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现代电力与电力污染
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发布时间:2015-09-21 15:31    作者:乌兰察布气象    浏览次数:     【字体:

    现代电力与电力污染》这个题目是现代工业引起环境污染这一现实引伸出来的。电能或电力是公认的清洁动力。但众所周知,它也存在着污染。在电能的形成过程中,如火力发电厂的烟气、灰渣造成的常规环境污染、核电站可能造成的核辐射污染,大型水电站的建设可能出现的生态平衡问题等等。电能形成后,在传递、变换过程中电磁波辐射造成的环境污染等等。
   电能已成为经济发展、社会生活的重要部分。随着电磁能利用范围的扩大与利用能量的日益提高,存在于地球上的电磁波不断地增强而且频带极宽。这种电磁波与宇宙杂波相比较,对人类的社会生活和国民经济有着巨大的影响。它不仅直接影响到各个领域中电子设备的正常工作,使之信息失真,控制失控,更为严重的是,在大强度电磁辐射长期作用下,可使生物的生理、生态受到影响和危害,影响人的健康和活力。这也造成了环境污染,即所谓电磁烟雾。
   电磁烟雾以及由电磁烟雾引起的电磁污染问题,早就引起了人们的重视、研究并运用工程技术手段来解决电磁干扰与危害问题,力图减少或消除污染。早在1903~1904年,瑞士在铁路部门就测出交流系统对电话的明显干扰。在第一次世界大战前,美国电机工程师协会(mEE)就制定了“波形标准”,1919年就算出了“电话干扰系数”来度量电力系统对电话的干扰。1934年成立了“国际无线电干扰特别委员会”(CISPR)。这个委员会下设A、B、C、D、E及F六个分委员会,分别研究与此有关的六类对象与内容,即检测方法、检测仪器;高频设备检测标准;高压线、发电站、变电站及其它电源;内燃机车、专用电气设备;电视机、收音机;其它家用电器。
   CISPR建立后,首先在测定方法、干扰标准与抑制技术上,进行了长期的研究,重点探讨了电子设备与电气设备处于共存、互不干扰的条件,并取得了进展。
   1958年一个名叫射频干扰组(Group on Radio Frequency Interference,即C-RFI)的组织将电力与电子工程师协会(即IEEE)所命名的电磁兼容性组(Group on Electromagnetic Compatibility,即G--EMC)的机构叫做无线电干扰。1964年又将G---EMC改为EMC。然而,几经推敲后,将“电磁廉容性”扩展到更加广泛的领域之中。同时将EMC作为电子装置与电力设备互不干扰相互共存的专用语了。
   随着电磁污染问题的日益严重,研究的深入与发展,解决的工程技术手段的进展、发展与完善,近二三十年新创立了一门边缘学科“环境电磁工程学”或“环境电磁兼容学”,在电磁与电磁控制领域内进行广泛而深入地研究与探讨。
   环境电磁学的研究内容,根据IEEE的G--EMC学报的概括,为(1)研究电磁检测方法和防止电磁干扰技术,以及有关仪器、仪表及设备的使用技术;(2)研究电子设备的灵敏度、衰减度以及兼容技术;p)研究若干干扰源及其特性。又如怀特(White)所著

    (一)研究由于电磁能的利用范围不断扩大和不断发展带来的变化;
   (二)研究电磁辐射在环境中的分布特点与规律,电磁与高温、高湿、放射性等多项的作用;
   (三)研究电磁场对人体的危害和对武器装备、可燃性油、气类等的潜在危险性;
   (四)研究电磁辐射所引起的工业干扰及其干扰特性;
   (五)研究电磁场强度测定仪器、标准计量理论以及检测方法与操作技术;
   (六)研究电磁和谐条件,制订工业干扰与辐射安全卫生标准;
   (七)研究电磁辐射作用区域,探讨电子敏感仪器、导弹等武器装备以及燃性油的安全放置位置与距离;
   (八)研究抑制技术与防护方案;
   (九)研究与上述内容相应的理论。

    从以上内容可以看出,就电力系统而言,电磁污染,相应的电磁环境学研究的是电力设备对周围电子设备的影响与防护。
