張培

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨著現(xiàn)代化教學、電子圖書館等現(xiàn)代化教學手段的引進，智能給排水系統(tǒng)、變頻空調(diào)、電梯傳送系統(tǒng)等輔助設(shè)施、電子鎮(zhèn)流照明系統(tǒng)等各種非線性電力電子裝置紛紛涌現(xiàn)，許多高校和研究機構(gòu)在進行研究時，都會使用到一些先進的儀器、儀器，導致學校的供配電系統(tǒng)出現(xiàn)諧波污染、無功功率、三相不平衡等電能質(zhì)量問題，并對配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成極大的影響和危害。通過對電網(wǎng)的諧波進行治理，可以有效地改善電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性。提高教學設(shè)施和電氣設(shè)備的使用壽命，降低故障發(fā)生率，降低配電系統(tǒng)的安全風險，節(jié)省能源。

關(guān)鍵詞：高校供配電系統(tǒng)；電能質(zhì)量；諧波危害及治理；無功補償；系統(tǒng)解決方案

0.引言

學校的智能化辦公大樓、教學樓的冷氣、照明設(shè)備、高校工程中心的變頻設(shè)備、高校圖書館和學術(shù)報告廳的舞臺燈光、音響、升降設(shè)備、電氣設(shè)備、 LED照明設(shè)備、高校實驗室的儀器、測試設(shè)備、測試設(shè)備等，都會對電力系統(tǒng)造成嚴重的諧波污染，造成設(shè)備損壞，影響正常教學，因此，加強電力品質(zhì)管理是非常必要的。

1.圖書館及學術(shù)報告多功能廳

作為重要的科研、學術(shù)會議和文化交流的地方，圖書館和學術(shù)報告廳包括了大量的舞臺燈光、舞臺音響、舞臺升降設(shè)備、 LED顯示、電子信息、 LED熒光燈、調(diào)光器、熒光燈等。這些非線性負載的大量應用會造成電網(wǎng)的污染，同時也會引起電網(wǎng)的不穩(wěn)定，給電網(wǎng)造成一定的傷害。一般照明使用 LED光源，會造成供電線路的電流波形失真，并以3 N次次諧波電流為主，對線路的 N線造成很大的影響。多功能廳的舞臺照明諧波主要是由于可控硅調(diào)光器，每一調(diào)光器本質(zhì)上都是一個單相 AC調(diào)壓器，它的輸出波形包含了50 Hz的基本波形，其頻率是基波分量的整數(shù)倍。這些高次諧波會透過電線傳遞給其它負荷，造成電源電壓波形失真，主要以3,5,7次諧波為主。多功能廳的舞臺音響系統(tǒng)是某些專業(yè)的電子信息裝置，特別是電氣、通信系統(tǒng)，會產(chǎn)生大量的3,5,7次諧波。多功能廳的舞臺升降裝置是以3,5,7次諧波為主要諧波源。

2.高校供配電系統(tǒng)諧波源及其特點

學校供、配電網(wǎng)的諧波源主要來源于四個方面：綜合教學大樓（涉及電梯、變頻空調(diào)、水泵、照明設(shè)備、計算機通信設(shè)備等）、圖書館及學術(shù)報告多功能廳（涉及大量各種舞臺燈光、舞臺音響、舞臺升降設(shè)備以及 LED顯示屏電子信息用電設(shè)備和調(diào)光器、 LED熒光燈等）、科研場所及實驗室（涉及高新儀器、儀器測量設(shè)備、開關(guān)電源、整流/逆變器、 UPS/EPS等諧波源）和體育館及校史館（涉及變頻空調(diào)、風機通風設(shè)備和數(shù)量較多的 LED熒光燈等），具有頻譜寬、畸變率高、種類雜和數(shù)量多等特點。

2.1綜合教學大樓

目前，在大學里，大部分的教學大樓都采用了計算機，包括電梯、變頻空調(diào)、水泵、照明設(shè)備、計算機通訊設(shè)備等。微機的開關(guān)電源和 UPS都是諧波源，它會產(chǎn)生大量的次諧波，如3,5,7,9等。學校里的空調(diào)基本上都是變頻式的，而升降機的頻率也是三相的，這就導致了3,5,7,9等的次諧波，對學校的供電和供電系統(tǒng)的穩(wěn)定有很大的影響。同時，在校園里，大多數(shù)的燈具都是熒光燈，它會產(chǎn)生很高的3次諧波。

