大學高校供配電系統(tǒng)諧波的危害及治理方法
安科瑞張浩彬
摘要:安全科學用電是保障高校教學科研及辦公的基礎條件,隨著現代化教學、電子圖書館等先進教學手段的不斷引入,智能給排水、變頻空調、電梯傳送系統(tǒng)等配套設施以及電子鎮(zhèn)流的照明燈具設備等大量非線性電力電子設備涌現,很多高等院校和科研院校的實驗室做科研項目時,會應用到很多高新儀器、儀器,導致整個高校的供配電系統(tǒng)出現諧波污染、無功功率、三相不平衡等電能質量問題,并對配電系統(tǒng)的電能質量產生巨大的影響和危害。通過對諧波進行治理,可有效提高配電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。延長教學配套設備及電力設備的使用壽命,降低故障率,減少配電系統(tǒng)安全隱患,節(jié)約能源。
關鍵詞:高校供配電系統(tǒng);電能質量;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、教學樓的空調和照明設施、高校工程中心變頻器設備、高校圖書館及學術報告廳大量使用各種舞臺燈光、音響和升降設備以及電子信息用電設備和LED燈具,另外包含高校實驗室的儀器測量實驗設備等,都會給系統(tǒng)帶來嚴重的諧波污染,學校配電系統(tǒng)的電能質量問題很可能導致設備損壞、影響正常教學進度等不良影響,所以對學校行業(yè)的電能質量治理顯得尤為重要。
1.圖書館及學術報告多功能廳
圖書館及學術報告多功能廳作為重要的科研、學術會議和文化交流場所,涉及大量各種舞臺燈光、舞臺音響、舞臺升降設備以及LED顯示屏電子信息用電設備和調光器、LED熒光燈等,設備運行所要求的高安全性和準確性對電能的使用提出更高的要求。這些非線性負荷大量使用帶來嚴重的電力污染,諧波帶來電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定,對電氣設備產生危害。普通照明大量采用LED燈具,導致照明配電干線電流波形有畸變,產生的諧波電流主要為3N次諧波為主,對N線的影響較大。多功能廳舞臺燈光諧波主要是由晶閘管調光器引起,每個調光器實質是一個單相交流調壓器,調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倍的高次諧波。這些高次諧波通過導線傳導到其他負載,引起電源電壓波形畸變,且以3、5、7次諧波為主。多功能廳舞臺音響是一些專業(yè)電子信息設備,尤其是電聲學系統(tǒng)、通信系統(tǒng)會產生大量3、5、7次諧波。多功能廳舞臺升降設備產生大量的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
高校供配電系統(tǒng)中的諧波源主要來自四個場所:綜合教學辦公樓(涉及電梯、變頻空調、水泵、照明設施、計算機通信設備等)、圖書館及學術報告多功能廳(涉及大量各種舞臺燈光、舞臺音響、舞臺升降設備以及LED顯示屏電子信息用電設備和調光器、LED熒光燈等)、科研場所及實驗室(涉及高新儀器、儀器測量設備、開關電源、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、風機通風設備和數量較多的LED熒光燈等),具有頻譜寬、畸變率高、種類雜和數量多等特點。
2.1綜合教學辦公樓
高校中教學辦公樓常用到的負載設備有電梯、變頻空調、水泵、照明設施、計算機通信設備等,目前學校均使用多媒體教學,計算機的數量很多,此外服務器等數據存儲系統(tǒng)配有UPS等備用電源。個人電腦的開關電源及UPS均為諧波源,會產生大量的3、5、7、9等(2n±1)次諧波;學校安裝的空調基本都是變頻空調,電梯也是采用變頻驅動的三相負載,會產生大量的3、5、7、9等(2n±1)次諧波,影響到整個學校供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性;同時學校中照明設備大部分使用的是熒光燈,熒光燈會產生較高的3次諧波。
2.2科研場所及實驗室
實驗室作為重要的教學科研場所,由于高校的教學和科研要求,大量的敏感設備需要“干凈”的電網環(huán)境以保障系統(tǒng)的正常運行。例如很多理工科高校的實驗室包括自動化系的嵌入式系統(tǒng)實驗室、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、材料系的燒結實驗室,一般皆會涉及高新儀器、儀器測量設備、開關電源、整流/逆變器、UPS/EPS等,同時也是作為較大的諧波源。類似嵌入式系統(tǒng)實驗室等存在大量開關電源負載的場所由于其負載的特點,會產生明顯的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校的運動娛樂和觀光場所,這類場所涉及負載種類較少,一般為變頻空調、風機和數量較多LED照明設備等。變頻器負載本身功率因數比較高,有時無功為容性,諧波主要以6N±1次諧波為主;LED照明負載主要以3N次諧波(零序電流)為主,會對N線造成影響。3 次諧波是零序諧波,導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,鑒于進線斷路器為三極斷路器,不檢測中性線電流,即使中性線電流超過導體允許載流量,斷路器也不會動作,這可能造成中性線超溫、絕緣老化,發(fā)生接地故障,導致中斷供電甚至發(fā)生電氣火災,危及到學校師生的安全。
3.諧波危害
高校的供配電系統(tǒng)中使用大量非線性負載導致諧波電流和諧波電壓的出現,對整個供電電網是一種污染,同時諧波對其它用電設備的正常運行也會造成危害。高校所涉及到的非線性負載設備對配電系統(tǒng)產生的諧波的危害主要體現在如下方面:
3.1對電網的影響
高校中非線性負載設備產生的諧波若流入電網,會造成電網的波動,增加電力系統(tǒng)損耗,使設備發(fā)熱,影響設備使用壽命。此外n次諧波會使并聯的無功補償電容器(容抗)與系統(tǒng)(感抗)之間發(fā)生并聯諧振,造成電容器組的過電壓和過電流。
