中平能化吴寨矿谐波测试与治理研究.docx
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中平能化吴寨矿谐波测试与治理研究
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本科生毕业设计(论文)
中平能化吴寨矿谐波测试与治理研究
题目:
姓名:
学号:
21078044
班级:
二〇一〇年六月
中国矿业大学
本科生毕业设计
姓名:
学号:
学院:
专业:
设计题目:
中平能化吴寨矿谐波测试与治理研究
指导教师:
职称:
2010年6月
中国矿业大学毕业设计任务书
毕业设计题目:
中平能化吴寨矿谐波测试与治理研究
毕业设计主要内容和要求:
1、学习谐波的基本概念,了解谐波的危害,分析矿井主要谐波源;
2、以某矿为研究背景,进行谐波测试;
3、对测试数据进行分析;
4、针对谐波特性,给出滤波方案。
院长签字:
指导教师签字:
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语(①基础理论及基本技能的掌握;②独立解决实际问题的能力;③研究内容的理论依据和技术方法;④取得的主要成果及创新点;⑤工作态度及工作量;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
指导教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语(①选题的意义;②基础理论及基本技能的掌握;③综合运用所学知识解决实际问题的能力;③工作量的大小;④取得的主要成果及创新点;⑤写作的规范程度;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
评阅教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩:
答辩委员会主任签字:
年月日
学院领导小组综合评定成绩:
学院领导小组负责人:
年月日
摘要
随着国民经济的发展,对能源的需求不断增长,我国煤矿行业的自动化水平不断提高,尤其是计算机、现代控制理论、精密测量技术的应用,使得敏感负荷所占比重日益增大,煤矿电网对电能质量的要求越来越高。
煤矿电网电能质量严重超标正在大范围的污染供电环境,危及电网及其供电设备的安全稳定运行,严重的影响煤矿企业的经济效益。
论文首先论述了电能质量的基本概念,总结了电能质量问题的起因及其特点,详细分析总结了其国内外研究发展概况与趋势。
根据中平能化集团吴寨矿电网电能质量的测试要求,提出了研究思路和技术路线,通过110KV、35KV等不同电压等级电网的测试与分析发现了中平能化集团吴寨矿电网电能质量存在的问题。
基于实际测试结果及吴寨矿电网存在的实际情况,对比分析了国内外谐波治理的各种方法,并对比了它们的优缺点。
并提出了治理方案。
关键词:
电能质量;谐波;电能质量测试;结果分析
ABSTRACT
Withthedevelopmentofthenationaleconomy,Thedemandforenergyisgrowing,Ourcountry’sautomationlevelofcoalindustrycontinuedtoincrease.Inparticulartheapplicationofcomputer,moderncontroltheory,precisionmeasurementtechnology,causedincreasingtheproportionofofthesensitiveload,CoalPowerGridPowerQualityrequirementsaremuchtoohigh.Seriouscoalpowergridpowerqualityoverstandardisawiderangeofenvironmentpollutioninpower,endangerthepowergridandpowersupplyequipmentforsafeandstableoperation,seriousimpactontheeconomicbenefitsofcoalminingenterprises.
Firstofall,thepapersanalysistheimpactofindustrialproductionofPowerquality,summedupthecausesoftheproblemofpowerqualityandcharacteristics,detailedanalysisandsummaryofitsresearchanddevelopmentathomeandabroadOverviewandTrends.AccordingtoZhongPingEnergyChemicalGroupWuzhaiminegridtestrequirementsofpowerquality,proposedresearchideasandtechnologyroadmap,by110KV,35KVvoltagepowergridsandothertestingandanalysisshowedthatinZhongPingEnergyChemicalGroupWuzhaiminegridpowerqualityproblems.
BasedontheactualtestresultsandtheexistenceofWuzhaiminetheactualsituationinpowersystem,comparativeanalysisofgovernanceathomeandabroadofvariousmethodsofharmonic,andcontrasttheiradvantagesanddisadvantages.AndfromthepointofviewofActiveFilter,calculatedthecapacityofthenecessaryequipment,anditseconomicbenefits.
