谐波对电力成本的影响及谐波电价研究_技术资料

谐波对电力成本的影响及谐波电价研究发布日期：2015-12-26来源：中国LED照明灯网作者：[db:作者]浏览次数：281 王勇军，岳超源（华中科技大学系统工程研究所，湖北武汉430074）危害与影响的机理己有一些研宄，而对谐波影响电力公司的成本与收入以及谐波电价方面的研宄尚不多见。讨论谐波对电力成本的影响，从理论上分析谐波对电能表计量的影响，依据两种定价标准制定谐波电价计算模型，为电力公司进行谐波收费提供理论根据。 随着科学技术的发展，新型用电设备（如电子装置、开关电源和调速装置）的快速长，一方面极大地提高了社会生产力，另一方面却使大量的非线性负荷接入电网，使电网受到严重污染、电能质量下降。目前，谐波、负序、闪变己成为电力系统3大公害，严重地威胁着电网的安全经济运行和广大用户的用电安全，而谐波所造成的污染尤为严重。一般，谐波会降低电能质量，造成仪表计量误差，大无功功率，使电力设备及输电线路中损耗和温升加，降低供电设备的寿命，威胁电网的安全运行，大电网的供电成本。此外，随着电力电子技术的蓬勃发展，现代工业生产设备中换流装置的容量也越来越大，数量越来越多，这些非线性负载也会产生大量的谐波电流注入电网。 目前在我国，谐波问题正逐渐被人们所重视。 电力系统中的谐波治理是一个新兴的、跨学科的亟待研究的问题，对其产生的原因、危害与影响的机理、测量与评估标准的制订、计算与分析的方法，以及综合治理的措施等方面的探索要不断深入。本文通过谐波对电力成本的影响以及对电能表计量影响的分析，依据两种定价标准制定谐波电价计算模型，为电力公司进行谐波收费提供理论依据。 1电力谐波的危害我国当前的谐波源主要是一些整流设备，如化工、冶炼企业的整流设备和各种调压调速器以及电力机车等。例如，电力机车不仅产生谐波而且是不对称负荷，它所在位置和工作状况还会随时间不断变化。电弧炉也是谐波源，它的变化很不规则，尤其在熔化期，其谐波更为严重。另外，随着科学技术的发展，新型用电设备将快速加，这可能是造成今后谐波严重污染不可忽视的因素。 目前在我国，谐波所造成的危害己基本上为大家所认同。诸多也指出，谐波造成的污染在我国己十分严重。例如无锡地区目前有大型炼钢厂2个，中、小型炼钢厂约15个，电弧炉总容量达338（0t的4台、20t的3台、10t的4台、5t及以下25台）主要分布在各变电所的110、35、10kV侧。电弧炉的年用电量从1990年的6 h长到1993年底的1205亿kW-h，平均每年递率为27.7%占该地区年用电量的18%，是该地区的用电大户。作为非线性负载，电弧炉注入电网的谐波电流对电网造成的污染正日趋严重。由于谐波引起的距离保护误发信号和误动作、电容过电流跳闸、变压器铁磁音响加大及电器设备损坏等现象时有发生，严重威胁着电网的安全经济运行。 还有，华东电网500kV洛繁线运行使220kV2774线电流波形发生畸变，致使该线高频相差保护无法投运，其原因是：谐波谐振与电网结构有关，一个很强的谐波源固然会对电网造成一定的危害，而一个不太强的谐波源也会因电网参数的配合不当构成谐振的条件，造成对电网运行的严重危害。 谐波对各种电器设备都有不同程度的影响和危害，从工程角度来说，主要表现在以下几个方面。 a谐波对电机和变压器的主要影响是引起附加铁损和铜损，使设备温升过高，降低绝缘强度；其次是产生振动并发出噪声，长时间的振动会使金属疲劳和机械损坏；谐波还会引起谐波过电压。 b.谐波放大会使谐波危害加剧。谐波放大是谐波源注入的谐波，其频率在网络谐振点附近的谐振区内，激励电感、电容产生的部分谐振。