3.2對變壓器的影響
諧波電流使變壓器的銅耗增加,諧波電流的存在,不僅會降低系統(tǒng)供電質量,增加變壓器及系統(tǒng)損耗,還會影響系統(tǒng)功率因數,降低變壓器的使用裕度和使用壽命。變壓器一次側繞組若為三角形聯結,由于高校圖書館及學術報告多功能廳采用大量的LED燈和LED顯示屏,其產生的大量3次諧波電流會在變壓器一次側所形成的一個閉合回路內流通,進而增加變壓器本體的銅損和鐵損,使變壓器運行溫度升高。
3.3對電容柜的影響
電網諧波對無功補償并聯電容器的運行有較大影響,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,使電容器在運行中發(fā)生局部放電不能熄滅,這是電容器損壞的一個主要原因。另外,無功補償并聯電容器對諧波電流還具有放大作用,電容器對諧波電流放大一般為2-3倍,諧振時可達20倍以上。
3.4對教學網絡通信系統(tǒng)的影響
諧波對高校教學網絡通信系統(tǒng)干擾的大小由三個因素綜合決定: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度,通信線路對諧波干擾的敏感程度。電網中不平衡諧波電流對校園網通信系統(tǒng),輕則產生噪聲干擾,降低通信質量,重則導致整個教學信息和數據丟失,使系統(tǒng)癱瘓而無法正常工作。在多個中性點接地電網中,如有較大零序分量諧波電流通過中性點流入大地,將嚴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范圍,易對臨近的電話線路產生靜電感應和電磁感應,輕則引起可以察覺的雜音甚至觸發(fā)電話響鈴,重則危及設備和操作人員安全。
4.高校電能質量主要特征
(1)教育始終是國家重視的部分,各地高校建設依然是國家關注的重點。
(2)高??蒲袑嶒炇液蛨D書館及學術報告多功能廳作為重要的科研、學術會議和文化交流場所,其涉及到的較多非線性負載設備嚴重影響了整個供配電系統(tǒng)的電能質量,因此需要針對性的進行電能質量治理。
5.高校電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案
5.1解決方案
高校用電負荷主要是照明、電梯、空調,這類負荷較輕電能質量比較好,往往產生大的諧波較少。但是在高校的實驗樓有很多特殊的實驗設備,含有一些非線性設備,會產生諧波,電能質量較差。會給電力系統(tǒng)帶來嚴重的諧波污染,學校配電系統(tǒng)的電能質量問題很可能導致其他用電設備損壞、影響正常教學進度等不良影響,所以對學校行業(yè)的電能質量治理顯得尤為重要。
我司提出的電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運維與電能質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,從產品、系統(tǒng)、服務等不同方面來滿足高校的需要,為高校的整體運作創(chuàng)造價值。
5.2方案特點
(1)高校電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)除作為本地終端為高校后勤運維人員提供電能質量監(jiān)測、治理與設備運維等功能外,亦可通過接入AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理系統(tǒng)平臺,為高校提供遠程在線服務和運維管理;
(2)采用全控型技術實現高校用電的電能質量;
(3)專業(yè)化的電能質量監(jiān)測:電能質量實時在線監(jiān)測,測量精度高、測得準,符合IEC61000-4-30標準;
(4)電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)裝置采用整體設計,并可通過上位平臺實現統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制;
(5)高品質電能質量治理:配套電力電子裝置技術過關、質量過硬,具備網絡化、可調控、快速響應的性能;
(6)電能管理務業(yè)務綜合協同:配電監(jiān)控管理與運維、電能分析與電能質量數據共享融通,為高校的電能供給與消費提供控制手段。
5.3方案價值
(1)全面監(jiān)測電能質量,保障供電可靠性
對供電回路的電氣參數進行全面監(jiān)測,確保設備用電符合標準要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時記錄故障發(fā)生時全部數據信息,支持開展故障追蹤與問題定位。
(2)完整電能質量治理
通過集中+就地(終端)整體電能質量治理模式,更大程度滿足無功和諧波治理的要求,提高整個高校供配電系統(tǒng)的電能質量,降低無功及諧波對配電系統(tǒng)、變壓器、輸電線路及整個校園網絡通信造成損害,以至于減少對教學活動的影響。
6.電能質量監(jiān)測與治理產品選型
6.1集中治理
高校建筑中良好的電能質量是保證正常教務教學工作的前提和基礎,可通過電能質量在線監(jiān)測裝置對整個學校的低壓供配電系統(tǒng)(10KV至0.4KV)進行電能質量在線監(jiān)測,其中包含功率因數監(jiān)測、諧波分析和記錄、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測、電壓不平衡度監(jiān)測、事件記錄、測量控制等功能為一體,能夠滿足學校整個供電系統(tǒng)電能質量監(jiān)測的要求。由于高校建筑中一般會涉及到電梯、變頻空調、大型水泵、照明設施及數量較多的計算機、投影儀和音頻等網絡通信設備,上述設備在運行過程中會產生各種諧波和無功需量,為減少諧波對電網側的危害和影響,同時確保無功功率因數達到國標要求值,避免罰款,可采用配電房集中治理的方式.