Keywords:
PowerQuality;Harmonic;PowerQualityTesting;Analysis
目录
1绪论1
1.1课题研究的价值和意义1
1.2谐波的概念2
1.3谐波的危害2
1.3.1谐波对电容器的影响。
2
1.3.2谐波对电力变压器的影响。
3
1.3.3谐波对继电保护自动装置和自动装置的影响。
3
1.3.4谐波对继电保护整定的影响。
3
1.3.5谐波对电力避雷器的影响4
1.3.6谐波对电力系统其他运行设备的影响4
1.4谐波源主要包括的设备4
1.5论文研究内容及意义5
2吴寨矿电网谐波测试6
2.1谐波测试原理6
2.2吴寨矿电网概况7
2.3吴寨矿电网谐波测试方案8
2.3.1测试依据标准8
2.3.2测试内容及要求9
2.3.3测试点选择10
2.3.4测试步骤10
2.4本章小结11
3吴寨矿电网谐波测试结果分析12
3.1测试数据分析方法12
3.2吴寨矿变电站电能质量测试结果与分析13
3.2.1进线侧及主井谐波测试13
3.2.2110kV变电站电能质量测试结果分析18
3.2.3分析与评价29
3.3本章小结29
4谐波治理30
4.1谐波的治理措施30
4.2治理方法比较30
4.2.1无源滤波器FC30
4.2.2有源滤波器APF31
4.3治理方案34
4.3.1方案计算34
4.3.2电能质量有源恢复系统(MARS)型号的选择34
4.3.3仿真38
4.4本章小结39
5全文总结40
参考文献41
翻译部分42
英文原文42
中文翻译45
致谢49
1绪论
1.1课题研究的价值和意义
电力系统的谐波问题很多年前就已经出现了,但是,近年来这个问题因为同时出现的两种趋势而变得更加严重。
这两种趋势为电力部门为改善功率因数而大量增加使用电容器组;工业界为提高系统的可靠性和效率而广泛使用电力电子变流器。
电力部门一直非常关注电网的功率因数,要求工矿企业电网必须在较高的功率因数下运行,因为电网在高功率因数下运行可以降低设备所需的额定值并降低线路电能损耗和电压降落,从而减少对电压调节设备的需求。
然而,电力部门的上述要求是与工业界大量增加使用变速传动和电力电子设备相并行的。
变速传动和电力电子设备将造成电网功率因数的下降,这就使得许多大型电力电子设备与进行功率因数校正电容器组同时在电网上运行,其结果就会导致大量谐波的产生以及对谐波放大。
近年来伴随着半导体电子工业的迅猛发展,一系列精密设备相继问世,与过去粗笨的设备相比,这些精密设备一方面对电力部门供给的电能质量更加敏感,同时又导致交流电流和电压稳态波形的畸变。
上述的一些相互冲突的局面决定了电能质量问题备受关注,人们必须严肃对待电流和电压的畸变问题,而电流和电压畸变的主要形式是谐波畸变。
谐波研究的意义,更可以上升到治理环境污染维护绿色环境的角度来认识。
对电力系统这个环境来说,无谐波就是“绿色”的主要标志之一。
在电力电子技术领域,要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。
目前,对电力系统谐波污染的治理也己成为电工科学技术界所必须解决的问题。
“谐波”一词起源于声学。
有关谐波的数学分析在世纪和世纪已经奠定了良好的基础。
傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。
电力系统的谐波问题早在世纪二、三十年代就引起了人们的注意。
当时在德国,由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。
到了五、六十年代,由于高压直流输电技术的发展,发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。
70年代以来,由于电力电子技术的飞速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛,谐波所造成的危害也日趋严重。
世界各国都对谐波问题予以充分的关注。
国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议,不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。
