諧波對于大學高校供配電系統(tǒng)有何危害

安科瑞張浩彬

技術支持：任心怡

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(xiàn)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(diào)、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(xiàn)，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(xiàn)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(chǎn)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(diào)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(diào)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(chǎn)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(chǎn)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(diào)光器引起，每個調(diào)光器實質是一個單相交流調(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(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(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(diào)、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(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(diào)、風機通風設備和數(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(diào)、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(shù)量很多，此外服務器等數(shù)據(jù)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(chǎn)生大量的3、5、7、9等（2n±1)次諧波；學校安裝的空調(diào)基本都是變頻空調(diào)，電梯也是采用變頻驅動的三相負載，會產(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)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(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(diào)、風機和數(shù)量較多LED照明設備等。變頻器負載本身功率因數(shù)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(xiàn)，對整個供電電網(wǎng)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(chǎn)生的諧波的危害主要體現(xiàn)在如下方面：

3.1對電網(wǎng)的影響

高校中非線性負載設備產(chǎn)生的諧波若流入電網(wǎng)，會造成電網(wǎng)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(lián)的無功補償電容器（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(shù)，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，由于高校圖書館及學術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次諧波電流會在變壓器一次側所形成的一個閉合回路內(nèi)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(wǎng)諧波對無功補償并聯(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(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，諧振時可達20倍以上。

3.4對教學網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的影響

諧波對高校教學網(wǎng)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(wǎng)中不平衡諧波電流對校園網(wǎng)通信系統(tǒng)，輕則產(chǎn)生噪聲干擾，降低通信質量，重則導致整個教學信息和數(shù)據(jù)丟失，使系統(tǒng)癱瘓而無法正常工作。在多個中性點接地電網(wǎng)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(chǎn)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(diào)，這類負荷較輕電能質量比較好，往往產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)絡化、可調(diào)控、快速響應的性能；

（6）電能管理務業(yè)務綜合協(xié)同：配電監(jiān)控管理與運維、電能分析與電能質量數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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(wǎng)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(chǎn)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(shù)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(diào)、大型水泵、照明設施及數(shù)量較多的計算機、投影儀和音頻等網(wǎng)絡通信設備，上述設備在運行過程中會產(chǎn)生各種諧波和無功需量，為減少諧波對電網(wǎng)側的危害和影響，同時確保無功功率因數(shù)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(diào)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(wǎng)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(jù)學校后勤人員反饋，該校主校區(qū)綜合教學樓頻繁出現(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，由于綜合教學樓和食堂分別涉及變頻空調(diào)、計算機通信設備、LED燈照明和水泵等負載，運行過程中會產(chǎn)生諧波并對整個供配電系統(tǒng)造成影響，現(xiàn)對綜合教學樓和食堂所在的配電房進行測量，并根據(jù)相應的電能質量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)

（2）食堂配電室諧波測量數(shù)據(jù)

從上述兩組測量數(shù)據(jù)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(wǎng)諧波》0.38KV系統(tǒng)各次諧波及諧波電流值標準。現(xiàn)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(jīng)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(jù)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(xiàn)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****科大學項目、南京農(nóng)業(yè)大學白馬教學科研基地增容工程項目

8.結論

隨著現(xiàn)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(xiàn)，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(chǎn)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(wǎng)的安全和經(jīng)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。