2.2科學研究場地和實驗室

實驗室是學校的重要教學與研究基地，為了保證“干凈”的電力網(wǎng)絡環(huán)境，許多敏感設(shè)備都必須保持良好的工作狀態(tài)。比如工程物理系的加速器實驗室、生物醫(yī)學系的核磁共振譜儀實驗室、材料系的燒結(jié)室，這些實驗室都是高科技儀器、測量儀器、開關(guān)電源、逆變器、 UPS/EPS。如嵌入式、實驗室等具有較高的開關(guān)電源負荷的場合，因其負荷特性，會出現(xiàn)3次、5次、7次以上的諧波。

2.3體育與歷史博物館

體育館和校史館是學校體育、休閑、觀光的場所，這些場地所涉及的負荷類型比較小，通常是變頻空調(diào)、風機、 LED燈數(shù)量多等。變頻調(diào)速系統(tǒng)的負荷自身的功率因數(shù)較高，有時無功為電容，其諧波頻率多為6 N+1；LED發(fā)光負荷中的3 N次次諧波（零序）占主導地位，對 N線路產(chǎn)生一定的影響。3次諧波為零序諧波，中性線產(chǎn)生諧波，其電流大于相線2倍，由于進線斷路器是三極子斷路器，不進行中性線電流的探測，因此，當中性線的電流超出導線容許負載時，斷路器就不會工作，從而引起中性線溫度過高、絕緣老化、接地失效，從而引起電力供應中斷，乃至引發(fā)電氣火災，危及學校和學生的生命。

3.諧波危害

由于電力系統(tǒng)中存在著大量的非線性負荷，從而產(chǎn)生了諧波、諧波，嚴重影響了電力系統(tǒng)的整體供電，并對其他電力設(shè)備的正常工作產(chǎn)生了一定的影響。電力系統(tǒng)中存在的非線性負荷對電力系統(tǒng)的諧波造成的危害有以下幾個方面：

3.1電力系統(tǒng)的作用

如果將諧波輸入到大學校園，將會引起電網(wǎng)的波動，從而導致電力系統(tǒng)的損失，從而導致設(shè)備的發(fā)熱，從而降低設(shè)備的壽命。另外， n次諧波還會引起并聯(lián)電容（容抗）和系統(tǒng)（感抗）的并聯(lián)共振，從而引起電容群的過載和過流。

3.2變壓器效應

諧波電流增大了變壓器的銅消耗，不但會導致系統(tǒng)的電源品質(zhì)下降，而且會造成變壓器和系統(tǒng)的損失，而且還會對系統(tǒng)的功率因數(shù)產(chǎn)生一定的影響，從而使變壓器的壽命大大縮短。如果變壓器一次側(cè)線圈是三角形的，那么，由于高校圖書館和學術(shù)會議大廳中使用了 LED和 LED顯示屏，因此，大量的3次諧波電流會在變壓器一次側(cè)的封閉環(huán)路中循環(huán)，從而導致變壓器的銅、鐵損耗增大，從而提高變壓器的工作溫度。

3.3對電容器性能的影響

電網(wǎng)的諧波對并聯(lián)電容的工作性能有很大的影響，其諧波電流與電容器的基波電流疊加，使其工作電流增大，溫度升高，從而導致電容器過熱，從而縮短電容器的壽命，甚至造成電容器的損傷。由于電容器的基波電壓與電容器的基波電壓疊加，不但增大了電容器工作電壓的有效值，還會導致電容器在工作過程中出現(xiàn)局部放電無法熄滅的現(xiàn)象。此外，并聯(lián)電容對諧波電流的放大也有一定的放大效果，電容對諧波的放大通常是2~3倍，共振時可以達到20多倍。

