摘要：摘要：本文敘述了現(xiàn)代電力的特點(diǎn)，以及日益嚴(yán)重的電力污染。比較了電力污染與電磁污染的聯(lián)系和區(qū)別。論述了一門新的邊緣分支學(xué)科“電磁工程學(xué)”的形成過程概況。

關(guān)鍵詞：電力污染 電磁工程學(xué)

　　《現(xiàn)代電力與電力污染》這個(gè)題目是現(xiàn)代工業(yè)引起環(huán)境污染這一現(xiàn)實(shí)引伸出來的。電能或電力是公認(rèn)的清潔動(dòng)力。但眾所周知，它也存在著污染。在電能的形成過程中，如火力發(fā)電廠的煙氣、灰渣造成的常規(guī)環(huán)境污染、核電站可能造成的核輻射污染，大型水電站的建設(shè)可能出現(xiàn)的生態(tài)平衡問題等等。電能形成后，在傳遞、變換過程中電磁波輻射造成的環(huán)境污染等等。

　　電能已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)生活的重要部分。隨著電磁能利用范圍的擴(kuò)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(qiáng)而且頻帶極寬。這種電磁波與宇宙雜波相比較，對(duì)人類的社會(huì)生活和國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著巨大的影響。它不僅直接影響到各個(gè)領(lǐng)域中電子設(shè)備的正常工作，使之信息失真，控制失控，更為嚴(yán)重的是，在大強(qiáng)度電磁輻射長(zhǎng)期作用下，可使生物的生理、生態(tài)受到影響和危害，影響人的健康和活力。這也造成了環(huán)境污染，即所謂電磁煙霧。

　　電磁煙霧以及由電磁煙霧引起的電磁污染問題，早就引起了人們的重視、研究并運(yùn)用工程技術(shù)手段來解決電磁干擾與危害問題，力圖減少或消除污染。早在1903~1904年，瑞士在鐵路部門就測(cè)出交流系統(tǒng)對(duì)電話的明顯干擾。在第一次世界大戰(zhàn)前，美國(guó)電機(jī)工程師協(xié)會(huì)(mEE)就制定了“波形標(biāo)準(zhǔn)”，1919年就算出了“電話干擾系數(shù)”來度量電力系統(tǒng)對(duì)電話的干擾。

1934年成立了“國(guó)際無線電干擾特別委員會(huì)”(CISPR)。這個(gè)委員會(huì)下設(shè)A、B、C、D、E及F六個(gè)分委員會(huì)，分別研究與此有關(guān)的六類對(duì)象與內(nèi)容，即檢測(cè)方法、檢測(cè)儀器；高頻設(shè)備檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；高壓線、發(fā)電站、變電站及其它電源；內(nèi)燃機(jī)車、專用電氣設(shè)備；電視機(jī)、收音機(jī)；其它家用電器。

　　CISPR建立后，首先在測(cè)定方法、干擾標(biāo)準(zhǔn)與抑制技術(shù)上，進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，重點(diǎn)探討了電子設(shè)備與電氣設(shè)備處于共存、互不干擾的條件，并取得了進(jìn)展。

　　1958年一個(gè)名叫射頻干擾組(Group on Radio Frequency Interference，即C-RFI)的組織將電力與電子工程師協(xié)會(huì)(即IEEE)所命名的電磁兼容性組(Group on Electromagnetic Compatibility，即G--EMC)的機(jī)構(gòu)叫做無線電干擾。1964年又將G---EMC改為EMC。然而，幾經(jīng)推敲后，將“電磁廉容性”擴(kuò)展到更加廣泛的領(lǐng)域之中。同時(shí)將EMC作為電子裝置與電力設(shè)備互不干擾相互共存的專用語了。

　　隨著電磁污染問題的日益嚴(yán)重，研究的深入與發(fā)展，解決的工程技術(shù)手段的進(jìn)展、發(fā)展與完善，近二三十年新創(chuàng)立了一門邊緣學(xué)科“環(huán)境電磁工程學(xué)”或“環(huán)境電磁兼容學(xué)”，在電磁與電磁控制領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行廣泛而深入地研究與探討。

　　環(huán)境電磁學(xué)的研究?jī)?nèi)容，根據(jù)IEEE的G--EMC學(xué)報(bào)的概括，為(1)研究電磁檢測(cè)方法和防止電磁干擾技術(shù)，以及有關(guān)儀器、儀表及設(shè)備的使用技術(shù)；(2)研究電子設(shè)備的靈敏度、衰減度以及兼容技術(shù)；p)研究若干干擾源及其特性。又如懷特(White)所著<EMC手冊(cè)》中指出：環(huán)境電磁學(xué)重點(diǎn)研究電子設(shè)備與電力設(shè)備共存在的和諧條件。

