高校電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：安全科學(xué)用電是保障高校教學(xué)科研及辦公的基礎條件，隨著(zhù)現代化教學(xué)、電子圖書(shū)館等先進(jìn)教學(xué)手段的不斷引入，智能給排水、變頻空調、電梯傳送系統等配套設施以及電子鎮流的照明燈具設備等大量非線(xiàn)性電力電子設備涌現，很多高等院校和科研院校的實(shí)驗室做科研項目時(shí)，會(huì )應用到很多高新儀器、儀器，導致整個(gè)高校的供配電系統出現諧波污染、無(wú)功功率、三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題，并對配電系統的電能質(zhì)量產(chǎn)生巨大的影響和危害。通過(guò)對諧波進(jìn)行治理，可有效提高配電系統運行的穩定性。延長(cháng)教學(xué)配套設備及電力設備的使用壽命，降低故障率，減少配電系統安全隱患，節約能源。

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

引言

學(xué)校的智能化辦公大樓、教學(xué)樓的空調和照明設施、高校工程中心變頻器設備、高校圖書(shū)館及學(xué)術(shù)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(shí)驗室的儀器測量實(shí)驗設備等，都會(huì )給系統帶來(lái)嚴重的諧波污染，學(xué)校配電系統的電能質(zhì)量問(wèn)題很可能導致設備損壞、影響正常教學(xué)進(jìn)度等不良影響，所以對學(xué)校行業(yè)的電能質(zhì)量治理顯得尤為重要。

1.圖書(shū)館及學(xué)術(shù)報告多功能廳

圖書(shū)館及學(xué)術(shù)報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(xiàn)性負荷大量使用帶來(lái)嚴重的電力污染，諧波帶來(lái)電力系統的不穩定，對電氣設備產(chǎn)生危害。普通照明大量采用LED燈具，導致照明配電干線(xiàn)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N線(xiàn)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(gè)調光器實(shí)質(zhì)是一個(gè)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(guò)導線(xiàn)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(zhuān)業(yè)電子信息設備，尤其是電聲學(xué)系統、通信系統會(huì )產(chǎn)生大量3、5、7次諧波。多功能廳舞臺升降設備產(chǎn)生大量的3、5、7次諧波電流，是主要的諧波源。

2.高校供配電系統諧波源及其特點(diǎn)

高校供配電系統中的諧波源主要來(lái)自四個(gè)場(chǎng)所：綜合教學(xué)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(shū)館及學(xué)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(chǎng)所及實(shí)驗室（涉及高新儀器、儀器測量設備、開(kāi)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、風(fēng)機通風(fēng)設備和數量較多的LED熒光燈等），具有頻譜寬、畸變率高、種類(lèi)雜和數量多等特點(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(xué)校均使用多媒體教學(xué)，計算機的數量很多，此外服務(wù)器等數據存儲系統配有UPS等備用電源。個(gè)人電腦的開(kāi)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)校安裝的空調基本都是變頻空調，電梯也是采用變頻驅動(dòng)的三相負載，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)校供配電系統的穩定性；同時(shí)學(xué)校中照明設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)驗室

實(shí)驗室作為重要的教學(xué)科研場(chǎng)所，由于高校的教學(xué)和科研要求，大量的敏感設備需要“干凈"的電網(wǎng)環(huán)境以保障系統的正常運行。例如很多理工科高校的實(shí)驗室包括自動(dòng)化系的嵌入式系統實(shí)驗室、工程物理系的加速器實(shí)驗室、生物醫學(xué)系的核磁共振譜儀實(shí)驗室、材料系的燒結實(shí)驗室，一般皆會(huì )涉及高新儀器、儀器測量設備、開(kāi)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(lèi)似嵌入式系統實(shí)驗室等存在大量開(kāi)關(guān)電源負載的場(chǎng)所由于其負載的特點(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次諧波電流對中性線(xiàn)的影響。

2.3體育館及校史館

體育館及校史館作為學(xué)校的運動(dòng)娛樂(lè )和觀(guān)光場(chǎng)所，這類(lèi)場(chǎng)所涉及負載種類(lèi)較少，一般為變頻空調、風(fēng)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(shí)無(wú)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(huì )對N線(xiàn)造成影響。3 次諧波是零序諧波，導致諧波電流在中性線(xiàn)疊加，中性線(xiàn)上的電流是相線(xiàn)電流的2倍以上，鑒于進(jìn)線(xiàn)斷路器為三極斷路器，不檢測中性線(xiàn)電流，即使中性線(xiàn)電流超過(guò)導體允許載流量，斷路器也不會(huì )動(dòng)作，這可能造成中性線(xiàn)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(xué)校師生的安全。

