現代電力與電力汙染

論文類別:工學論文 > 電力論文
論文作者: 張一中
上傳時間:2006/3/3 11:42:00

摘要:摘要:本文敘述了現代電力的特点,以及日益嚴重的電力汙染。比較了電力汙染與電磁汙染的聯系和区別。論述了一門新的邊緣分支学科“電磁工程學”的形成過程概況。

關鍵詞:電力汙染 電磁工程學

  《現代電力與電力污染》這個題目是現代工業引起環境汙染這一現實引伸出來的。電能或電力是公認的清潔動力。但众所周知,它也存在著汙染。在电能的形成過程中,如火力發電厂的煙氣、灰渣造成的常規環境污染、核電站可能造成的核輻射污染,大型水電站的建設可能出現的生態平衡問題等等。電能形成後,在傳遞、變換过程中電磁波輻射造成的環境汙染等等。
  電能已成為經济發展、社會生活的重要部分。隨著电磁能利用範圍的擴大與利用能量的日益提高,存在于地球上的電磁波不斷地增強而且頻帶極寬。這種电磁波與宇宙雜波相比較,對人類的社會生活和國民經濟有著巨大的影響。它不僅直接影響到各個領域中電子設備的正常工作,使之信息失真,控制失控,更为嚴重的是,在大強度電磁辐射長期作用下,可使生物的生理、生態受到影響和危害,影響人的健康和活力。這也造成了環境汙染,即所謂電磁煙霧。
  電磁煙霧以及由電磁煙霧引起的電磁汙染問題,早就引起了人們的重視、研究並運用工程技术手段來解決電磁幹擾與危害問題,力圖減少或消除汙染。早在1903~1904年,瑞士在鐵路部門就測出交流系統對電话的明顯幹擾。在第一次世界大戰前,美國電機工程師協會(mEE)就制定了“波形標準”,1919年就算出了“电話幹擾系數”來度量電力系统對電話的幹擾。1934年成立了“國際無線電幹擾特别委員會”(CISPR)。這個委員會下設A、B、C、D、E及F六個分委員会,分別研究與此有關的六類對象與內容,即檢測方法、檢測仪器;高頻設備檢測標準;高压線、發電站、變電站及其它電源;內燃機車、專用電氣設備;电視機、收音機;其它家用電器。
  CISPR建立後,首先在測定方法、干擾標準與抑制技術上,进行了長期的研究,重點探討了電子设備與電氣設備處於共存、互不幹擾的條件,並取得了進展。
  1958年一個名叫射頻幹擾組(Group on Radio Frequency Interference,即C-RFI)的組織將電力與電子工程師協會(即IEEE)所命名的電磁兼容性組(Group on Electromagnetic Compatibility,即G--EMC)的機構叫做無线電幹擾。1964年又将G---EMC改為EMC。然而,幾經推敲後,將“電磁廉容性”擴展到更加廣泛的領域之中。同時將EMC作為電子裝置與電力設備互不幹擾相互共存的專用語了。
  隨着電磁汙染問題的日益嚴重,研究的深入與發展,解決的工程技術手段的進展、发展與完善,近二三十年新創立了一門邊緣學科“環境電磁工程學”或“環境電磁兼容學”,在電磁與電磁控制領域內進行廣泛而深入地研究與探討。
  環境電磁學的研究內容,根據IEEE的G--EMC學報的概括,為(1)研究電磁檢測方法和防止電磁幹擾技術,以及有關儀器、儀表及設備的使用技術;(2)研究電子設備的靈敏度、衰減度以及兼容技術;p)研究若幹幹擾源及其特性。又如懷特(White)所著<EMC手冊》中指出:環境電磁學重點研究電子設备與電力設備共存在的和諧條件。我国學者趙玉峰先生在他所著《環境电磁工程學》一書中把環境電磁工程學的研究內容概括為以下九个方面:
  (一)研究由於電磁能的利用範圍不斷擴大和不断發展帶來的變化;
  (二)研究電磁輻射在環境中的分布特點與規律,電磁與高溫、高濕、放射性等多項的作用;
  (三)研究電磁場對人體的危害和對武器裝備、可燃性油、氣類等的潛在危险性;
  (四)研究電磁輻射所引起的工業幹擾及其幹擾特性;
  (五)研究電磁場強度測定儀器、標準計量理論以及檢測方法與操作技術;