   本文讲的“电力污染”与相应这一问题提出的“电力环境”这一概念是指电力系统内部(包括电力用户的用电器具)某些元件产生的污染对与系统相连接的电气设备(通过地相连接的金属管道及构件)的影响与防护,以及对周围通信系统的干扰与影响。
   现代电力的超高电压,特大电流形成强大电磁场对环境的污染日趋严峻了。这是电磁环境工程学的任务。电力工业的发展出现了新的情况、出现了新的污染。
   一、机电设备容量增大,应用广泛,节省材料变得十分有意义,如铁芯正常工作点选得比较饱和,设备工作于十分接近非线性状态。
   二、电能的使用范围扩大,电力用户中涌进了大量的冲击、非线性负载及不平衡负荷,如电弧炉、电焊、电气化铁道等。
   三、电力电子技术的发展,电力用户采用了大量时变控制的非线性元件,晶闸管自从1957年问世以来,由于它独特的优点,从上世纪六十年代开始逐渐取代了水银整流器,到七十年代就只用采半导体整流器了。除此之外,在逆变、变频和交流电压调整方面得到了很大的发展,使电力变换技术与控制技术发生了革命性的变化。目前在各工业、交通部门及家用电器都得到越来越广泛的应用。首先大功率整流装置既提高了变流效率,又提高了电解产品的质量,因而首先得到了发展。其次,在交流调速技术上广泛使用,如在风机、水泵类负载中用晶闸管串级调速技术,已是一项节电效果比较显著的措施。晶闸管脉冲调速的机车、晶闸管调速的矿山提升设备,隔爆型充电设备等的半导体装置,均因其安全、可靠、节能、便于控制等优点正在矿业部门广泛采用。晶闸管调压器和调功器与常用电磁型的同类产品比较,它具有节能、维修量少、运行可靠等优点,故已广泛应用于民用工业、机杨调光、国防设施等。为了改善电炉冶炼的负载特性,提高电炉冶炼的效率与冶炼产品质量,近年来发展了直流电弧炉,直流精炼炉也采用晶闸管换流装置。此外在金属轧制、轻纺、制糖、水泥等行业中的交直流拖动系统都广泛采用晶闸管。据1981年日本电力协调研究会对九个电力公司的调查,电力半导体装置所占负荷的比重已达总负荷的73%。我国国务院、国家科委已把推广使用电力电子技术作为我国的技术政策之一,这意味着我国供电系统的负荷已日趋非线性化与时变化。
   四、新的发电方式与贮能方式的推广使用,输电技术的进步,控制方式的完善,非线性元件必将成为电力系统的主要组成元件。例如,为了克服机械整流的缺点,提高同步发电机的控制性能,已广泛使用静止励磁装置,并正在研究交流励磁的同步发电机异步化;为了改善电压调整率,提高系统的静态和暂态稳定,降低过电压,减小电压闪变,对次同步振荡进行阻尼,减小电压和电流的不平衡,推广使用静止补偿器实施电力系统无功控制。
   新型发电方式,如磁流体(Magnetohydrodynamic—MHD)发电,电气体(Electro-Fltid Dynamic—EFD)发电,燃料电池和太阳能电池;新能源的开发利用,如利用海洋的海水温差发电、大规模潮汐发电和海流发电;大型水电站的低水头或低频率(施工期提前)发电等都存在换流问题。新型贮能电池,电解装置一氢一燃料电池(容量已达107千瓦小时),超导电能存贮系统(SMES),采用超导线圈将电能以电磁方式存贮,其换流装置在贮能时作整流器用,在供电时作逆变器运行。
   高压直流输电因其独特的优点将会在电力系统中进一步发展使用。它不仅可作远距离大功率输电,它还可用于海底电缆送电;不同额定频率或相同额定频率非同步运行的交流系统之间的连络;用地下电缆向用电密度高的城市供电,系统互联或配电网增密时,作为限制短路电流的措施等等。
   五、现代技术装备,要求高质量的电能,电能质量,包括电压、频率与波形。电能的质量不仅直接影响用电器具的使用效能,而且它影响到整个国民经济的整体效益以及我国产品在国际上的竞争能力。许多电气设备(包括电子仪器)为适应电能质量的低下而增设的技术措施不仅降低了设备的使用效率,而且使成本大大提高。
   大量非线性元件引人电力系统,使系统电压波形及电流波形发生畸变。波形畸变给产生畸变波形电流的装置自身、与其相接的其它装置以及电力系统运行都带来不良影响,这些不良影响或危害可以归纳为以下八个方面:
   1.激发谐振,引起破坏性的过电流与过电压;
   2.产生附加功率损耗,降低效率;
   3.引起发热,加速绝缘老化,缩短设备使用寿命;
   4.使测量仪表误差增加,影响监控效果与经济效益;