在国际上,各个国际组织,如国际电气电子工程师协会,国际电工委员会和国际大电网会议也纷纷推出了各自建议的谐波标准,其中较有影响的是IEEE519--192和IEC555--2。
我国原水利电力部于1984年制定并发布了SD126--84《电力系统谐波管理暂行规定》。
国家技术监督局于1993年发布了国家标准GB/T14549---93《电能质量公用电网谐波》。
1.2谐波的概念
国际公认的谐波定义为:
“谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍”。
这是将一个周期电气量按傅立叶级数展开而获得的。
说明谐波频率和该周期频率之比为正整数,如我国电力系统的额定频率为50HZ,即基波频率的额定值为50HZ,二次谐波的频率为100HZ,三次谐波的频率为150HZ等。
同时,根据傅立叶级数的基本理论,该周期量必须是周期性重复的。
此外,实际电力系统中常存在一些频率不是基波频率整数倍的正弦分量,这些分量频率与基波频率之比,有些是分数,如1/2;1/3…等,则称之为次谐波或分数次谐波,有些则介于两个整数之间,如2、5、3、6……等,则称之为间谐。
它们的情况与谐波不尽相同。
1.3谐波的危害
1.3.1谐波对电容器的影响
当配电系统非线性用电负荷比重较大,并联电容器组投入时,一方面由于电容器组的谐波阻抗小,注入电容器组的谐波电流打,使电容器过负荷而严重影响其使用寿命,另一方面当电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感相等而发生谐振时,引起电容器谐波电流严重放大使电容器过热而导致损坏。
因此,电压谐波和电流谐波超标,都会使电容器的工作电流增大和出现异常,例如,对于常用自愈式并联电容器,其允许过电流倍数是1.3倍额定电流,当电容器的电流超过这一限制时,将会造成电容器的损坏增加、发热异常、绝缘加速老化而导致使用寿命降低,甚至造成损坏事故。
同时,谐波使工频正弦波形发生畸变,产生锯齿状尖顶波,易在绝缘介质中引发局部放电,长时间的局部放电也会加速绝缘介质的老化、自愈性能下降,而容易导致电容器损坏。
按照电力系统谐波管理规定,电网中任何一点电压正弦波的畸变率(歌词谐波电压有效值的均方根与基波电压有效值的百分比),均不得超过表1-1规定。
表1-1 电网电压正弦波形畸变极限值
用户供电电压(kV)
总电压正弦波形畸变率极限值
各奇、偶次谐波电压正弦波形畸变率极限之(%)
0.38
5
4
2
6或10
4
3
1.75
35或63
3
2
1
110
1.5
1
0.5
1.3.2谐波对电力变压器的影响
(1)谐波电流使变压器的铜耗增加,引起局部过热,振动,噪声增大,绕组附加发热等。
(2)谐波电压引起的附加损耗使变压器的磁滞及涡流损耗增加,当系统运行电压偏高或三相不对称时,励磁电流中的谐波分量增加,绝缘材料承受的电气应力增大,影响绝缘的局部放电和介质增大。
对三角形连接的绕组,零序性谐波在绕组内形成换流,使绕组温度升高。
(3)变压器励磁电流中含谐波电流,引起合闸涌流中谐波电流过大,这种谐波电流在发生谐振时的条件下对变压器的安全运行将造成威胁。
1.3.3谐波对继电保护自动装置和自动装置的影响
1.对继电保护及自动装置运行环境的影响
(1)在谐波严重超标的电弧炉负荷、电气化铁路等谐波含量大的局部电网中会受到影响。
(2)频繁出现变压器严重涌流且涌流衰减缓慢的变电站受到涌流产生谐波的干扰。
(3)在系统因短路容量太小而可能出现较大谐波电压影响的场所会受到影响。
(4)在易发生谐波谐振的配电系统、输电系统、变电站网架近会受到影响。
(5)在谐波受到电容器组或其他原因而被放大严重的网络附近会受到影响。
2.继电保护及自动装置利用的启动量小
利用负序电流或电压、零序电流或电压、差动电流或电压启动会受到谐波的影响。
其中利用负序量启动的对谐波的敏感性最大。
3.继电器或启动元件本身对谐波敏感
(1)晶体管或集成电路保护装置的动作量非常小和动作时间非常少,因此它的启动判据容易受到谐波影响而出现较大的误差。
(2)利用信号过零取样的控制系统及利用数据过零点的数字式继电器或微机保护,都会受到谐波的影响和干扰。
1.3.4谐波对继电保护整定的影响
继电保护正常运行中,当电源谐波分量较高时,可能会引起过电压保护、过电流保护的误动作。