  (六)研究電磁和諧條件,制訂工業幹擾與輻射安全衛生標準;
  (七)研究電磁輻射作用區域,探討電子敏感儀器、導彈等武器裝備以及燃性油的安全放置位置與距離;
  (八)研究抑制技術與防護方案;
  (九)研究與上述內容相應的理論。
  從以上內容可以看出,就電力系統而言,電磁汙染,相應的電磁環境學研究的是電力設備對周圍電子設備的影響與防護。
  本文講的“電力汙染”與相應这一問題提出的“電力环境”這一概念是指電力系統内部(包括電力用戶的用電器具)某些元件產生的汙染对與系統相連接的電氣设備(通過地相連接的金属管道及構件)的影响與防護,以及對周圍通信系統的幹擾與影響。
  現代電力的超高电壓,特大電流形成強大電磁場對环境的汙染日趨嚴峻了。這是電磁環境工程學的任務。電力工業的發展出現了新的情況、出現了新的汙染。
  一、機電設備容量增大,應用廣泛,節省材料變得十分有意義,如鐵芯正常工作點選得比較饱和,設備工作於十分接近非線性狀態。
  二、電能的使用範圍擴大,电力用戶中湧進了大量的沖擊、非線性負載及不平衡負荷,如電弧爐、電焊、電氣化鐵道等。
  三、電力電子技術的發展,電力用戶采用了大量时變控制的非線性元件,晶闸管自從1957年問世以來,由於它獨特的優點,從上世紀六十年代開始逐漸取代了水銀整流器,到七十年代就只用采半導體整流器了。除此之外,在逆變、變頻和交流電壓調整方面得到了很大的發展,使電力變換技術與控制技術發生了革命性的變化。目前在各工業、交通部門及家用電器都得到越來越廣泛的應用。首先大功率整流裝置既提高了變流效率,又提高了電解產品的質量,因而首先得到了發展。其次,在交流調速技術上廣泛使用,如在風機、水泵類负載中用晶閘管串級調速技術,已是一項節電效果比較顯著的措施。晶閘管脈沖調速的機車、晶闸管調速的礦山提升設備,隔爆型充電設備等的半導體裝置,均因其安全、可靠、節能、便於控制等優點正在礦業部門廣泛采用。晶閘管調壓器和調功器與常用電磁型的同类產品比較,它具有節能、維修量少、運行可靠等優點,故已廣泛應用於民用工業、機楊調光、國防設施等。为了改善電爐冶煉的負载特性,提高電爐冶煉的效率與冶煉產品質量,近年来發展了直流電弧爐,直流精煉爐也采用晶閘管換流裝置。此外在金屬軋制、輕紡、制糖、水泥等行業中的交直流拖動系統都廣泛采用晶閘管。據1981年日本電力協調研究會對九個电力公司的調查,電力半导體裝置所占負荷的比重已達總負荷的73%。我國國務院、國家科委已把推廣使用电力電子技術作為我國的技術政策之一,這意味著我國供電系统的負荷已日趨非線性化與时變化。
  四、新的發電方式與貯能方式的推廣使用,輸電技術的進步,控制方式的完善,非線性元件必將成為電力系統的主要組成元件。例如,為了克服機械整流的缺點,提高同步發電機的控制性能,已廣泛使用靜止勵磁裝置,并正在研究交流勵磁的同步发電機異步化;為了改善電壓調整率,提高系统的靜態和暫態穩定,降低过電壓,減小電壓閃變,對次同步振荡進行阻尼,減小電壓和電流的不平衡,推廣使用靜止補償器實施電力系統無功控制。
  新型发電方式,如磁流體(Magnetohydrodynamic—MHD)發電,電氣體(Electro-Fltid Dynamic—EFD)發電,燃料電池和太阳能電池;新能源的开發利用,如利用海洋的海水溫差發電、大规模潮汐發電和海流發電;大型水電站的低水頭或低頻率(施工期提前)發電等都存在換流問題。新型貯能電池,电解裝置一氫一燃料電池(容量已達107千瓦小時),超導電能存貯系統(SMES),采用超導線圈將電能以电磁方式存貯,其換流裝置在貯能时作整流器用,在供電時作逆變器運行。
  高壓直流輸電因其獨特的優點將會在電力系統中進一步發展使用。它不僅可作遠距離大功率輸電,它還可用於海底電纜送電;不同額定頻率或相同額定頻率非同步運行的交流系統之間的連络;用地下電纜向用电密度高的城市供電,系統互聯或配電網增密時,作為限制短路電流的措施等等。