   5.使自动装置失灵,控制失控,使设备不能正常运行;
   6.使继电保护不能正确动作一误动或拒动;
   7.大的有功和无功冲击,造成电压和频率的大幅度波动,将会造成负载,甚至系统的不稳定;
   8.电压闪变,恶化工作环境,有害人体健康与工作效率。
   这些影响已经严重影响电力用户和供电网的正常工作,并已造成了严重的损失。电压及电流波形畸变最早是由整流器引起的,这种整流器引起的畸变通常都是工频周期的周期性畸变。这类畸变波用傅里叶级数分析最为方便。傅里叶级数把周期畸变波分解为与畸变波频率相同的及无穷多与该频率成整数倍的正弦分量。这些正弦分量就是我们常称的“谐波”。把畸变波引起的危害称为“谐波污染”。这类谐波是电力的电压和电流的谐波。我们把它称为“电力谐波”,习惯上也把谐波污染称作“电力污染”。
   从近年来国内外的文献看来,电力污染的概念已经大大扩展了,如急剧变化的负载形成的有功和无功冲击带来的电压急剧变化,有功、无功平衡,电压闪变;不平衡负载引起的负序,零序电压和电流……都被列入电力污染的范畴。
   近十几年间电力谐波的研究,更准确一点说电力污染的研究,已经超过了电力系统(习惯上)的范畴,渗透到了电工理论、电网理论、电力电子学、电气技术、数字信号处理、计算技术、系统仿真、控制理论与控制技术等其它学术领域。并已形成自己特有的理论体系、分析研究方法、控制与治理技术、监测方法与技术、限制标准与管理制度。通过这些研究与实践,一门新的边缘分支学科正在形成。这门新学科与<环境电磁工程学》类比,可叫做《电力环境工程学》。〈电力环境工程学>研究电力污染产生的物理机理和分析方法;电力污染的测量技术、信息处理与监控系统;危害的机理、范围及可容度;控制、消除或抑制的措施等以及由此而引起的理论与技术问题。这门新学科的雏形已经可以从近年出版的一些论著中看到。
近一段时期以来,对于电力污染的研究,着重在以下几个方面:
    1、新污染源模型的建立以及提高模型的精确度,重点在非理想状态下的模型与随机性模型。
    2、提高供电系统模型的精度。电力污染与其它污染相比有个突出的特点,与供电网关系十分密切。畸变波及暂态波在电网上传播取决于电网参数,它可使畸变受到抑制,也可使畸变放大。模型考虑了不同频率电流下的电阻、电感,计及驻波效应的长线模型,计及布置不对称的三相网络模型等。
    3、把在网络理论基础上建立起来的网络分析法有效地利用于谐波分析,把频域分析与时域分析结合起来,从傅里叶分析发展到小波分析,把确定性分析与随机分析结合起来。在设计与计算上更有效地采用最优化方法。
    4、在测量方法与测量技术上有了较大的发展,已开发了新型测量仪器、监测系统、并向多功能、智能化方向发展。
    5、在研究污染影响及设备可容度的基础上,制订并完善了一批限制标准与管理法规,并正在组织贯彻执行。如我国在《电力系统谐波管理暂行规定》的基础上,先后制订了《电能质量公用电网谐波》及《电能质量标准电压允许波动和闪变》等国家标准。
    6、在污染治理上,提高电能质量,继续改善原有治理方法与手段的同时,开发新的装置并提出了一些新的思路。如基于闭环控制的自动调谐滤波器,并联滤波器与串联滤波器配合使用,无源滤波器与有源滤波器结合组成的混合补偿装置可以起到取长补短的效果,把波形补偿与相位补偿结合起来;将常规静止无功补偿(SVC)、滤波器与动态功率补偿滤波器(DPF)结合起来可获得非线性、非周期复杂畸变的最优控制,使功率因数为1,谐振最小,电压稳定,负载最优。这样就将污染治理与电网运行控制结合在一起了。
    7、有关电力污染及电能质量的新理论,概念、定义有了新发展,对一些问题和术语进行了讨论。
    基本结论:电力污染随着现代电力的发展不断出现并日趋严重。电力污染与系统关系密切,实质上是电能质量问题,涉及面广,具有独特的复杂性,难于认识并难于治理。电力污染也随着技术的发展可以得到有效的控制,并最终将与电网运行控制结合起来。电力污染的理论发展与实践,逐步形成自己的理论体系与工程实践,并因此而形成一门新的边缘分支学科一电力环境工程学。

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