当三相严重不对称时,在正序性谐波或负序性谐波含量较高的情况下,可能对以负序滤过器为启动元件的保护装置产生干扰,而引起误动。
如某地电气化铁路通车后,曾发生过由于牵引变电所注入系统大量的谐波和负序电流,引起供电系统电能质量指标严重恶化,多次造成发电机的负序电流保护误动,主变压器的过电流保护装置误动,线路的距离保护振荡闭锁装置误动,高频保护收发讯机误动,母线差动保护误动和故障录波器误动的事故。
近年来,微机保护装置的大规模使用,使信号中的谐波干扰既可能引起测量误差,又可能对装置关键处理模块的正常工作产生干扰,从而引起保护装置的误动或拒动。
如上海宝钢就发生过因电弧炉产生谐波的影响,造成谐波电流对数字型差动保护产生干扰,使差动保护动作跳闸的事故。
1.3.5谐波对电力避雷器的影响
变电站大容量、高电压的变压器由于合闸涌流的过程时间比较长,能够延续数秒或更长的时间,有时还会引起谐振过电压,并使相关避雷器的放电时间过长而受到损坏。
这一问题对选择保护高压滤波器中电感或电容元件用的避雷器参数带来较大的困难。
1.3.6谐波对电力系统其他运行设备的影响
(1)对同步发电机的影响。
用户的负序电流和谐波电流注入系统内的同步发动机,将产生附加损耗,引起发电机局部发热,降低绝缘强度。
同时,由于输出的电压波形中产生附加谐波分量,使负载的同步发电机转子发生扭振,降低其工作寿命。
(2)对断路器的影响。
谐波会使某些断路器的磁吹线圈不能正常工作,断路器的遮断能力降低,不能遮断波形畸变率超过一定限值的故障电流,对中压断路器截断电感电流时可能发生谐频涌波电压和重燃现象,导致断路器触头烧损。
(3)对消弧线圈的影响。
当电网谐波成分较大时,发生单相接地故障,消弧线圈对谐波电流将可能不起作用,在接地点得不到的补偿,从而引发系统的故障扩大。
(4)对载波通信的影响。
高谐波含量对电力载波通信的干扰主要表现在语音通信过程中产生噪声,数据传输失真,降低EMS、DAS实时数据的真实可靠性,造成集中抄表系统中数据出错等故障。
1.4谐波源主要包括的设备
1.电力电子设备
电力电子设备主要包括整流器、变频器、开关电源、静态换流器、晶闸管系统及其他SCR控制系统登。
由于工业与民用电力设备常用到这类电力电子设备和电路,如整流和变频电路,其负载性质一般分为感性和容性两种,感性负载的单相整流电路为含奇次谐波的电流型谐波源。
而容性负载的单相整流电路,由于电容电压会通过整流管向电源反馈,属于电压型谐波源,其谐波含量与电容值的大小有关,电容值越大,谐波含量越大。
变频电路谐波源由于采用的是相位控制,其谐波成分不仅含有整数倍数的谐波,还含有非整数倍数的间谐波。
2.可饱和设备
可饱和设备主要包括变压器、电动机、发电机等。
可饱和设备是非线性设备,其铁心材料具有非线性磁化曲线和磁滞回线,在正弦波电压的作用下,励磁电流为对称函数,并满足。
应用傅立叶级数分解时仅含有奇次项,对于三相对称的变压器,3次谐波的奇数倍(3次,6次,9次……)谐波均为零序,可认为变压器是只产生奇次谐波的电流源型谐波源。
变压器的谐波次数还受到一、二次侧接线方式的影响,谐波的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程序越高,谐波电流就越大。
与电力电子设备和电弧设备相比,可饱和设备上的谐波在未饱和的情况下,其谐波的幅值往往可以忽略。
3.电弧炉设备及气体电光源设备
(1)电弧炉在熔炼金属过程中的非线性影响将产生大量的谐波。
(2)气体电光源包括荧光灯、卤化灯、霓虹灯灯。
根据这类气体放电光源的伏安特性,其非线性特性十分严重,同时含有负的伏安特性。
而气体灯具工作时要与电感性镇流器相串联,并使其综合伏安特性不再为负才能正常工作。
由于镇流器的非线性相当严重,其中三次谐波含量再20%以上,其特性为对称函数,只含有奇次谐波,所以气体电光源设备属于电流源型谐波源。
1.5论文研究内容及意义
本文所研究的内容依托于平顶山煤业集团吴寨矿电网谐波的测试。
文中根据国家电能质量测试标准及平顶山电网具体情况,确定测试方案,利用专业电能质量测试HIOKI3196,对吴寨矿电网进行系统测试。
对电网110kV、35kV两个电压等级及各变电站的公共连接点进行连续监测,电能质量测试内容包括:
电压不平衡率、电压总谐波畸变率、电流不平衡率、电流总谐波畸变率、三相视在功率、三相有功功率、三相无功功率、三相的功率因数、各次电流谐波等。