免费論文下載中心 http://www.hi138.com  五、現代技術裝備,要求高質量的電能,电能質量,包括電壓、頻率与波形。電能的質量不僅直接影響用电器具的使用效能,而且它影響到整個國民經濟的整體效益以及我國產品在國際上的競爭能力。許多電氣设備(包括電子儀器)為適應電能質量的低下而增設的技術措施不僅降低了設備的使用效率,而且使成本大大提高。
  大量非线性元件引人電力系統,使系統電壓波形及電流波形發生畸變。波形畸變給產生畸變波形電流的裝置自身、與其相接的其它裝置以及電力系統運行都帶來不良影響,這些不良影響或危害可以歸纳為以下八個方面:
1、激發谐振,引起破壞性的過電流與過電壓;
2、產生附加功率損耗,降低效率;
3、引起發熱,加速絕緣老化,縮短設備使用壽命;
4、使測量儀表误差增加,影響監控效果與經濟效益;
5、使自動裝置失靈,控制失控,使設備不能正常運行;
6、使繼電保護不能正確動作一誤動或拒動;
7、大的有功和无功沖擊,造成電壓和頻率的大幅度波動,將會造成負載,甚至系统的不穩定;
8、電壓閃變,惡化工作環境,有害人體健康與工作效率。
  这些影響已經嚴重影響電力用戶和供電網的正常工作,並已造成了嚴重的損失。電壓及電流波形畸變最早是由整流器引起的,這种整流器引起的畸變通常都是工頻周期的周期性畸變。這类畸變波用傅裏葉級數分析最為方便。傅裏葉級數把周期畸變波分解為與畸變波頻率相同的及無窮多與该頻率成整數倍的正弦分量。这些正弦分量就是我們常稱的“諧波”。把畸變波引起的危害稱為“諧波污染”。這類諧波是電力的電壓和电流的諧波。我們把它稱为“電力諧波”,習慣上也把谐波汙染稱作“電力汙染”。
  從近年来國內外的文獻看來,電力汙染的概念已經大大擴展了,如急劇變化的負載形成的有功和無功沖擊带來的電壓急劇變化,有功、無功平衡,電壓閃變;不平衡负載引起的負序,零序電壓和電流……都被列入電力汙染的範疇。
  近十幾年間电力諧波的研究,更準確一點說電力汙染的研究,已經超過了電力系統(習慣上)的範疇,滲透到了電工理論、電網理論、電力電子学、電氣技術、數字信號處理、計算技術、系統仿真、控制理論與控制技術等其它學術領域。并已形成自己特有的理論体系、分析研究方法、控制與治理技術、監測方法與技术、限制標準與管理制度。通过這些研究與實踐,一門新的邊缘分支學科正在形成。這門新學科與<環境電磁工程學》类比,可叫做《電力环境工程學》。〈電力環境工程學>研究電力污染產生的物理機理和分析方法;电力汙染的測量技術、信息處理與監控系統;危害的機理、範围及可容度;控制、消除或抑制的措施等以及由此而引起的理論與技術問題。這門新學科的雛形已經可以从近年出版的一些論著中看到。
近一段時期以來,對於電力汙染的研究,著重在以下幾个方面:
1、新汙染源模型的建立以及提高模型的精確度,重點在非理想狀態下的模型与隨機性模型。
2、提高供電系統模型的精度。電力汙染與其它汙染相比有個突出的特點,與供電網关系十分密切。畸變波及暫态波在電網上傳播取決于電網參數,它可使畸變受到抑制,也可使畸變放大。模型考虑了不同頻率電流下的电阻、電感,計及駐波效應的長線模型,計及布置不對稱的三相網絡模型等。
3、把在網絡理論基礎上建立起來的網络分析法有效地利用於諧波分析,把頻域分析與時域分析結合起來,從傅裏葉分析發展到小波分析,把確定性分析與隨機分析結合起來。在設計與計算上更有效地采用最優化方法。
4、在測量方法與測量技術上有了較大的發展,已開發了新型測量儀器、監測系統、並向多功能、智能化方向發展。
5、在研究污染影響及設備可容度的基礎上,制訂並完善了一批限制標準與管理法規,並正在組织貫徹執行。如我國在《電力系統諧波管理暫行规定》的基礎上,先後制订了《電能質量公用电網諧波》及《電能質量標準電壓允許波動和閃變》等國家標準。
6、在汙染治理上,提高電能質量,繼續改善原有治理方法與手段的同時,開发新的裝置並提出了一些新的思路。如基於閉環控制的自動調諧濾波器,並联濾波器與串聯濾波器配合使用,無源濾波器與有源濾波器結合組成的混合補償装置可以起到取長補短的效果,把波形補償與相位补償結合起來;將常規靜止无功補償(SVC)、滤波器與動態功率補償濾波器(DPF)結合起來可獲得非線性、非周期復雜畸變的最優控制,使功率因數為1,谐振最小,電壓穩定,負載最優。這樣就將汙染治理與電網運行控制結合在一起了。
7、有關電力汙染及電能質量的新理論,概念、定義有了新發展,對一些問題和術語進行了討論。
  基本结論:電力汙染隨著現代電力的發展不斷出現並日趨嚴重。電力汙染與系統關系密切,實质上是電能質量問題,涉及面廣,具有獨特的復雜性,難於认識並難於治理。電力汙染也隨着技術的發展可以得到有效的控制,並最終將與電網运行控制結合起來。電力污染的理論發展與實踐,逐步形成自己的理論体系與工程實踐,並因此而形成一門新的邊緣分支學科一電力環境工程學。

參考文獻


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