带来冲击，影响电能质量以及当地电网的安全稳定运行，需要引起供电公司的重视。我们应当在源头上予于控制，在项目的前期就对冲击负荷的接入严把控制关，对冲击负荷对电网的影响进行研究，提出治理方案，确保电网的安全稳定以及电压电能质量的合格。
参考文献：
[1]施偉,刘建辉.地区电力长期负荷预测方法研究[J].中国科技
信息,2006,(23).
[2]钟庆,吴捷,黄武忠.电力系统负荷分区分布预测[J].国际电力,2003,7(4).
作者简介：
薛风华（1981-），男，工程师，技师，从事地区电网运行方式管理工作。