当谐波引起系统谐振时，其后果十分严重，谐波电压升高，谐波电流大，引起继电保护误动和造成设备损坏等。 c谐波对继电保护和自动装置的干扰。谐波对继电保护和自动装置的干扰可分为三类：一是谐波在正序量基础上产生的干扰，二是谐波在负序量基础上产生的干扰，三是谐波单独产生的干扰。电气化铁路、电弧炉等谐波源，又是负序电源，在负序含量基础上叠加的谐波干扰，对继电保护和自动装置的影响十分严重。 2谐波对电力公司成本和收入的影响以上仅仅从工程角度说明了谐波对各种电器设备的影响和危害。其实，谐波对电力系统的危害不仅表现在工程上，而且表现在经济上。谐波危害作为一个工程问题己经做过很多研究，但对这个问题经济方面的研究几乎无人去做。谐波不仅对各种电器设备有影响，造成电网对用户供电成本的上升，而且还会由于谐波的存在使电能表产生误差，造成电能表读数与实际所用负荷数不符，影响电力公司的收入。具体地说，谐波对电力公司成本和收入的影响主要体现在5个方面。 2.1谐波造成各种损失使电力成本上升谐波电流在变压器、电机和线路传输中都要产生附加损耗，绕组的谐波电阻Rh因电流的集肤效应而大于基波电阻Ri，―般近似为Rh=R\故单相h次谐波电流产生的附加损耗为APh绕组中的h次谐波电流含有率。 由上式可知各次谐波附加损耗与谐波电流含有率的平方及谐波次数的平方根成正比。 日本某电器制造公司实测数据表明，当变压器中Ih达到0. 1In时，变压器的损耗比额定损耗大10%.对于电气化铁路这种冲击性谐波源来说，谐波造成的谐波功率损失就更大。例如某地区由于电气化铁路注入电网的5次谐波引起谐振，使电气化铁路注入电网的3次和5次谐波损失合计达190kW，占平均基波负荷10MW的1.9%年损失电2.2附加损耗占用部分电器设备容量使电力可变成本上升电器设备中的铁芯在交变磁通作用下会造成铁芯线圈中铁芯损失，产生大量的热量。铁芯损失包括两部分：涡流损耗和磁滞损耗。 实践证明在正常运行的电机和变压器中，涡流损失较磁滞损失小2~3倍，不妨设为2.5倍。故在端电压保持一定的条件下，n次谐波所产生的铁损为其中，P0为基波条件下铁损，其值可查阅有关电工钢性能的国家标准。 1.7T磁感应强度，50Hz条件下，单位质量材料的铁损如表1所示。 采用哈大铁路电气化改造供电系统背景谐波测试分析报告中薛店牵引站的实测数据，并以DQ120―27的冷轧取向硅钢为例进行实际铁损计算。实际计算结果列于表2.表1冷轧取向硅钢铁损表*大铁损―27的冷轧取向硅钢实际铁损表谐波次数谐波电流允许值/A三项*大谐波电流/A是否超标是是是是否单位质量铁芯谐波铁损/（W°kg|可见高次谐波明显超标情况下，谐波对电器设备容量的占用是非常显著的。随着超标谐波次数的加，谐波对电器设备容量的占用逐渐大。谐波超标使得铁损明显大，同时大了电器设备的发热量，使得电机无法工作于额定功率，即铁损占用了大量电器设备容量，因此谐波的超标将会引起电力成本的上升。 23谐波降低电器设备的寿命增加电力的固定成本由于电器设备所使用的绝缘结构大多由多种绝缘材料组成，电器设备的绝缘等级是由它所采用的主要绝缘材料中耐热等级*低的材料决定的。由于谐波的存在使得各种电器设备的发热超过了设计发热水平，因此它会大大降低绝缘材料的寿命，降低电器设备的使用寿命。 工作温度的高低对绝缘材料的寿命有很大影响。例如，A级绝缘材料的寿命t（a）与使用温度9（C）有如下关系：2718.此式表明绝缘材料寿命随着温度按指数函数下降。按试验数据a=.88计算，温度每高8C绝缘寿命就缩短一半，可见温度对绝缘寿命影响很大。 24谐波对继电保护和自动装置的影响引发电力系统事故在我国电力系统中受谐波影响而导致故障或性能劣化的装置中，以继电保护和自动装置为*多。