最后根据国家电能质量标准,利用相关数据处理分析软件,对测试数据进行系统分析,给出平顶山煤业集团吴寨矿电网谐波评估报告。
最后根据吴寨矿的谐波状况,简单介绍了国内外谐波的治理设备及优缺点,根据具体请情况提出了谐波治理方案,并对治理结果进行了仿真。
2吴寨矿电网谐波测试
2.1谐波测试原理
电网中谐波问题可用理论分析来研究也可用实际测量来研究。
但由于电网中谐波问题复杂,用数学计算的方法,目前尚无法进行准确的分析,最终还是要以实际测量的结果为依据,有时甚至以初测量结果作为问题的出发点。
因此,要求有可靠的测量手段与装置,而且要求测量结果可信。
一般地,在进行交流电力设备和仪器设计时,都是假定供给设备或仪器的电源具有正弦波性且电压值和频率也是稳定的。
对于电压和频率在规定的允许范围内变化所引起的影响,通常是可以预测的。
但对于电源波形畸变的影响,在出现谐波测量仪器之前,很难进行定量分析。
在大多数情况下,畸变的负载电流是由用户的非线性负载或是由电压源存在的畸变引起。
然而,当把能产生谐波电流的负载注入存在谐波电压的电压源时,要判别在送电支路中流动着的谐波电流是由用户还是电网本身所产生,唯一的办法就是利用专用的谐波测量仪器。
一个非线性负载接入一个供电系统中,在其接入点所引起的电压畸变的大小决定于该负荷产生的谐波电流的大小及供电网络的阻抗。
对于一个特定的负荷所产生的各次谐波电流在负荷安装之前是可以确定的。
只要知道在负荷接入点处的网络阻抗,就可以预先估量出在负荷接入点处的总电压畸变值,从而可以确定这个特定负荷能否直接接入系统,需加强电源容量,需加装滤波器的容量。
通常,假定供电变压器阻抗占主要成分,采用50HZ短路试验所求得的漏感抗及串联电阻来计算各次谐波频率下的网络阻抗。
这种简单的计算方法不适合于装有补偿电容器及谐波过滤器的现场,也发现不了网络中的谐振点。
因此,要直接测量供电网络的阻抗,也必须利用专门的谐波测量仪器。
目前就谐波测量本身来讲,除作为谐波标准外,对测量准确度的要求一般不高。
以误差表示,约为百分之几的数量级,相当于工业测试范畴。
有时甚至只要判断它们的大小(如谐波警报器)或流动方向(如谐波功率流向)就已满足要求了。
电网谐波测量,主要包括研究和测量下述定量。
(1)谐波电压;
(2)谐波电流;
(3)谐波相位角;
(4)谐波流向、谐波功率;
(5)电压、电流波形畸变率;
(6)谐波阻抗;
在畸变波形下,虽然电量仍作周期性变化,但波形可能与正弦波有很大出入。
在这种情况下,电压有效值和电流有效值虽仍能反映电路的一些情况,但表征电路其他性质的电量大部分不能通过它们来获得。
因为一方面在畸变波形下,一些原有电量的定义要重新审查,甚至要重新定义;另一方面可能还要引入一些新的定义。
这两方面的工作又与所采用的电路分析方法和拟解决的问题有关。
科技人员就是根据这些定义去选择适当的测量方法或设计新的的测量方法并组成具有特殊使用目的的测量装置。
2.2吴寨矿电网概况
吴寨电力系统由三个相对独立的供电区域组成:
老区系统、成庄系统、吴寨矿系统。
其中老区系统与成庄系统通过110kV成中线相连,对外构成两个子系统分别与河南电网相连。
老区与张庄系统通过110kV张成I回和110kV东张II回线路与河南电网的东沟220kV变电站相连,吴寨矿系统通过一回110kV祝红线与河南电网的宝丰220kV变电站相连。
宝丰220kV变电站同时为电气化铁路供电。
另外,在中平能化电力系统内部,吴寨矿系统与张庄系统通过110kV张寺线相连,但在正常运行方式下,张寺线处于断开状态。
吴寨矿系统包括吴寨瓦斯发电站、吴寨110kV变电站和3个35kV变电站。
吴寨瓦斯发电站的总装机容量为15MW,3个35kV变电站所带负荷为17MW。
因此需要通过河南电网注入少量功率才能满足负荷的需要。
吴寨瓦斯发电站共有7台发电机组,其中只有7#发电机为常规发电机,1-6#发电机组为非常规发电机(航空发电机),均由军用飞机的动力系统改装而来。
发电机为经过改换喷头(原来为燃油机)的燃气轮机。
这种燃气轮机跟电力系统通常的发电机的动力系统相比特点是体积小、重量轻、转速高、寿命短。
由于这种特殊的结构,
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