我國(guó)學(xué)者趙玉峰先生在他所著《環(huán)境電磁工程學(xué)》一書中把環(huán)境電磁工程學(xué)的研究?jī)?nèi)容概括為以下九個(gè)方面：

　　(一)研究由于電磁能的利用范圍不斷擴(kuò)大和不斷發(fā)展帶來的變化；
　　(二)研究電磁輻射在環(huán)境中的分布特點(diǎn)與規(guī)律，電磁與高溫、高濕、放射性等多項(xiàng)的作用；
　　(三)研究電磁場(chǎng)對(duì)人體的危害和對(duì)武器裝備、可燃性油、氣類等的潛在危險(xiǎn)性；
　　(四)研究電磁輻射所引起的工業(yè)干擾及其干擾特性；
　　(五)研究電磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)定儀器、標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量理論以及檢測(cè)方法與操作技術(shù)；
　　(六)研究電磁和諧條件，制訂工業(yè)干擾與輻射安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)；
　　(七)研究電磁輻射作用區(qū)域，探討電子敏感儀器、導(dǎo)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(shù)與防護(hù)方案；
　　(九)研究與上述內(nèi)容相應(yīng)的理論。

　　從以上內(nèi)容可以看出，就電力系統(tǒng)而言，電磁污染，相應(yīng)的電磁環(huán)境學(xué)研究的是電力設(shè)備對(duì)周圍電子設(shè)備的影響與防護(hù)。

　　本文講的“電力污染”與相應(yīng)這一問題提出的“電力環(huán)境”這一概念是指電力系統(tǒng)內(nèi)部(包括電力用戶的用電器具)某些元件產(chǎn)生的污染對(duì)與系統(tǒng)相連接的電氣設(shè)備(通過地相連接的金屬管道及構(gòu)件)的影響與防護(hù)，以及對(duì)周圍通信系統(tǒng)的干擾與影響。

　　現(xiàn)代電力的超高電壓，特大電流形成強(qiáng)大電磁場(chǎng)對(duì)環(huán)境的污染日趨嚴(yán)峻了。這是電磁環(huán)境工程學(xué)的任務(wù)。電力工業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了新的情況、出現(xiàn)了新的污染。

　　一、機(jī)電設(shè)備容量增大，應(yīng)用廣泛，節(jié)省材料變得十分有意義，如鐵芯正常工作點(diǎn)選得比較飽和，設(shè)備工作于十分接近非線性狀態(tài)。

　　二、電能的使用范圍擴(kuò)大，電力用戶中涌進(jìn)了大量的沖擊、非線性負(fù)載及不平衡負(fù)荷，如電弧爐、電焊、電氣化鐵道等。

　　三、電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力用戶采用了大量時(shí)變控制的非線性元件，晶閘管自從1957年問世以來，由于它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，從上世紀(jì)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(dǎo)體整流器了。除此之外，在逆變、變頻和交流電壓調(diào)整方面得到了很大的發(fā)展，使電力變換技術(shù)與控制技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。目前在各工業(yè)、交通部門及家用電器都得到越來越廣泛的應(yīng)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(chǎn)品的質(zhì)量，因而首先得到了發(fā)展。

其次，在交流調(diào)速技術(shù)上廣泛使用，如在風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載中用晶閘管串級(jí)調(diào)速技術(shù)，已是一項(xiàng)節(jié)電效果比較顯著的措施。晶閘管脈沖調(diào)速的機(jī)車、晶閘管調(diào)速的礦山提升設(shè)備，隔爆型充電設(shè)備等的半導(dǎo)體裝置，均因其安全、可靠、節(jié)能、便于控制等優(yōu)點(diǎn)正在礦業(yè)部門廣泛采用。

晶閘管調(diào)壓器和調(diào)功器與常用電磁型的同類產(chǎn)品比較，它具有節(jié)能、維修量少、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，故已廣泛應(yīng)用于民用工業(yè)、機(jī)楊調(diào)光、國(guó)防設(shè)施等。為了改善電爐冶煉的負(fù)載特性，提高電爐冶煉的效率與冶煉產(chǎn)品質(zhì)量，近年來發(fā)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(yè)中的交直流拖動(dòng)系統(tǒng)都廣泛采用晶閘管。據(jù)1981年日本電力協(xié)調(diào)研究會(huì)對(duì)九個(gè)電力公司的調(diào)查，電力半導(dǎo)體裝置所占負(fù)荷的比重已達(dá)總負(fù)荷的73％。我國(guó)國(guó)務(wù)院、國(guó)家科委已把推廣使用電力電子技術(shù)作為我國(guó)的技術(shù)政策之一，這意味著我國(guó)供電系統(tǒng)的負(fù)荷已日趨非線性化與時(shí)變化。

