大學(xué)高校供配電系統(tǒng)諧波的危害及治理方法

安科瑞張浩彬

摘要：安全科學(xué)用電是保障高校教學(xué)科研及辦公的基礎(chǔ)條件，隨著現(xiàn)代化教學(xué)、電子圖書館等先進(jìn)教學(xué)手段的不斷引入，智能給排水、變頻空調(diào)、電梯傳送系統(tǒng)等配套設(shè)施以及電子鎮(zhèn)流的照明燈具設(shè)備等大量非線性電力電子設(shè)備涌現(xiàn)，很多高等院校和科研院校的實(shí)驗(yàn)室做科研項(xiàng)目時(shí)，會(huì)應(yīng)用到很多高新儀器、儀器，導(dǎo)致整個(gè)高校的供配電系統(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(duì)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生巨大的影響和危害。通過對(duì)諧波進(jìn)行治理，可有效提高配電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。延長(zhǎng)教學(xué)配套設(shè)備及電力設(shè)備的使用壽命，降低故障率，減少配電系統(tǒng)安全隱患，節(jié)約能源。

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(bǔ)償；系統(tǒng)解決方案

0.引言

學(xué)校的智能化辦公大樓、教學(xué)樓的空調(diào)和照明設(shè)施、高校工程中心變頻器設(shè)備、高校圖書館及學(xué)術(shù)報(bào)告廳大量使用各種舞臺(tái)燈光、音響和升降設(shè)備以及電子信息用電設(shè)備和LED燈具，另外包含高校實(shí)驗(yàn)室的儀器測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)備等，都會(huì)給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的諧波污染，學(xué)校配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題很可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、影響正常教學(xué)進(jìn)度等不良影響，所以對(duì)學(xué)校行業(yè)的電能質(zhì)量治理顯得尤為重要。

1.圖書館及學(xué)術(shù)報(bào)告多功能廳

圖書館及學(xué)術(shù)報(bào)告多功能廳作為重要的科研、學(xué)術(shù)會(huì)議和文化交流場(chǎng)所，涉及大量各種舞臺(tái)燈光、舞臺(tái)音響、舞臺(tái)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，設(shè)備運(yùn)行所要求的高安全性和準(zhǔn)確性對(duì)電能的使用提出更高的要求。這些非線性負(fù)荷大量使用帶來嚴(yán)重的電力污染，諧波帶來電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定，對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生危害。普通照明大量采用LED燈具，導(dǎo)致照明配電干線電流波形有畸變，產(chǎn)生的諧波電流主要為3N次諧波為主，對(duì)N線的影響較大。多功能廳舞臺(tái)燈光諧波主要是由晶閘管調(diào)光器引起，每個(gè)調(diào)光器實(shí)質(zhì)是一個(gè)單相交流調(diào)壓器，調(diào)光器輸出電壓波形除含有50Hz的基波成分外，還含頻率為基波分量整數(shù)倍的高次諧波。這些高次諧波通過導(dǎo)線傳導(dǎo)到其他負(fù)載，引起電源電壓波形畸變，且以3、5、7次諧波為主。多功能廳舞臺(tái)音響是一些專業(yè)電子信息設(shè)備，尤其是電聲學(xué)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量3、5、7次諧波。多功能廳舞臺(tái)升降設(shè)備產(chǎn)生大量的3、5、7次諧波電流，是主要的諧波源。

2.高校供配電系統(tǒng)諧波源及其特點(diǎn)

高校供配電系統(tǒng)中的諧波源主要來自四個(gè)場(chǎng)所：綜合教學(xué)辦公樓（涉及電梯、變頻空調(diào)、水泵、照明設(shè)施、計(jì)算機(jī)通信設(shè)備等）、圖書館及學(xué)術(shù)報(bào)告多功能廳（涉及大量各種舞臺(tái)燈光、舞臺(tái)音響、舞臺(tái)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(chǎng)所及實(shí)驗(yàn)室（涉及高新儀器、儀器測(cè)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(fēng)機(jī)通風(fēng)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(diǎn)。