3.4在網(wǎng)絡教學中的作用

諧波對大學教學網(wǎng)通訊系統(tǒng)的影響主要有三個方面：電網(wǎng)的諧波電壓、諧波電流、輸電線路與通訊線路的耦合強度、通訊線路對諧波的敏感性。電網(wǎng)不均衡的諧波電流會對校園網(wǎng)的通訊造成一定的影響，嚴重的話會造成網(wǎng)絡的噪音干擾，嚴重的話會造成網(wǎng)絡的整體信息和資料的丟失，從而造成網(wǎng)絡的癱瘓。在多個中性點的地網(wǎng)中，如果有大量的零序分量的諧波電流從中性點進入地面，會對鄰近的通訊系統(tǒng)造成很大的影響。一般情況下，音頻頻道的頻率在200-3500 Hz之間，大部分的諧波都是在這個范圍內(nèi)，很容易對附近的電話線造成靜電和電磁感應，輕則會造成噪音，嚴重的話會導致手機鈴聲，嚴重的話會危及到設(shè)備和工作人員的生命。

4.高校電能質(zhì)量主要特征

(1)教育一直是全國的重要組成部分，全國各地的大學建設(shè)仍然是重中之重。

(2)高?？蒲袑嶒炇?、圖書館和學術(shù)報告廳是科研、學術(shù)會議、文化交流的重要場所，其中非線性負荷的數(shù)量大，對電力系統(tǒng)的整體供電質(zhì)量有很大的影響。

5.高校電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案

5.1解決方案

在大學中，照明、電梯、空調(diào)是主要的電力負載，這些負載較輕的電力品質(zhì)較好，因而經(jīng)常會出現(xiàn)較大的諧波。然而，在大學的實驗大樓中，存在著許多帶有非線性器件的專用試驗設(shè)備，這些器件會引起諧波，導致電能質(zhì)量不佳。由于電網(wǎng)存在著一定的諧波污染，因此，學校電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題將會造成其它電器設(shè)備的損壞，影響教學工作的正常進行。

安科瑞電力公司開發(fā)的電能質(zhì)量監(jiān)控與管理系統(tǒng)，能夠很好地滿足電力系統(tǒng)的監(jiān)控管理、運維和電能質(zhì)量管理等方面的要求，為高等院校提供全方位的電力系統(tǒng)集成解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務等多個方面，為大學的整體運營創(chuàng)造價值。

5.2方案特點

(1)除了作為局域網(wǎng)站，為高校的后勤維護人員提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理及設(shè)備維護等服務，還可以接入AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理系統(tǒng)平臺，為高校提供遠程在線服務和運維管理；

(2)利用全控制技術(shù)，提高學校電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)；

(3)電力品質(zhì)的專業(yè)化監(jiān)控：電力品質(zhì)的實時在線監(jiān)控，精度高，測量精度高，滿足IEC61000-4-30要求；

(4)電力品質(zhì)監(jiān)控及治理系統(tǒng)的設(shè)備采用一體化的設(shè)計，可以通過上層的平臺進行統(tǒng)一的管理和閉環(huán)的控制；

(5)高質(zhì)量的電能質(zhì)量管理：所配套的電力電子器件技術(shù)過關(guān)，質(zhì)量過硬，具有網(wǎng)絡化、可調(diào)節(jié)、快速響應等特點；

(6)電力管理業(yè)務的一體化協(xié)作：電力系統(tǒng)的管理與維護、電能分析與電能質(zhì)量信息的共享與協(xié)調(diào)，為電力供應和消費提供了有效的控制。

5.3方案價值

(1)對電力品質(zhì)進行綜合監(jiān)控，確保電力供應的可靠性

全面監(jiān)控電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保證電力供應滿足規(guī)范的使用。微秒級的故障錄波和 SOE報警可以實時地將所有的數(shù)據(jù)信息記錄下來，從而為故障的跟蹤和定位提供了有力的支撐。

(2)全面的電力品質(zhì)管理

采用集中+現(xiàn)場（終端）一體化的電力品質(zhì)管理方式，進一步滿足電網(wǎng)無功、諧波治理的需要，改善電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)，降低配電系統(tǒng)、變壓器、輸電線路及整個校園網(wǎng)的通訊，從而降低對學校的教學工作的影響。

6.安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理產(chǎn)品選型

6.1集中治理

利用電能質(zhì)量在線監(jiān)測設(shè)備，對全校低壓供、0.4 KV的電力質(zhì)量進行實時監(jiān)測，包括：電力因數(shù)監(jiān)測、諧波分析與記錄、波形采樣、電壓暫降/中斷、閃變監(jiān)測、電壓不平衡監(jiān)測、事件記錄和測量控制等功能，可以實現(xiàn)對全校電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測。為了降低諧波對電網(wǎng)的危害和影響，為了保證無功功率因數(shù)符合國家標準，可以采取集中治理的方法。