如由电气化铁路谐波的影响，特别是在牵引变电所中，个别继电保护和自动装置在一个季度内的误启动可达百次或千次以上，因而发生的误跳闸导致大面积停电的事故屡见不鲜。不论在220kV、330kV，还是在500kV电网中，都发生过因谐波影响线路保护或变压器保护，使其误启动或误跳闸，其谐波来源于电气化铁路或换流变压器。有些地区的背景谐波会在并补电容器组引起谐波谐振的条件下，放大到引起某些继电保护误动作。谐波对继电保护和自动装置的影响严重威胁着电网的安全与经济运行，由它引发的事故所造成的损失有时是无法估价的。 2.4谐波造成电能表计量误差影响电力公司收入电能表对电能的准确测量是公平收、付电费的依据。除了以上考虑谐波对电力成本的影响外，谐波对电能表计量的影响也是核算电价时不容忽视的因素。谐波对计量的影响主要表现在两个方面。 难以如实反映真实功率电网中谐波问题严重时，如电力机车、钢厂等用户产生严重的电流波形畸变，电能表将会产生较大误差，传统的电能测量是以线性负载为前提的，电表两端的电压和电流假设都是正弦波形。目前广泛使用的是感应式电能表，并且是按工作于工频条件设计的。理论上，只有相同频率的电压和电流才能构成功率。工频电压（电流）和谐波电流（电压）并不产生功率。但是由于感应式电能表的铁磁元件的非线性，使得在输入纯正弦波形的工频电压（或电流）时，表的绕组及圆盘中会存在一些谐波。 因此，当输入的电压和电流有一方含有谐波时，虽然在电路中该次谐波的真实功率是零，但在电能表内，它和输入的纯正弦工频电量因畸变而引起的同频率谐波分量相互作用，形成了虚假的谐波功率，使电能表出现了随机的或正或负的误差。 另一方面，电流在进入电能表之前通常需经过互感器。而当高次谐波通过互感器进入电能表后，将会产生较大的误差，无法正确反映实际电能消耗情况。 电能表下降的频率特性相同频率的谐波电压和电流构成谐波功率和相应的谐波电能，但由于感应式电表的下降频率特性，谐波功率下的圆盘转速要比同等工频时的转速低得多。西北电力试验研究所对两种单相感应式电能表进行了谐波影响试验，结果表明对于同样的功率电度表反应谐波功率的转速对于反应基波功率的转速之比大约为：3次谐波是0.65次谐波是0.47次谐波是0.28.在中，由于其下降的频率特性，普通感应式电度表已无法准确测量高次谐波的电能。近年来国内有多个研究机构开展了关于谐波对电能表计量影响的研究，并且做了大量的实际测量。从实际测量的结果看，谐波功率的大小决定谐波对电能表产生误差的大小，谐波功率越大，对电能表产生的误差越大，这是造成电能表计量误差的主要原因。在电压、电流谐波含量一定的条件下，谐波功率方向还影响电能表的误差大小，当谐波功率与基波功率同向或反向时，电能表的误差*大。误差的正负取决于谐波功率的方向。当谐波功率由电网注入用户端时，电能表误差为正误差；当谐波功率由用户端注入电网时，电能表误差为负误差。 以3次谐波为例进行谐波功率对电能表误差影响的试验：180（模拟负载产生谐波注入电网）（0为谐波分量与基波相对角度）表3 3次谐波对电能表误差影响项目数字式电磁式利用同样方法可以得到其他高次谐波对电能表误差的影响，分别绘制在上述条件下（Pn）（n=2、3、4）误差变化曲线。 通过绘制的误差曲线可对单一谐波产生的误差等效条件下进行误差估算。对于含有较复杂谐波成分的负荷对电能表产生的误差，可根据单一谐波绘制的误差曲线通过叠加原理得到总的误差曲线，经过试验证明估算值与实际测量值基本一致。 3谐波电价电力企业的各项成本是制定电价的基础。各类用户的电价应能真实反映供电的成本，并能向用户提供适当的价格信号。 本的影响是隐含在电力公司销售给全体用户的电费收入中的。