摘要：摘要：本文敘述了現(xiàn)代電力的特點，以及日益嚴重的電力污染。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科“電磁工程學”的形成過程概況。

關鍵詞：電力污染 電磁工程學

　　《現(xiàn)代電力與電力污染》這個題目是現(xiàn)代工業(yè)引起環(huán)境污染這一現(xiàn)實引伸出來的。電能或電力是公認的清潔動力。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)濟發(fā)展、社會生活的重要部分。隨著電磁能利用范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。這種電磁波與宇宙雜波相比較，對人類的社會生活和國民經(jīng)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，更為嚴重的是，在大強度電磁輻射長期作用下，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、研究并運用工程技術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出交流系統(tǒng)對電話的明顯干擾。在第一次世界大戰(zhàn)前，美國電機工程師協(xié)會(mEE)就制定了“波形標準”，1919年就算出了“電話干擾系數(shù)”來度量電力系統(tǒng)對電話的干擾。

1934年成立了“國際無線電干擾特別委員會”(CISPR)。這個委員會下設A、B、C、D、E及F六個分委員會，分別研究與此有關的六類對象與內容，即檢測方法、檢測儀器；高頻設備檢測標準；高壓線、發(fā)電站、變電站及其它電源；內燃機車、專用電氣設備；電視機、收音機；其它家用電器。

　　CISPR建立后，首先在測定方法、干擾標準與抑制技術上，進行了長期的研究，重點探討了電子設備與電氣設備處于共存、互不干擾的條件，并取得了進展。

　　1958年一個名叫射頻干擾組(Group on Radio Frequency Interference，即C-RFI)的組織將電力與電子工程師協(xié)會(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干擾相互共存的專用語了。

　　隨著電磁污染問題的日益嚴重，研究的深入與發(fā)展，解決的工程技術手段的進展、發(fā)展與完善，近二三十年新創(chuàng)立了一門邊緣學科“環(huán)境電磁工程學”或“環(huán)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(huán)境電磁學的研究內容，根據(jù)IEEE的G--EMC學報的概括，為(1)研究電磁檢測方法和防止電磁干擾技術，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)研究若干干擾源及其特性。又如懷特(White)所著<EMC手冊》中指出：環(huán)境電磁學重點研究電子設備與電力設備共存在的和諧條件。

我國學者趙玉峰先生在他所著《環(huán)境電磁工程學》一書中把環(huán)境電磁工程學的研究內容概括為以下九個方面：

　　(一)研究由于電磁能的利用范圍不斷擴大和不斷發(fā)展帶來的變化；
　　(二)研究電磁輻射在環(huán)境中的分布特點與規(guī)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、氣類等的潛在危險性；
　　(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(yè)干擾與輻射安全衛(wèi)生標準；
　　(七)研究電磁輻射作用區(qū)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(tǒng)而言，電磁污染，相應的電磁環(huán)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“電力污染”與相應這一問題提出的“電力環(huán)境”這一概念是指電力系統(tǒng)內部(包括電力用戶的用電器具)某些元件產(chǎn)生的污染對與系統(tǒng)相連接的電氣設備(通過地相連接的金屬管道及構件)的影響與防護，以及對周圍通信系統(tǒng)的干擾與影響。

　　現(xiàn)代電力的超高電壓，特大電流形成強大電磁場對環(huán)境的污染日趨嚴峻了。這是電磁環(huán)境工程學的任務。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、機電設備容量增大，應用廣泛，節(jié)省材料變得十分有意義，如鐵芯正常工作點選得比較飽和，設備工作于十分接近非線性狀態(tài)。

　　二、電能的使用范圍擴大，電力用戶中涌進了大量的沖擊、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(fā)展，電力用戶采用了大量時變控制的非線性元件，晶閘管自從1957年問世以來，由于它獨特的優(yōu)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(fā)展，使電力變換技術與控制技術發(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)品的質量，因而首先得到了發(fā)展。

其次，在交流調速技術上廣泛使用，如在風機、水泵類負載中用晶閘管串級調速技術，已是一項節(jié)電效果比較顯著的措施。晶閘管脈沖調速的機車、晶閘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(jié)能、便于控制等優(yōu)點正在礦業(yè)部門廣泛采用。

晶閘管調壓器和調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、運行可靠等優(yōu)點，故已廣泛應用于民用工業(yè)、機楊調光、國防設施等。為了改善電爐冶煉的負載特性，提高電爐冶煉的效率與冶煉產(chǎn)品質量，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)中的交直流拖動系統(tǒng)都廣泛采用晶閘管。據(jù)1981年日本電力協(xié)調研究會對九個電力公司的調查，電力半導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電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統(tǒng)的負荷已日趨非線性化與時變化。

　　四、新的發(fā)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(tǒng)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(fā)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發(fā)電機異步化；為了改善電壓調整率，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，對次同步振蕩進行阻尼，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(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107千瓦小時)，超導電能存貯系統(tǒng)(SMES)，采用超導線圈將電能以電磁方式存貯，其換流裝置在貯能時作整流器用，在供電時作逆變器運行。