2.1綜合教學(xué)辦公樓

高校中教學(xué)辦公樓常用到的負(fù)載設(shè)備有電梯、變頻空調(diào)、水泵、照明設(shè)施、計(jì)算機(jī)通信設(shè)備等，目前學(xué)校均使用多媒體教學(xué)，計(jì)算機(jī)的數(shù)量很多，此外服務(wù)器等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)配有UPS等備用電源。個(gè)人電腦的開關(guān)電源及UPS均為諧波源，會(huì)產(chǎn)生大量的3、5、7、9等（2n±1)次諧波；學(xué)校安裝的空調(diào)基本都是變頻空調(diào)，電梯也是采用變頻驅(qū)動(dòng)的三相負(fù)載，會(huì)產(chǎn)生大量的3、5、7、9等（2n±1)次諧波，影響到整個(gè)學(xué)校供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時(shí)學(xué)校中照明設(shè)備大部分使用的是熒光燈，熒光燈會(huì)產(chǎn)生較高的3次諧波。

2.2科研場(chǎng)所及實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)室作為重要的教學(xué)科研場(chǎng)所，由于高校的教學(xué)和科研要求，大量的敏感設(shè)備需要“干凈”的電網(wǎng)環(huán)境以保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。例如很多理工科高校的實(shí)驗(yàn)室包括自動(dòng)化系的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、工程物理系的加速器實(shí)驗(yàn)室、生物醫(yī)學(xué)系的核磁共振譜儀實(shí)驗(yàn)室、材料系的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)室，一般皆會(huì)涉及高新儀器、儀器測(cè)量設(shè)備、開關(guān)電源、整流/逆變器、UPS/EPS等，同時(shí)也是作為較大的諧波源。類似嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室等存在大量開關(guān)電源負(fù)載的場(chǎng)所由于其負(fù)載的特點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生明顯的3次、5次和7次諧波，需要特別注意3次諧波電流對(duì)中性線的影響。

2.3體育館及校史館

體育館及校史館作為學(xué)校的運(yùn)動(dòng)娛樂和觀光場(chǎng)所，這類場(chǎng)所涉及負(fù)載種類較少，一般為變頻空調(diào)、風(fēng)機(jī)和數(shù)量較多LED照明設(shè)備等。變頻器負(fù)載本身功率因數(shù)比較高，有時(shí)無功為容性，諧波主要以6N±1次諧波為主；LED照明負(fù)載主要以3N次諧波（零序電流）為主，會(huì)對(duì)N線造成影響。3 次諧波是零序諧波，導(dǎo)致諧波電流在中性線疊加，中性線上的電流是相線電流的2倍以上，鑒于進(jìn)線斷路器為三極斷路器，不檢測(cè)中性線電流，即使中性線電流超過導(dǎo)體允許載流量，斷路器也不會(huì)動(dòng)作，這可能造成中性線超溫、絕緣老化，發(fā)生接地故障，導(dǎo)致中斷供電甚至發(fā)生電氣火災(zāi)，危及到學(xué)校師生的安全。

3.諧波危害

高校的供配電系統(tǒng)中使用大量非線性負(fù)載導(dǎo)致諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對(duì)整個(gè)供電電網(wǎng)是一種污染，同時(shí)諧波對(duì)其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行也會(huì)造成危害。高校所涉及到的非線性負(fù)載設(shè)備對(duì)配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波的危害主要體現(xiàn)在如下方面：

3.1對(duì)電網(wǎng)的影響

高校中非線性負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生的諧波若流入電網(wǎng)，會(huì)造成電網(wǎng)的波動(dòng)，增加電力系統(tǒng)損耗，使設(shè)備發(fā)熱，影響設(shè)備使用壽命。此外n次諧波會(huì)使并聯(lián)的無功補(bǔ)償電容器（容抗）與系統(tǒng)（感抗）之間發(fā)生并聯(lián)諧振，造成電容器組的過電壓和過電流。

