張培

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨著現代化教學、電子圖書館等現代化教學手段的引進，智能給排水系統、變頻空調、電梯傳送系統等輔助設施、電子鎮流照明系統等各種非線性電力電子裝置紛紛涌現，許多高校和研究機構在進行研究時，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，并對配電系統的電能質量造成極大的影響和危害。通過對電網的諧波進行治理，可以有效地改善電網的運行穩定性。提高教學設施和電氣設備的使用壽命，降低故障發生率，降低配電系統的安全風險，節省能源。

關鍵詞：高校供配電系統；電能質量；諧波危害及治理；無功補償；系統解決方案

0.引言

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

1.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的地方，圖書館和學術報告廳包括了大量的舞臺燈光、舞臺音響、舞臺升降設備、 LED顯示、電子信息、 LED熒光燈、調光器、熒光燈等。這些非線性負載的大量應用會造成電網的污染，同時也會引起電網的不穩定，給電網造成一定的傷害。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光器，每一調光器本質上都是一個單相 AC調壓器，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是某些專業的電子信息裝置，特別是電氣、通信系統，會產生大量的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.高校供配電系統諧波源及其特點

學校供、配電網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、水泵、照明設備、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、水泵、照明設備、計算機通訊設備等。微機的開關電源和 UPS都是諧波源，它會產生大量的次諧波，如3,5,7,9等。學校里的空調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的穩定有很大的影響。同時，在校園里，大多數的燈具都是熒光燈，它會產生很高的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”的電力網絡環境，許多敏感設備都必須保持良好的工作狀態。比如工程物理系的加速器實驗室、生物醫學系的核磁共振譜儀實驗室、材料系的燒結室，這些實驗室都是高科技儀器、測量儀器、開關電源、逆變器、 UPS/EPS。如嵌入式、實驗室等具有較高的開關電源負荷的場合，因其負荷特性，會出現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、風機、 LED燈數量多等。變頻調速系統的負荷自身的功率因數較高，有時無功為電容，其諧波頻率多為6 N 1；LED發光負荷中的3 N次次諧波（零序）占主導地位，對 N線路產生一定的影響。3次諧波為零序諧波，中性線產生諧波，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

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

3.1電力系統的作用

如果將諧波輸入到大學校園，將會引起電網的波動，從而導致電力系統的損失，從而導致設備的發熱，從而降低設備的壽命。另外， n次諧波還會引起并聯電容（容抗）和系統（感抗）的并聯共振，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，不但會導致系統的電源品質下降，而且會造成變壓器和系統的損失，而且還會對系統的功率因數產生一定的影響，從而使變壓器的壽命大大縮短。如果變壓器一次側線圈是三角形的，那么，由于高校圖書館和學術會議大廳中使用了 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的封閉環路中循環，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

電網的諧波對并聯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局部放電無法熄滅的現象。此外，并聯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在網絡教學中的作用

諧波對大學教學網通訊系統的影響主要有三個方面：電網的諧波電壓、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。電網不均衡的諧波電流會對校園網的通訊造成一定的影響，嚴重的話會造成網絡的噪音干擾，嚴重的話會造成網絡的整體信息和資料的丟失，從而造成網絡的癱瘓。在多個中性點的地網中，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，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備和工作人員的生命。

4.高校電能質量主要特征

(1)教育一直是全國的重要組成部分，全國各地的大學建設仍然是重中之重。

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

5.高校電能質量監測與治理系統解決方案

5.1解決方案

在大學中，照明、電梯、空調是主要的電力負載，這些負載較輕的電力品質較好，因而經常會出現較大的諧波。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備，這些器件會引起諧波，導致電能質量不佳。由于電網存在著一定的諧波污染，因此，學校電網的電能質量問題將會造成其它電器設備的損壞，影響教學工作的正常進行。

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

5.2方案特點

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

(2)利用全控制技術，提高學校電力系統的供電品質；

(3)電力品質的專業化監控：電力品質的實時在線監控，精度高，測量精度高，滿足IEC61000-4-30要求；

(4)電力品質監控及治理系統的設備采用一體化的設計，可以通過上層的平臺進行統一的管理和閉環的控制；

(5)高質量的電能質量管理：所配套的電力電子器件技術過關，質量過硬，具有網絡化、可調節、快速響應等特點；

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

5.3方案價值

(1)對電力品質進行綜合監控，確保電力供應的可靠性

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

(2)全面的電力品質管理

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

6.安科瑞電能質量監測與治理產品選型

6.1集中治理

利用電能質量在線監測設備，對全校低壓供、0.4 KV的電力質量進行實時監測，包括：電力因數監測、諧波分析與記錄、波形采樣、電壓暫降/中斷、閃變監測、電壓不平衡監測、事件記錄和測量控制等功能，可以實現對全校電力系統的電能質量監測。為了降低諧波對電網的危害和影響，為了保證無功功率因數符合國家標準，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燈具和調光設備的地方，如圖書館、學術報告多功能廳、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”的電力網絡環境，研究實驗室中的許多敏感設備都需要有針對性地進行現場治理，以減少非線性負荷對其它設備的諧波造成的影響。7.湖北省某高校電能質量治理項目案例

7.1項目背景

以湖北省重點大學電力質量治理工程為例，根據后勤部門的反映，主校區綜合教學樓經常跳閘，而且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燈照明和水泵等負荷，運行過程中會產生諧波，對整體供電系統造成一定的影響。

7.2測量結果

（1）主校區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

由以上兩組測試結果可知，綜合教學樓內的諧波頻率以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、變壓器、無功柜及其他電力設施的諧波，確保教學工作的正常進行；《電能質量公用電網諧波》中的0.38 KV系統中的諧波電流、諧波電流的標準是：3次、5次諧波?，F場電容器串聯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設備相結合，有效地解決了電網的諧波問題，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及其它用電設備造成的諧波產生，從而保護 N線路，降低電氣火災，保證學生和學生的生命。

8.結論

隨著現代化教學、電子圖書館等先進教學方法的引進和深化，出現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、供電等供電設施的使用提出了新的挑戰，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。本文從電力系統的角度，分析了電力系統的特點，提出了一種基于電力系統的綜合解決方案。

作者介紹：

張培，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司