6.2末端治理

對于終端使用大量 LED燈具和調(diào)光設(shè)備的地方，如圖書館、學術(shù)報告多功能廳、體育館等，因為這類燈具的主要負載形式是切換式，其諧波電流以3次次諧波電流為主，3次次諧波電流為零序，三相向量角度相同，因而將三次諧波電流疊加到 N條線路上，造成 N股電流過大，對電力系統(tǒng)的整體影響很大，所以必須分別進行終端治理；此外，為了保證“干凈”的電力網(wǎng)絡環(huán)境，研究實驗室中的許多敏感設(shè)備都需要有針對性地進行現(xiàn)場治理，以減少非線性負荷對其它設(shè)備的諧波造成的影響。7.湖北省某高校電能質(zhì)量治理項目案例

7.1項目背景

以湖北省重點大學電力質(zhì)量治理工程為例，根據(jù)后勤部門的反映，主校區(qū)綜合教學樓經(jīng)常跳閘，而且食堂配電房電容柜內(nèi)電抗器出現(xiàn)燒焦和 N線線纜過熱的情況，由于綜合教學樓和食堂分別涉及變頻空調(diào)、計算機通信設(shè)備、 LED燈照明和水泵等負荷，運行過程中會產(chǎn)生諧波，對整體供電系統(tǒng)造成一定的影響。

7.2測量結(jié)果

（1）主校區(qū)綜合教學樓配電室諧波測量數(shù)據(jù)

（2）食堂配電室諧波測量數(shù)據(jù)

由以上兩組測試結(jié)果可知，綜合教學樓內(nèi)的諧波頻率以5、7次為主，電流失真率最高達22%,5、7次諧波可在配電房進行集中處理，以消除電力系統(tǒng)、變壓器、無功柜及其他電力設(shè)施的諧波，確保教學工作的正常進行；《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中的0.38 KV系統(tǒng)中的諧波電流、諧波電流的標準是：3次、5次諧波?，F(xiàn)場電容器串聯(lián)7%的電抗，3、5次諧波進入電容器，并與電容器的基波電流疊加，使電容器的工作電流增大，溫度升高，造成電容器過熱，縮短電容器的壽命，或造成電容器的損傷。因為3次諧波是零序的，三相的向量角是相等的， N線的電壓是223 A左右，遠遠超出了相線的電流值， N線的電壓太高，會引起導線的溫度升高、絕緣老化、接地失效，從而導致電力供應中斷，甚至引發(fā)電氣火災。

7.3治理方案

針對綜合辦公大樓及餐廳的諧波測試，提出了相應的電力品質(zhì)管理方案。

方案一：集中治理：建議對配電機房進行無功改造，將電抗率為7%的就地電抗器改為14%，能有效地防止3、5次諧波進入電容器，造成電容器的破壞，并與AnSin-G I型有源諧波治理系統(tǒng)設(shè)備相結(jié)合，有效地解決了電網(wǎng)的諧波問題，確保了教學工作的順利進行；或者用AnCos-G I型有源無功補償系統(tǒng)來代替被動電容器，并在一定的余量條件下對諧波進行補償。

方案二：現(xiàn)場治理：因餐廳使用 LED燈具、通風裝置多，故建議在各樓層配電間或負荷端安裝 ANSNP中線保安保護器，解決因3 N次諧波和三相不平衡造成 N線電流過大問題，以達到控制諧波的目的，防止因諧波對電力系統(tǒng)及其它用電設(shè)備造成的諧波產(chǎn)生，從而保護 N線路，降低電氣火災，保證學生和學生的生命。

8.結(jié)論

隨著現(xiàn)代化教學、電子圖書館等先進教學方法的引進和深化，出現(xiàn)了一批非線性電力電子裝置，提高了大學的整體教學水平，但對整個校園的供電、供電、供電等供電設(shè)施的使用提出了新的挑戰(zhàn)，尤其是多用途的報告廳、研究實驗室等，其負荷和諧波的生成與變化具有較強的隨機性和復雜性。本文從電力系統(tǒng)的角度，分析了電力系統(tǒng)的特點，提出了一種基于電力系統(tǒng)的綜合解決方案。

作者介紹：

張培，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司

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