3.2對(duì)變壓器的影響

諧波電流使變壓器的銅耗增加，諧波電流的存在，不僅會(huì)降低系統(tǒng)供電質(zhì)量，增加變壓器及系統(tǒng)損耗，還會(huì)影響系統(tǒng)功率因數(shù)，降低變壓器的使用裕度和使用壽命。變壓器一次側(cè)繞組若為三角形聯(lián)結(jié)，由于高校圖書館及學(xué)術(shù)報(bào)告多功能廳采用大量的LED燈和LED顯示屏，其產(chǎn)生的大量3次諧波電流會(huì)在變壓器一次側(cè)所形成的一個(gè)閉合回路內(nèi)流通，進(jìn)而增加變壓器本體的銅損和鐵損，使變壓器運(yùn)行溫度升高。

3.3對(duì)電容柜的影響

電網(wǎng)諧波對(duì)無功補(bǔ)償并聯(lián)電容器的運(yùn)行有較大影響，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，使電容器的運(yùn)行電流變大，溫升變高，引起過熱而降低電容器的使用壽命或使電容器損壞。疊加在電容器基波電壓上的諧波電壓，不僅使電容器運(yùn)行電壓的有效值變大，而且可能使峰值電壓變大很多，使電容器在運(yùn)行中發(fā)生局部放電不能熄滅，這是電容器損壞的一個(gè)主要原因。另外，無功補(bǔ)償并聯(lián)電容器對(duì)諧波電流還具有放大作用，電容器對(duì)諧波電流放大一般為2-3倍，諧振時(shí)可達(dá)20倍以上。

3.4對(duì)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的影響

諧波對(duì)高校教學(xué)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)干擾的大小由三個(gè)因素綜合決定：電力線路諧波電壓和諧波電流大小，電力線路和通信線路之間的耦合強(qiáng)度，通信線路對(duì)諧波干擾的敏感程度。電網(wǎng)中不平衡諧波電流對(duì)校園網(wǎng)通信系統(tǒng)，輕則產(chǎn)生噪聲干擾，降低通信質(zhì)量，重則導(dǎo)致整個(gè)教學(xué)信息和數(shù)據(jù)丟失，使系統(tǒng)癱瘓而無法正常工作。在多個(gè)中性點(diǎn)接地電網(wǎng)中，如有較大零序分量諧波電流通過中性點(diǎn)流入大地，將嚴(yán)重干擾附近通信系統(tǒng)。通常音頻通道的頻率為200~3500Hz，而很多諧波也在這個(gè)范圍，易對(duì)臨近的電話線路產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，輕則引起可以察覺的雜音甚至觸發(fā)電話響鈴，重則危及設(shè)備和操作人員安全。

4.高校電能質(zhì)量主要特征

（1）教育始終是國家重視的部分，各地高校建設(shè)依然是國家關(guān)注的重點(diǎn)。

（2）高校科研實(shí)驗(yàn)室和圖書館及學(xué)術(shù)報(bào)告多功能廳作為重要的科研、學(xué)術(shù)會(huì)議和文化交流場(chǎng)所，其涉及到的較多非線性負(fù)載設(shè)備嚴(yán)重影響了整個(gè)供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，因此需要針對(duì)性的進(jìn)行電能質(zhì)量治理。

5.高校電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案

5.1解決方案

高校用電負(fù)荷主要是照明、電梯、空調(diào)，這類負(fù)荷較輕電能質(zhì)量比較好，往往產(chǎn)生大的諧波較少。但是在高校的實(shí)驗(yàn)樓有很多特殊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，含有一些非線性設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生諧波，電能質(zhì)量較差。會(huì)給電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的諧波污染，學(xué)校配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題很可能導(dǎo)致其他用電設(shè)備損壞、影響正常教學(xué)進(jìn)度等不良影響，所以對(duì)學(xué)校行業(yè)的電能質(zhì)量治理顯得尤為重要。

我司提出的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運(yùn)維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為高校提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)等不同方面來滿足高校的需要，為高校的整體運(yùn)作創(chuàng)造價(jià)值。

5.2方案特點(diǎn)

（1）高校電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)除作為本地終端為高校后勤運(yùn)維人員提供電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理系統(tǒng)平臺(tái)，為高校提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)和運(yùn)維管理；

