造纸企业中典型电能质量扰动的危害及其监测与

造纸行业是一个与国民经济和社会发展关系密切并具有可持续发展特点的重要基础原材料行业，该行业具有生产连续性强和能耗高的特点[1]。据中国造纸协会调查资料显示，2018 年我国纸和纸板人均消费量为75 kg（13.95 亿人），远低于发达国家的平均水平，行业发展前景广阔。然而，随着先进制造技术和节能减排技术在造纸企业中的不断转型升级[2-4]，使得企业用电设备的非线性化程度日益提高，电气设备的敏感性不断增强，由此引发了企业配电网中的电能质量“被污染”和“污染”问题[5]，继而影响生产过程，甚至会造成生产事故。

本文针对造纸企业中出现的典型电能质量扰动问题展开分析和研究，旨在助力造纸行业电力供应的绿色发展。

1 典型电能质量扰动特征

电能质量是指表征母线中电压电流幅值和频率为额定值且波形近似于正弦波的品质[6]。衡量电能质量品质的指标较多，其中对电力用户安全生产影响较大的典型扰动特征包括以下几方面。

（1）电压偏差。电压偏差ΔU 是指实际运行电压Ure对系统标称电压UN的偏差相对值，以百分数表示，具体计算见式（1）。

用户允许的电压偏差应符合标准《电能质量供电电压偏差》(GB/T —2008)。

（2）谐波。谐波通常由电力用户中的非线性负荷产生，其频率为电网基波频率的整数倍。谐波电压和电流可用傅里叶级数展开，具体计算见式（2）。

式中，Uh、Ih为第h 次谐波电压、电流的均方根值，αh、βh为第h 次谐波电压、电流的初始相角。标准《电能质量公共电网谐波》（GB/T —1993）规定了不同等级电压下谐波的发射限值和畸变率。

（3）电压波动。电压波动d 为电压均方根值曲线上相邻两个极限电压之差与其标称电压UN之比的百分数，表示为式（3）。

标准《电能质量电压波动与闪变》（GB/T —2008）规定了不同等级电压下的极值。

（4）三相不平衡度。三相不平衡度εU为负序分量均方根值U-与正序分量均方根植U+的比值，以百分数表示，见式（4）。用户允许的三相不平衡度应符合《电能质量三相电压不平衡》标准（GB/T —2008）。

（5）电压暂降。电压暂降是指在工频条件下某点电压均方根值跌落至0.01～0.9 pu，并在短暂持续时间0.5 T～1 min 后恢复正常的现象。其中，T 为扰动持续周波（当工频为50 Hz 时，T 为0.02 s）。常见的电压暂降有三相、两相和单相暂降。据统计，因配电网故障而引起的电力用户投诉中，电压暂降占到70%～80%，其他各类扰动总和占到20%～30%。

2 主要用电设备与电能质量扰动的相互影响关系

由造纸生产工艺和自动化生产装备可知[7]，造纸企业的主要用电设备分为两大类：谐波源和敏感负荷。

2.1 谐波源

谐波源用电设备通常包括：①磁芯设备（变压器、电动机和发电机等）；②气体放电设备（电弧炉、弧焊机和高压放电管等）；③电子电力设备（整流器、变频器、开关电源和UPS等）。

造纸企业的谐波源以磁芯设备和电子电力设备为主。由谐波传递特性等效电路可知[8]，谐波源产生的谐波电流注入配电系统，引起谐波电压，谐波电压进而施加在同级或上一等级母线下的其他用电设备上，继而造成对用电设备和供配电系统的危害[9-10]，具体危害如表1所示。

电子电力设备的误动作、额外容量和损耗的产生、生产设备提前老化等问题，将影响正常生产并导致企业承担额外的费用。

2.2 敏感负荷

敏感负荷是指电压发生变动或突变情况下不能正常工作或功能下降的用电设备。电压暂降是发生频次最高的一种电压变动现象，其成因是由电网、变电设施的故障或负荷突然出现所引起。工业中常用的敏感负荷受电压暂降的影响程度各不相同，如图1 所示。图1中开关电源的电压耐受能力最强，传感器的电压耐受能力最差，而当电压暂降跌落至额定电压55%以下时，绝大多数敏感负荷失去抗电压能力，出现故障或跳闸现象，从而引发生产中断。

造纸企业中的主要敏感负荷及其受电压暂降的危害表现在以下几方面。

（1）开关电源类负荷

开关电源类负荷的典型代表有PLC和计算机，它们在造纸生产现场起到控制生产工艺、信号处理、通信等多种作用。这类负荷受电压暂降影响时，干扰会通过开关电源耦合到其内部的CPU、I/O 等模块[11]。当电压低于65%、立刻或是持续几个周波时，CPU就会停止工作。而当电压低于90%、持续几个周波时，一些I/O 设备就会被切除。一旦这类负荷出现无预期停止运行或输出错误指令，将会对其所在的操作和控制系统造成巨大影响，引起生产工艺紊乱、相关控制设备误操作、产品报废甚至是安全问题。

文章来源：《造纸科学与技术》 网址: http://www.zzkxyjs.cn/qikandaodu/2021/0422/549.html