这类似于少数工厂将废水排入江河而沿河所有居民需为之付出排污费的情况一样。这样，合理的电价方案应反映谐波对电力公司的收入和成本之间的相互影响关系。因此，成本核算标准应该是制定电价模型*基本的标准，也是符合国家有关政策的。 如前所述，电网中存在的日益增多的谐波污染大大影响着电力公司的成本和收入，因此，今后电价的制订必须考虑谐波对电力成本的影响。当前，应当结合我国国情，制订新的电价核算方法，针对大谐波源用户进行谐波收费，要加强谐波对电力公司成本和收入影响的研究，制定谐波电价，从而迫使大谐波源用户减少谐波的排放，以经济手段实现对电力谐波的治理也许是谐波治理的一项*有效的措施。 高次谐波对电力公司成本和收入的影响主要体现在5个方面，前4个方面很难进行准确估算，对这些影响采取惩罚性定价标准在谐波电价中予以考虑；而对于谐波造成电能表计量误差国内已做过大量试验，可通过实测数据来对误差进行估算，根据成本核算定价标准在谐波电价中给予反映。 根据惩罚性定价标准和成本核算定价标准，提出以下谐波电价计算公式：Pb统一销售电价；Ki惩罚系数，当谐波为平稳型时，Ki= 0.2；当谐波为波动型时，Ki=0.3；当谐波含量引起系统参数共振K2谐波对电能表计量影响的估算误差，可以通过测量总的谐波功率来查误差曲线选取K2的值。 谐波电价计算模型应分为以下两种情况。 许多用电设备都存在一定的谐波，它们的用电方式不同，并且所含各次谐波电压、谐波电流、谐波功率各不相同，是否对所有存在谐波的用电设备都要进行收费呢，对于谐波含量很小的设备也进行收费既不合理，也不可行。因此，对于谐波收费要有一定的标准，当某种谐波指标超过标准时，才进行谐波收费。为此，采用谐波2Un.In限值作为谐波收费标准。 对于设定谐波收费标准2Un In限值要根据国家标准GB/T1454993规定，对于注入公共连接点的谐波电流有一个允许值表，见表4根据表4我们可以推算出对应不同谐波次数的电压含有率限值表，见表5.由于谐波对于供电成本的影响是谐波电压和谐波电流共同作用的结果，为此取各次谐波的电压电流积Un /n作为考核谐波对供电成本影响的指标，见表6.由于不同的谐波电源的各次谐波里谐波含量具有不同的特点，因此，我们采用2UnVn作为对于谐波电源进行惩罚性收费的标准，见表7.为了简便起见，可以针对不同类型的谐波用户制定简单易行的2UnIn标准，例如，对于交流电弧炉的谐波负载可计算出2、3、4、5、7次谐波2Un.In值；对于电气化铁道谐波负载可计算出3、5、7、9、11、13、15次谐波2Un.In值。 05是考虑对含有谐波的负荷进行收费要使用一定的测量设备，投入一定的工作量，因此，要计入谐波收费的附加费用，暂以由于计量误差少收费用的5 %计算。 表4注入公共连接点的谐波电流允许值标准电压基准短3203717191528132512141121表5公用电网各次谐波电压限值标准电压基准短380V电压等级负荷主要以民用为主，即使是标准电压/kV基准短路容量/MVA谐波次数及谐波电压电流积/kVA标准电压/kV基准短路容量谐波次数及谐波电压电流积/kVA标准电压/kV基准短路容量谐波次数及谐波电压电流积/kVA标准电压基准短路容量/MVA工业负荷也主要是在用户内部使用，因此，在开展谐波收费的初期，可以暂不把它列入谐波收费标准限值表中。 4结论从经济角度考虑谐波对电力公司成本和收入的影响是十分必要的，根据两种定价标准确定的谐波电价模型以及谐波收费标准可作为向谐波源收费的依据。谐波收费对电力公司来说是一种电量补偿、电费追加，这仅仅是经济补偿，经济补偿不是谐波治理的目的，谐波治理的*终目的是降低谐波源对电力系统及其电力用户的谐波污染。