　　四、新的發(fā)電方式與貯能方式的推廣使用，輸電技術(shù)的進(jìn)步，控制方式的完善，非線性元件必將成為電力系統(tǒng)的主要組成元件。例如，為了克服機(jī)械整流的缺點(diǎn)，提高同步發(fā)電機(jī)的控制性能，已廣泛使用靜止勵(lì)磁裝置，并正在研究交流勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī)異步化；為了改善電壓調(diào)整率，提高系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定，降低過電壓，減小電壓閃變，對(duì)次同步振蕩進(jìn)行阻尼，減小電壓和電流的不平衡，推廣使用靜止補(bǔ)償器實(shí)施電力系統(tǒng)無功控制。

　　新型發(fā)電方式，如磁流體(Magnetohydrodynamic—MHD)發(fā)電，電氣體(Electro-Fltid Dynamic—EFD)發(fā)電，燃料電池和太陽能電池；新能源的開發(fā)利用，如利用海洋的海水溫差發(fā)電、大規(guī)模潮汐發(fā)電和海流發(fā)電；大型水電站的低水頭或低頻率(施工期提前)發(fā)電等都存在換流問題。新型貯能電池，電解裝置一氫一燃料電池(容量已達(dá)107千瓦小時(shí))，超導(dǎo)電能存貯系統(tǒng)(SMES)，采用超導(dǎo)線圈將電能以電磁方式存貯，其換流裝置在貯能時(shí)作整流器用，在供電時(shí)作逆變器運(yùn)行。

　　高壓直流輸電因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)在電力系統(tǒng)中進(jìn)一步發(fā)展使用。它不僅可作遠(yuǎn)距離大功率輸電，它還可用于海底電纜送電；不同額定頻率或相同額定頻率非同步運(yùn)行的交流系統(tǒng)之間的連絡(luò)；用地下電纜向用電密度高的城市供電，系統(tǒng)互聯(lián)或配電網(wǎng)增密時(shí)，作為限制短路電流的措施等等。

 　五、現(xiàn)代技術(shù)裝備，要求高質(zhì)量的電能，電能質(zhì)量，包括電壓、頻率與波形。電能的質(zhì)量不僅直接影響用電器具的使用效能，而且它影響到整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的整體效益以及我國(guó)產(chǎn)品在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)能力。許多電氣設(shè)備(包括電子儀器)為適應(yīng)電能質(zhì)量的低下而增設(shè)的技術(shù)措施不僅降低了設(shè)備的使用效率，而且使成本大大提高。

　　大量非線性元件引人電力系統(tǒng)，使系統(tǒng)電壓波形及電流波形發(fā)生畸變。波形畸變給產(chǎn)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(tǒng)運(yùn)行都帶來不良影響，這些不良影響或危害可以歸納為以下八個(gè)方面：

1、激發(fā)諧振，引起破壞性的過電流與過電壓；
2、產(chǎn)生附加功率損耗，降低效率；
3、引起發(fā)熱，加速絕緣老化，縮短設(shè)備使用壽命；
4、使測(cè)量?jī)x表誤差增加，影響監(jiān)控效果與經(jīng)濟(jì)效益；
5、使自動(dòng)裝置失靈，控制失控，使設(shè)備不能正常運(yùn)行；
6、使繼電保護(hù)不能正確動(dòng)作一誤動(dòng)或拒動(dòng)；
7、大的有功和無功沖擊，造成電壓和頻率的大幅度波動(dòng)，將會(huì)造成負(fù)載，甚至系統(tǒng)的不穩(wěn)定；
8、電壓閃變，惡化工作環(huán)境，有害人體健康與工作效率。

　　這些影響已經(jīng)嚴(yán)重影響電力用戶和供電網(wǎng)的正常工作，并已造成了嚴(yán)重的損失。電壓及電流波形畸變最早是由整流器引起的，這種整流器引起的畸變通常都是工頻周期的周期性畸變。這類畸變波用傅里葉級(jí)數(shù)分析最為方便。傅里葉級(jí)數(shù)把周期畸變波分解為與畸變波頻率相同的及無窮多與該頻率成整數(shù)倍的正弦分量。這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電流的諧波。我們把它稱為“電力諧波”，習(xí)慣上也把諧波污染稱作“電力污染”。

　　從近年來國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)看來，電力污染的概念已經(jīng)大大擴(kuò)展了，如急劇變化的負(fù)載形成的有功和無功沖擊帶來的電壓急劇變化，有功、無功平衡，電壓閃變；不平衡負(fù)載引起的負(fù)序，零序電壓和電流……都被列入電力污染的范疇。