（2）采用全控型技術(shù)實(shí)現(xiàn)高校用電的電能質(zhì)量；

（3）專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度高、測(cè)得準(zhǔn)，符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)；

（4）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)裝置采用整體設(shè)計(jì)，并可通過上位平臺(tái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制；

（5）高品質(zhì)電能質(zhì)量治理：配套電力電子裝置技術(shù)過關(guān)、質(zhì)量過硬，具備網(wǎng)絡(luò)化、可調(diào)控、快速響應(yīng)的性能；

（6）電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同：配電監(jiān)控管理與運(yùn)維、電能分析與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)共享融通，為高校的電能供給與消費(fèi)提供控制手段。

5.3方案價(jià)值

（1）全面監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量，保障供電可靠性

對(duì)供電回路的電氣參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，確保設(shè)備用電符合標(biāo)準(zhǔn)要求。微秒級(jí)故障錄波與SOE告警能夠及時(shí)記錄故障發(fā)生時(shí)全部數(shù)據(jù)信息，支持開展故障追蹤與問題定位。

（2）完整電能質(zhì)量治理

通過集中+就地（終端）整體電能質(zhì)量治理模式，更大程度滿足無功和諧波治理的要求，提高整個(gè)高校供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，降低無功及諧波對(duì)配電系統(tǒng)、變壓器、輸電線路及整個(gè)校園網(wǎng)絡(luò)通信造成損害，以至于減少對(duì)教學(xué)活動(dòng)的影響。

6.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理產(chǎn)品選型

6.1集中治理

高校建筑中良好的電能質(zhì)量是保證正常教務(wù)教學(xué)工作的前提和基礎(chǔ)，可通過電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)整個(gè)學(xué)校的低壓供配電系統(tǒng)（10KV至0.4KV）進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)，其中包含功率因數(shù)監(jiān)測(cè)、諧波分析和記錄、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測(cè)、電壓不平衡度監(jiān)測(cè)、事件記錄、測(cè)量控制等功能為一體，能夠滿足學(xué)校整個(gè)供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的要求。由于高校建筑中一般會(huì)涉及到電梯、變頻空調(diào)、大型水泵、照明設(shè)施及數(shù)量較多的計(jì)算機(jī)、投影儀和音頻等網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，上述設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生各種諧波和無功需量，為減少諧波對(duì)電網(wǎng)側(cè)的危害和影響，同時(shí)確保無功功率因數(shù)達(dá)到國標(biāo)要求值，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式.

6.2末端治理

針對(duì)末端采用大量LED燈照明設(shè)備及調(diào)光器等負(fù)載的場(chǎng)所，例如圖書館、學(xué)術(shù)報(bào)告多功能廳和體育館等，由于該類照明裝置主要負(fù)荷類型為開關(guān)電源型，諧波電流以3次諧波電流為主，3次諧波電流作為零序電流，三相矢量角度一致，因此向N線進(jìn)行疊加，導(dǎo)致N線電流過大，對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)的影響較大，因此需要單獨(dú)進(jìn)行末端治理；另外科研實(shí)驗(yàn)室中大量的敏感設(shè)備需要“干凈”的電網(wǎng)環(huán)境才能保障系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行，為了降低非線性負(fù)載對(duì)其他設(shè)備諧波的影響，也需要針對(duì)性地進(jìn)行就地治理。

7.湖北省某高校電能質(zhì)量治理項(xiàng)目案例

7.1項(xiàng)目背景

以湖北省某重點(diǎn)高校電能質(zhì)量治理項(xiàng)目為例，根據(jù)學(xué)校后勤人員反饋，該校主校區(qū)綜合教學(xué)樓頻繁出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，另外高校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(xué)樓和食堂分別涉及變頻空調(diào)、計(jì)算機(jī)通信設(shè)備、LED燈照明和水泵等負(fù)載，運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生諧波并對(duì)整個(gè)供配電系統(tǒng)造成影響，現(xiàn)對(duì)綜合教學(xué)樓和食堂所在的配電房進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)相應(yīng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)給出相應(yīng)的治理方案。