3.諧波危害

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

3.1對電網(wǎng)的影響

高校中非線(xiàn)性負載設備產(chǎn)生的諧波若流入電網(wǎng)，會(huì )造成電網(wǎng)的波動(dòng)，增加電力系統損耗，使設備發(fā)熱，影響設備使用壽命。此外n次諧波會(huì )使并聯(lián)的無(wú)功補償電容器（容抗）與系統（感抗）之間發(fā)生并聯(lián)諧振，造成電容器組的過(guò)電壓和過(guò)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(huì )降低系統供電質(zhì)量，增加變壓器及系統損耗，還會(huì )影響系統功率因數，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(lián)結，由于高校圖書(shū)館及學(xué)術(shù)報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 )在變壓器一次側所形成的一個(gè)閉合回路內流通，進(jìn)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(wǎng)諧波對無(wú)功補償并聯(lián)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(guò)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(gè)主要原因。另外，無(wú)功補償并聯(lián)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(shí)可達20倍以上。

3.4對教學(xué)網(wǎng)絡(luò )通信系統的影響

諧波對高校教學(xué)網(wǎng)絡(luò )通信系統干擾的大小由三個(gè)因素綜合決定：電力線(xiàn)路諧波電壓和諧波電流大小，電力線(xiàn)路和通信線(xiàn)路之間的耦合強度，通信線(xiàn)路對諧波干擾的敏感程度。電網(wǎng)中不平衡諧波電流對校園網(wǎng)通信系統，輕則產(chǎn)生噪聲干擾，降低通信質(zhì)量，重則導致整個(gè)教學(xué)信息和數據丟失，使系統癱瘓而無(wú)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(guò)中性點(diǎn)流入大地，將嚴重干擾附近通信系統。通常音頻通道的頻率為200~3500Hz，而很多諧波也在這個(gè)范圍，易對臨近的電話(huà)線(xiàn)路產(chǎn)生靜電感應和電磁感應，輕則引起可以察覺(jué)的雜音甚至觸發(fā)電話(huà)響鈴，重則危及設備和操作人員安全。

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，各地高校建設依然是國家關(guān)注的重點(diǎn)。

（2）高?？蒲袑?shí)驗室和圖書(shū)館及學(xué)術(shù)報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(xiàn)性負載設備嚴重影響了整個(gè)供配電系統的電能質(zhì)量，因此需要針對性的進(jìn)行電能質(zhì)量治理。

5.高校電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案

5.1解決方案

高校用電負荷主要是照明、電梯、空調，這類(lèi)負荷較輕電能質(zhì)量比較好，往往產(chǎn)生大的諧波較少。但是在高校的實(shí)驗樓有很多特殊的實(shí)驗設備，含有一些非線(xiàn)性設備，會(huì )產(chǎn)生諧波，電能質(zhì)量較差。會(huì )給電力系統帶來(lái)嚴重的諧波污染，學(xué)校配電系統的電能質(zhì)量問(wèn)題很可能導致其他用電設備損壞、影響正常教學(xué)進(jìn)度等不良影響，所以對學(xué)校行業(yè)的電能質(zhì)量治理顯得尤為重要。

安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案可滿(mǎn)足電力監控管理、運維與電能質(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、服務(wù)等不同方面來(lái)滿(mǎn)足高校的需要，為高校的整體運作創(chuàng )造價(jià)值。

5.2方案特點(diǎn)

（1）高校電能質(zhì)量監測與治理系統除作為本地終端為高校后勤運維人員提供電能質(zhì)量監測、治理與設備運維等功能外，亦可通過(guò)接入AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理系統平臺，為高校提供遠程在線(xiàn)服務(wù)和運維管理；

（2）采用全控型技術(shù)實(shí)現高校用電的電能質(zhì)量；

（3）專(zhuān)業(yè)化的電能質(zhì)量監測：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；

（4）電能質(zhì)量監測與治理系統裝置采用整體設計，并可通過(guò)上位平臺實(shí)現統一管理和閉環(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(guò)關(guān)、質(zhì)量過(guò)硬，具備網(wǎng)絡(luò )化、可調控、快速響應的性能；

（6）電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同：配電監控管理與運維、電能分析與電能質(zhì)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(jià)值

（1）全面監測電能質(zhì)量，保障供電可靠性

對供電回路的電氣參數進(jìn)行全面監測，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(shí)記錄故障發(fā)生時(shí)全部數據信息，支持開(kāi)展故障追蹤與問(wèn)題定位。