　　近十幾年間電力諧波的研究，更準(zhǔn)確一點(diǎn)說電力污染的研究，已經(jīng)超過了電力系統(tǒng)(習(xí)慣上)的范疇，滲透到了電工理論、電網(wǎng)理論、電力電子學(xué)、電氣技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算技術(shù)、系統(tǒng)仿真、控制理論與控制技術(shù)等其它學(xué)術(shù)領(lǐng)域。并已形成自己特有的理論體系、分析研究方法、控制與治理技術(shù)、監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)、限制標(biāo)準(zhǔn)與管理制度。

通過這些研究與實(shí)踐，一門新的邊緣分支學(xué)科正在形成。這門新學(xué)科與<環(huán)境電磁工程學(xué)》類比，可叫做《電力環(huán)境工程學(xué)》。〈電力環(huán)境工程學(xué)>研究電力污染產(chǎn)生的物理機(jī)理和分析方法；電力污染的測(cè)量技術(shù)、信息處理與監(jiān)控系統(tǒng)；危害的機(jī)理、范圍及可容度；控制、消除或抑制的措施等以及由此而引起的理論與技術(shù)問題。這門新學(xué)科的雛形已經(jīng)可以從近年出版的一些論著中看到。

近一段時(shí)期以來，對(duì)于電力污染的研究，著重在以下幾個(gè)方面：
1、新污染源模型的建立以及提高模型的精確度，重點(diǎn)在非理想狀態(tài)下的模型與隨機(jī)性模型。

2、提高供電系統(tǒng)模型的精度。電力污染與其它污染相比有個(gè)突出的特點(diǎn)，與供電網(wǎng)關(guān)系十分密切。畸變波及暫態(tài)波在電網(wǎng)上傳播取決于電網(wǎng)參數(shù)，它可使畸變受到抑制，也可使畸變放大。模型考慮了不同頻率電流下的電阻、電感，計(jì)及駐波效應(yīng)的長(zhǎng)線模型，計(jì)及布置不對(duì)稱的三相網(wǎng)絡(luò)模型等。

3、把在網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)上建立起來的網(wǎng)絡(luò)分析法有效地利用于諧波分析，把頻域分析與時(shí)域分析結(jié)合起來，從傅里葉分析發(fā)展到小波分析，把確定性分析與隨機(jī)分析結(jié)合起來。在設(shè)計(jì)與計(jì)算上更有效地采用最優(yōu)化方法。

4、在測(cè)量方法與測(cè)量技術(shù)上有了較大的發(fā)展，已開發(fā)了新型測(cè)量?jī)x器、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、并向多功能、智能化方向發(fā)展。

5、在研究污染影響及設(shè)備可容度的基礎(chǔ)上，制訂并完善了一批限制標(biāo)準(zhǔn)與管理法規(guī)，并正在組織貫徹執(zhí)行。如我國(guó)在《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》的基礎(chǔ)上，先后制訂了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》及《電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)電壓允許波動(dòng)和閃變》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

6、在污染治理上，提高電能質(zhì)量，繼續(xù)改善原有治理方法與手段的同時(shí)，開發(fā)新的裝置并提出了一些新的思路。如基于閉環(huán)控制的自動(dòng)調(diào)諧濾波器，并聯(lián)濾波器與串聯(lián)濾波器配合使用，無源濾波器與有源濾波器結(jié)合組成的混合補(bǔ)償裝置可以起到取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果，把波形補(bǔ)償與相位補(bǔ)償結(jié)合起來；將常規(guī)靜止無功補(bǔ)償(SVC)、濾波器與動(dòng)態(tài)功率補(bǔ)償濾波器(DPF)結(jié)合起來可獲得非線性、非周期復(fù)雜畸變的最優(yōu)控制，使功率因數(shù)為1，諧振最小，電壓穩(wěn)定，負(fù)載最優(yōu)。這樣就將污染治理與電網(wǎng)運(yùn)行控制結(jié)合在一起了。

7、有關(guān)電力污染及電能質(zhì)量的新理論，概念、定義有了新發(fā)展，對(duì)一些問題和術(shù)語進(jìn)行了討論。

　　基本結(jié)論：電力污染隨著現(xiàn)代電力的發(fā)展不斷出現(xiàn)并日趨嚴(yán)重。電力污染與系統(tǒng)關(guān)系密切，實(shí)質(zhì)上是電能質(zhì)量問題，涉及面廣，具有獨(dú)特的復(fù)雜性，難于認(rèn)識(shí)并難于治理。電力污染也隨著技術(shù)的發(fā)展可以得到有效的控制，并最終將與電網(wǎng)運(yùn)行控制結(jié)合起來。電力污染的理論發(fā)展與實(shí)踐，逐步形成自己的理論體系與工程實(shí)踐，并因此而形成一門新的邊緣分支學(xué)科一電力環(huán)境工程學(xué)。

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