7.2測(cè)量結(jié)果

（1）主校區(qū)綜合教學(xué)樓配電室諧波測(cè)量數(shù)據(jù)

（2）食堂配電室諧波測(cè)量數(shù)據(jù)

從上述兩組測(cè)量數(shù)據(jù)可以得出綜合教學(xué)樓的諧波主要為5次和7次為主，電流畸變率最多為22%，對(duì)于5次和7次諧波可通過在配電房集中治理，消除諧波對(duì)整個(gè)供配電系統(tǒng)、變壓器、無功柜和其它用電設(shè)備的影響，從而保證正常的教學(xué)工作；食堂配電室諧波較嚴(yán)重，3次和5次諧波已超過了國家GB/T14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》0.38KV系統(tǒng)各次諧波及諧波電流值標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場(chǎng)電容柜串接7%電抗，3次和5次諧波流入電容柜，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，使電容器的運(yùn)行電流變大，溫升變高，引起過熱而降低電容器的使用壽命或使電容器損壞。由于3次諧波屬于零序諧波電流，三相矢量角一致，會(huì)在N線上進(jìn)行線性疊加，N線電流約223A，已經(jīng)超過了相線上的電流值，N線電流過大會(huì)造成中性線超溫、絕緣老化，發(fā)生接地故障，從而導(dǎo)致中斷供電甚至發(fā)生電氣火災(zāi)，可對(duì)其進(jìn)行末端就地治理，防止諧波對(duì)N線造成損害，保護(hù)線路，同時(shí)減少火災(zāi)的發(fā)生。

7.3治理方案

根據(jù)綜合辦公樓和食堂的諧波測(cè)量結(jié)果，并各自給出相應(yīng)的電能質(zhì)量系統(tǒng)治理解決方案，具體方案如下：

方案一：集中治理：建議配電房無功柜改造，現(xiàn)場(chǎng)電抗器的電抗率為7%，應(yīng)改為14%電抗，可以抑制3次和5次諧波流入電容柜而導(dǎo)致電容損壞，并結(jié)合AnSin-G Ⅰ型有源諧波治理系統(tǒng)裝置進(jìn)行集中諧波治理，消除諧波對(duì)配電系統(tǒng)的干擾，保證良好的教學(xué)工作；或?qū)o源電容柜更換為AnCos-G Ⅰ型有源無功補(bǔ)償系統(tǒng)裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償，同時(shí)在滿足裕量充足的情況下可補(bǔ)償諧波電流。

方案二：就地治理：由于食堂涉及較多LED燈照明設(shè)備和通風(fēng)機(jī)，建議在食堂的各樓層配電間或負(fù)載末端加裝ANSNP中線安防保護(hù)器，治理3N次諧波和三相不平衡導(dǎo)致N線電流過大問題，達(dá)到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個(gè)配電系統(tǒng)和其他用電設(shè)備，保護(hù)N線，減少電氣火災(zāi)的發(fā)生，保障師生的人身安全。

7.4類似案例

北方民族大學(xué)項(xiàng)目、廣東師范大學(xué)河源校區(qū)電能質(zhì)量改造項(xiàng)目、中國藥科大學(xué)項(xiàng)目、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)白馬教學(xué)科研基地增容工程項(xiàng)目

8.結(jié)論

隨著現(xiàn)代化教學(xué)、電子圖書館等先進(jìn)教學(xué)手段的不斷引入和加深，大量的非線性電力電子設(shè)備涌現(xiàn)，在提升高校綜合教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，也給整個(gè)學(xué)校的供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，特別是多功能報(bào)告廳和科研實(shí)驗(yàn)室等，負(fù)載設(shè)備多樣，諧波產(chǎn)生和變化有很大的隨機(jī)性和復(fù)雜性。通過對(duì)高校建筑供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行研究，并結(jié)合系統(tǒng)平臺(tái)提出合理的整體解決方案，對(duì)改善高校的供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及降低能耗，保障教學(xué)設(shè)備的性能，提高教學(xué)質(zhì)量，保障師生安全均有重要意義。