（2）完整電能質(zhì)量治理

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

6.安科瑞電能質(zhì)量監測與治理產(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，可通過(guò)電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置對整個(gè)學(xué)校的低壓供配電系統（10KV至0.4KV）進(jìn)行電能質(zhì)量在線(xiàn)監測，其中包含功率因數監測、諧波分析和記錄、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測、電壓不平衡度監測、事件記錄、測量控制等功能為一體，能夠滿(mǎn)足學(xué)校整個(gè)供電系統電能質(zhì)量監測的要求。由于高校建筑中一般會(huì )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(wǎng)絡(luò )通信設備，上述設備在運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生各種諧波和無(wú)功需量，為減少諧波對電網(wǎng)側的危害和影響，同時(shí)確保無(wú)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，其集中治理的產(chǎn)品選型見(jiàn)表1。

表1電能質(zhì)量監測及集中治理產(chǎn)品選型表

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(chǎng)所，例如圖書(shū)館、學(xué)術(shù)報告多功能廳和體育館等，由于該類(lèi)照明裝置主要負荷類(lèi)型為開(kāi)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(xiàn)進(jìn)行疊加，導致N線(xiàn)電流過(guò)大，對整個(gè)配電系統的影響較大，因此需要單獨進(jìn)行末端治理；另外科研實(shí)驗室中大量的敏感設備需要“干凈"的電網(wǎng)環(huán)境才能保障系統設備的正常運行，為了降低非線(xiàn)性負載對其他設備諧波的影響，也需要針對性地進(jìn)行就地治理。其末端治理的產(chǎn)品選型見(jiàn)表2。

表3末端治理產(chǎn)品選型表

7.湖北省某高校電能質(zhì)量治理項目案例

7.1項目背景

以湖北省某重點(diǎn)高校電能質(zhì)量治理項目為例，根據學(xué)校后勤人員反饋，該校主校區綜合教學(xué)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(xiàn)線(xiàn)纜過(guò)熱的情況，由于綜合教學(xué)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(guò)程中會(huì )產(chǎn)生諧波并對整個(gè)供配電系統造成影響，現對綜合教學(xué)樓和食堂所在的配電房進(jìn)行測量，并根據相應的電能質(zhì)量數據給出相應的治理方案。

7.2測量結果

   （1）主校區綜合教學(xué)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(xué)樓的諧波主要為5次和7次為主，電流畸變率最多為22%，對于5次和7次諧波可通過(guò)在配電房集中治理，消除諧波對整個(gè)供配電系統、變壓器、無(wú)功柜和其它用電設備的影響，從而保證正常的教學(xué)工作；食堂配電室諧波較嚴重，3次和5次諧波已超過(guò)了國家GB/T14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》0.38KV系統各次諧波及諧波電流值標準?，F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，使電容器的運行電流變大，溫升變高，引起過(guò)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(xiàn)上進(jìn)行線(xiàn)性疊加，N線(xiàn)電流約223A，已經(jīng)超過(guò)了相線(xiàn)上的電流值，N線(xiàn)電流過(guò)大會(huì )造成中性線(xiàn)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(jìn)行末端就地治理，防止諧波對N線(xiàn)造成損害，保護線(xiàn)路，同時(shí)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(zhì)量系統治理解決方案，具體方案如下：

方案一：集中治理：建議配電房無(wú)功柜改造，現場(chǎng)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裝置進(jìn)行集中諧波治理，消除諧波對配電系統的干擾，保證良好的教學(xué)工作；或將無(wú)源電容柜更換為AnCos-G Ⅰ型有源無(wú)功補償系統裝置進(jìn)行無(wú)功補償，同時(shí)在滿(mǎn)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(fēng)機，建議在食堂的各樓層配電間或負載末端加裝ANSNP中線(xiàn)安防保護器，治理3N次諧波和三相不平衡導致N線(xiàn)電流過(guò)大問(wèn)題，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個(gè)配電系統和其他用電設備，保護N線(xiàn)，減少電氣火災的發(fā)生，保障師生的人身安全。

7.4類(lèi)似案例

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

8.結論

隨著(zhù)現代化教學(xué)、電子圖書(shū)館等先進(jìn)教學(xué)手段的不斷引入和加深，大量的非線(xiàn)性電力電子設備涌現，在提升高校綜合教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，也給整個(gè)學(xué)校的供配電系統的電能質(zhì)量帶來(lái)了嚴峻的考驗，特別是多功能報告廳和科研實(shí)驗室等，負載設備多樣，諧波產(chǎn)生和變化有很大的隨機性和復雜性。通過(guò)對高校建筑供配電系統的電能質(zhì)量進(jìn)行研究，并結合系統平臺提出合理的整體解決方案，對改善高校的供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行以及降低能耗，保障教學(xué)設備的性能，提高教學(xué)質(zhì)量，保障師生安全均有重要意義。