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高速公路无功兼谐波危害及综合电能质量优化必要性
2017-05-25 11:22:30  作者:  来源:中国设计师网  
  •   随着我国经济的发展,高速公路投资也是逐年增大,同时伴随着电力电子技术的发展及各种新产品新技术在高速公路配电工程中大量应用,谐波及电能质量问题也日益突出。本文从分析高速公路行业的配电负载入手,详细阐述了电能质量问题的现状,提出了针对性解决方案,并结合实际案例验证方案实施效果,为公路行业配电系统电能质量问题解决提供良好借鉴。

  中国公路工程咨询集团有限公司北京华景公司 罗小荣

  贵州路通工程技术服务有限公司 翟思中

  1 高速公路电能概述

  高速公路设计有它的特点,不同于一般公路设计。如过较大山谷时建桥跨越、高山越岭线山腰用隧道穿过、通过城镇,往往采用高架道路、在山坡较陡路段,常傍山设高架道路等等,其供电系统机电设备及供电电能质量对保证高速公路正常运营至关重要。

  高速公路供配电系统给沿路各收费系统、通信系统、隧道通风照明、运行监控及办公、生活设施等提供可靠的电力保障,这些负荷从不同角度保证整个高速公路的安全可靠运行和运营单位的正常经营。然而与日俱增的电力电子设备却给高速公路配电系统带来了严重的谐波问题,对其已构成潜在威胁,从而间接影响了道路交通安全。这些非线性负荷在电网中产生的谐波干扰越来越复杂,越来越严重,使得高速公路的供电质量恶化,电力故障隐患增多。

  1.1监控系统

  隧道管理站收集隧道一氧化碳、能见度检测器、光强检测器、风向风速检测仪、事件检测设备、火灾控制器、摄像机、水泵、液位等采集的信息以及沿线巡逻车收集隧道管理站管理区段的道路、交通、气象、事故等情报,并进行分析、计算、处理、记录。同时利用计算机系统、闭路电视系统等设施,把道路利用状况、车辆运行状况、设备工作状态等显示出来。值班人员综合上述情报,形成统一的控制方案,发布必要的指令,通过隧道管理站管理区段设置的可变情报板、车道控制标志、交通信号灯、有线广播等等,向道路使用者提出警示、诱导或建议,同时对风机、照明进行有效地控制。

  1.2通风控制系统

  通过隧道内一氧化碳浓度和能见度高低、风速风向、交通量数据对风机进行自动控制和实现节能。通风控制分为自动控制和手动控制两种方式,其中人工控制优先权高于自动控制。系统中应有火灾发生后排烟控制方案提示,经人工修正后可以对风机实行控制,也可以进行人工控制。风机的人工、自动控制由监控专业负责。

  采用在隧道内分布式的控制,交通监控、通风控制采用PLC双洞成环方式。在隧道变电所设置主本地控制器,主本地控制器与隧道管理站的计算机系统相连,从而实现对风机的控制。由本地控制器控制通风设备配电箱对风机的正转、反转和停机进行控制。

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  1.3照明控制系统

  由于隧道内、外的亮度差别较大,因此司机在进出隧道时会产生种种特殊的视觉问题,因此如何减少这种亮度差别带来的影响是隧道照明控制子系统的一个重要目的。

  隧道照明控制子系统由隧道管理站工作站、隧道本地控制器、隧道口光强检测器、隧道风机照明控制单元、隧道照明设备构成。对于隧道照明采用箱式变电站集中控制方式,隧道风机照明控制单元与隧道变电站内的本地控制器或隧道口的本地控制器相连,由隧道管理站或本地控制器来实现对隧道出入口段的照明进行控制。

  1.4消防控制系统

  隧道内水消防系统:在车行方向右侧的每个消火栓洞室内设置消火栓系统(包括水枪、水龙带、消防卷盘、消火栓等)、水成膜泡沫系统(包括喷枪、泡沫罐、橡胶软管卷盘等)以及干粉灭火器,在隧道洞外洞口处设置过滤器、地下式消火栓、水泵接合器;

  隧道外消防供水系统:由消防水泵、供水管线、高低位消防水池、水泵房、拦水坝、取水井、消防水池液位仪等组成。

  针对目前高速公路用电电能质量现状,在减少无功流动的前提下,还应降低供电系统谐波,优化三相不平衡、提高供电电压质量,从而提高整体的供电质量

  2 高速公路配电系统无功和谐波治理的必要性

  高速公路除了隧道照明系统,还收费系统设备、监控系统设备、机房电源、场区泵房(消防用)、空调及照明、服务区、停车区综合楼照明、收费站办公楼照明、广场照明、加油动力、排烟风机、通风机等等负荷。功率因数及谐波含量均有所不同。

  2.1 无功对配电系统危害

  (1)降低了变电、输电设施的供电能力。

  (2)降低了发电机的输出功率,当发电机需提高无功输出,低于额定功率因数运行时,将使发电机有功输出降低。

  (3)使网络电力损耗增加(网络中的电能损失与功率值一平方成反比),如电机、变压器、电力电缆等。

  (4)功率因数愈低,线路的电压降愈大,使得用电设备的运行条件恶化。

  (5)功率因数愈低,供电考核力调费用越高,增加供电费用。

  2.2谐波对配电系统危害

  (1)谐波对电网的影响

  造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热等。谐波对电网的安全性、稳定性、可靠性的影响还表现在可能引起电网发生谐振、使正常的供电中断、事故扩大。

  (2)谐波对电力电容器的影响

  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大,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。

  (3)谐波对电力变压器的影响

  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。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。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。

  (4)谐波对输电线路的影响

  谐波污染增加了输电线路的损耗。输电线路中的谐波电流加上集肤效应的影响,将产生附加损耗。特别是在电力系统三相不对称运行时,对中性点直接接地的供电系统线损的增加尤为显著。产生压降,引起零电位漂移,降低了供电的电能质量。

  (5)谐波对电力电缆的影响

  谐波污染将会使电缆的介质损耗、输电损耗增大,泄漏电流上升,温升增大及干式电缆的局部放电增加,引发单相接地故障的可能性增加。由于电力电缆的分布电容对谐波电流有放大作用,在系统负荷低谷时,系统电压上升,谐波电压也相应升高。电缆的额定电压等级越高,谐波引起电缆介质不稳定的危险性越大,更容易发生故障。

  (6)谐波对柴油电动机运行的影响

  谐波电流通过交流电动机,使谐波附加损耗明显增加,引起电动机过热,机械振动和噪声增大。当三相电压不对称时,定子绕组上产生负序电流,并励磁产生负序旋转磁场,该制动磁场降低了电机的最大转矩和过载能力,增加铜损,并且负序过电流可以将电机定子绕组烧毁。当产生电压波动的主要低频分量与电机机械振动的固有频率一致时,诱发谐振,会使电动机造成损坏。

  (7)谐波对电力系统其他运行设备的影响

  a.引起照明灯光和电视画面忽明忽暗的闪烁,造成视觉疲劳。

  b.引起冰箱、空调的压缩机承受冲击力,产生振动,降低使用寿命。

  c.引起电能计量误差,造成不必要的电费损失等。

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