6.2末端治理
針對末端采用大量LED燈照明設備及調光器等負載的場所,例如圖書館、學術報告多功能廳和體育館等,由于該類照明裝置主要負荷類型為開關電源型,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線進行疊加,導致N線電流過大,對整個配電系統(tǒng)的影響較大,因此需要單獨進行末端治理;另外科研實驗室中大量的敏感設備需要“干凈”的電網環(huán)境才能保障系統(tǒng)設備的正常運行,為了降低非線性負載對其他設備諧波的影響,也需要針對性地進行就地治理。
7.湖北省某高校電能質量治理項目案例
7.1項目背景
以湖北省某重點高校電能質量治理項目為例,根據學校后勤人員反饋,該校主校區(qū)綜合教學樓頻繁出現跳閘現象,另外高校食堂配電房電容柜內電抗器出現燒焦和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、計算機通信設備、LED燈照明和水泵等負載,運行過程中會產生諧波并對整個供配電系統(tǒng)造成影響,現對綜合教學樓和食堂所在的配電房進行測量,并根據相應的電能質量數據給出相應的治理方案。
7.2測量結果
(1)主校區(qū)綜合教學樓配電室諧波測量數據
(2)食堂配電室諧波測量數據
從上述兩組測量數據可以得出綜合教學樓的諧波主要為5次和7次為主,電流畸變率最多為22%,對于5次和7次諧波可通過在配電房集中治理,消除諧波對整個供配電系統(tǒng)、變壓器、無功柜和其它用電設備的影響,從而保證正常的教學工作;食堂配電室諧波較嚴重,3次和5次諧波已超過了國家GB/T14549-1993《電能質量 公用電網諧波》0.38KV系統(tǒng)各次諧波及諧波電流值標準?,F場電容柜串接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,會在N線上進行線性疊加,N線電流約223A,已經超過了相線上的電流值,N線電流過大會造成中性線超溫、絕緣老化,發(fā)生接地故障,從而導致中斷供電甚至發(fā)生電氣火災,可對其進行末端就地治理,防止諧波對N線造成損害,保護線路,同時減少火災的發(fā)生。
7.3治理方案
根據綜合辦公樓和食堂的諧波測量結果,并各自給出相應的電能質量系統(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,現場電抗器的電抗率為7%,應改為14%電抗,可以抑制3次和5次諧波流入電容柜而導致電容損壞,并結合AnSin-G Ⅰ型有源諧波治理系統(tǒng)裝置進行集中諧波治理,消除諧波對配電系統(tǒng)的干擾,保證良好的教學工作;或將無源電容柜更換為AnCos-G Ⅰ型有源無功補償系統(tǒng)裝置進行無功補償,同時在滿足裕量充足的情況下可補償諧波電流。
方案二:就地治理:由于食堂涉及較多LED燈照明設備和通風機,建議在食堂的各樓層配電間或負載末端加裝ANSNP中線安防保護器,治理3N次諧波和三相不平衡導致N線電流過大問題,達到終端治理諧波的目的,避免諧波影響到整個配電系統(tǒng)和其他用電設備,保護N線,減少電氣火災的發(fā)生,保障師生的人身安全。
7.4類似案例
北方民族大學項目、廣東師范大學河源校區(qū)電能質量改造項目、中國藥科大學項目、南京農業(yè)大學白馬教學科研基地增容工程項目
8.結論
隨著現代化教學、電子圖書館等先進教學手段的不斷引入和加深,大量的非線性電力電子設備涌現,在提升高校綜合教學質量的同時,也給整個學校的供配電系統(tǒng)的電能質量帶來了嚴峻的考驗,特別是多功能報告廳和科研實驗室等,負載設備多樣,諧波產生和變化有很大的隨機性和復雜性。通過對高校建筑供配電系統(tǒng)的電能質量進行研究,并結合系統(tǒng)平臺提出合理的整體解決方案,對改善高校的供電質量,提高電網的安全和經濟運行以及降低能耗,保障教學設備的性能,提高教學質量,保障師生安全均有重要意義。
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