　　高壓直流輸電因其獨特的優(yōu)點將會在電力系統(tǒng)中進一步發(fā)展使用。它不僅可作遠距離大功率輸電，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行的交流系統(tǒng)之間的連絡；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，作為限制短路電流的措施等等。

 　五、現(xiàn)代技術裝備，要求高質量的電能，電能質量，包括電壓、頻率與波形。電能的質量不僅直接影響用電器具的使用效能，而且它影響到整個國民經(jīng)濟的整體效益以及我國產(chǎn)品在國際上的競爭能力。許多電氣設備(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，縮短設備使用壽命；
4、使測量儀表誤差增加，影響監(jiān)控效果與經(jīng)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、大的有功和無功沖擊，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)嚴重影響電力用戶和供電網(wǎng)的正常工作，并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數(shù)分析最為方便。傅里葉級數(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”，習慣上也把諧波污染稱作“電力污染”。

　　從近年來國內外的文獻看來，電力污染的概念已經(jīng)大大擴展了，如急劇變化的負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；不平衡負載引起的負序，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，更準確一點說電力污染的研究，已經(jīng)超過了電力系統(tǒng)(習慣上)的范疇，滲透到了電工理論、電網(wǎng)理論、電力電子學、電氣技術、數(shù)字信號處理、計算技術、系統(tǒng)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體系、分析研究方法、控制與治理技術、監(jiān)測方法與技術、限制標準與管理制度。

通過這些研究與實踐，一門新的邊緣分支學科正在形成。這門新學科與<環(huán)境電磁工程學》類比，可叫做《電力環(huán)境工程學》?！措娏Νh(huán)境工程學>研究電力污染產(chǎn)生的物理機理和分析方法；電力污染的測量技術、信息處理與監(jiān)控系統(tǒng)；危害的機理、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問題。這門新學科的雛形已經(jīng)可以從近年出版的一些論著中看到。

近一段時期以來，對于電力污染的研究，著重在以下幾個方面：
1、新污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(tài)下的模型與隨機性模型。

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突出的特點，與供電網(wǎng)關系十分密切。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，計及駐波效應的長線模型，計及布置不對稱的三相網(wǎng)絡模型等。

3、把在網(wǎng)絡理論基礎上建立起來的網(wǎng)絡分析法有效地利用于諧波分析，把頻域分析與時域分析結合起來，從傅里葉分析發(fā)展到小波分析，把確定性分析與隨機分析結合起來。在設計與計算上更有效地采用最優(yōu)化方法。

4、在測量方法與測量技術上有了較大的發(fā)展，已開發(fā)了新型測量儀器、監(jiān)測系統(tǒng)、并向多功能、智能化方向發(fā)展。

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

6、在污染治理上，提高電能質量，繼續(xù)改善原有治理方法與手段的同時，開發(fā)新的裝置并提出了一些新的思路。如基于閉環(huán)控制的自動調諧濾波器，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合組成的混合補償裝置可以起到取長補短的效果，把波形補償與相位補償結合起來；將常規(guī)靜止無功補償(SVC)、濾波器與動態(tài)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(yōu)控制，使功率因數(shù)為1，諧振最小，電壓穩(wěn)定，負載最優(yōu)。這樣就將污染治理與電網(wǎng)運行控制結合在一起了。

7、有關電力污染及電能質量的新理論，概念、定義有了新發(fā)展，對一些問題和術語進行了討論。

　　基本結論：電力污染隨著現(xiàn)代電力的發(fā)展不斷出現(xiàn)并日趨嚴重。電力污染與系統(tǒng)關系密切，實質上是電能質量問題，涉及面廣，具有獨特的復雜性，難于認識并難于治理。電力污染也隨著技術的發(fā)展可以得到有效的控制，并最終將與電網(wǎng)運行控制結合起來。電力污染的理論發(fā)展與實踐，逐步形成自己的理論體系與工程實踐，并因此而形成一門新的邊緣分支學科一電力環(huán)境工程學。

參考文獻：

　　1　吳競呂編著，供電系統(tǒng)諧波，中國電力出版社，1998年；
　　2　陸廷信編著。供電系統(tǒng)中的諧波分析測量與抑制，機械工業(yè)出版社，1990年：
　　3　張一中等編著，電力諧波，成都科技大學出版社，1992年；
　　4　趙玉峰編著，環(huán)境電磁工程學，化學工業(yè)出版社，1982年；
　　5　錢學森、宋健著，工程控制論，科學出版社，1960年；
　　6 j．Arrilaga，Power Sysr~rn~oaicsJolm~Vilcy&Som．1985；
　　7　A．AMahmoud，Power System Han~onics．—IF．E—E Tutorial course 84 EH0221-2-PWR；
　　8 Procccdings ICHPS I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，1984，1986，1988，1990。