某低压配电系统的谐波治理方案

深港西部通道联检大楼低压配电系统的谐波治理方案深圳市建筑设计研究总院第三设计院赵荣军13380362004[摘要]：低压配电系统的谐波治理,需要根据负荷性质，进行合理分析，找出谐波类别，才可进行科学选型。【关键词】:谐波危害；谐波源；谐波治理标准；谐波治理技术。前言随着社会生产力的发展，科学技术的进步，越来越多的非线性用电设备在低压用户端使用，这就给低压供电网带来了大量的谐波污染。针对这一情况，国家在IEC和我国GB/T14549标准的基础上，准备出台强制性规范，限制电网中的谐波含量，这要求我们在工程项目的设计和实施工作中对这一问题要有一定的认识与准备。配电系统中谐波的存在会带来多方面的危害：对于变压器，谐波电流可导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压会增加铁损，导致变压器在运行中自身功率损耗增加而造成用电浪费；对于功率因数补偿电容，谐波会产生振荡放大，造成电容器过载、损坏，影响补偿功能的正常发挥，从而导致运行功率因数降低，无功损耗增加，产生大量的用电浪费，增加电费支出；对电力电缆，谐波电流会产生集肤效应和邻近效应，增加输电损耗，导致电缆温升，从而加速电缆的老化，埋下事故隐患；对电动机，谐波电流可引起铁损与铜损的增加，引起额外温升，并可导致机械振动，加剧设备的损耗等；对于照明设备，由于谐波影响而引起的电压畸变会造成灯具瞬间过电压或欠电压，因而导致照度变化，并导致灯具在短时间内损坏而造成浪费；谐波干扰还会导致采用电子式保护的框架断路器（ACB）由于检测到谐波电流而产生不易查明原因的保护脱扣。由此可见，谐波的防治对提高设备的利用率，降低运行成本和保证运行平稳有很大的帮助。深港西部通道是国家的重点建设项目，其重要性不言而喻。西部通道配电系统运行的安全、平稳与否，不但体现了配电系统自身水平的高低，而且具有重要的政治意义甚至外交意义。如此重要的集群式建筑，作为其能源保障的配电系统，同样应该具有国际领先的设计和应用水平。节约能耗、运行稳定，安全、经济、平稳，成为体现深港西部通道配电系统水平的一个重要方面。由于西部通道的功能性质，决定了其配电系统中存在大量的非线性负荷，例如：检验检测仪器、调光设备、景观照明灯具，个人电脑、办公自动化设备，空调系统、通风系统，自动监测的安防系统、变频调速电梯、UPS/EPS供电系统等。这些设备和系统在保证西部通道联检大楼各项功能的正常运行的同时，产生大量的谐波分量回馈到配电系统中，严重影响了配电系统的电能质量，造成功率因数降低，无功损耗增加，电费开支上升；同时，谐波干扰还影响到配电系统的正常、平稳运行，造成进线开关无故跳闸、电子设备故障等。解决谐波问题，是保证配电系统安全、经济、平稳运行的关键。谐波影响在配电系统中主要表现在以下几个方面：增加无功损耗，降低功率因数，增加变压器的损耗，降低其利用效率；零序谐波电流汇集到零线，造成零排过载发热，严重时烧断零线，造成事故；谐波干扰导致采用电子保护技术的框架断路器在工频电流正常的情况下脱扣，影响系统正常运行；负序谐波电流在感应电动机上产生逆力矩，造成电动机的长期机械疲劳而过早损坏；谐波集肤效应导致变压器、电缆、电动机线圈发热老化，影响其使用寿命；谐波的高频辐射效应对电子通讯设备系统产生干扰，影响其信号系统的稳定性，造成瞬间信号紊乱、控制失灵，系统无故停机并瞬间再启动或无法启动；在有低压补偿的系统中，谐波在变压器感抗与电容器容抗的LC回路中产生并联谐振，造成谐波电流被数十倍地放大，烧毁控制系统设备，主要是控制设备的电源部分。随着变频调速和软启动装置的应用越来越广泛，设计人员对其负面影响也有了越来越多的认识，在设计工作中采用了一些办法来避免谐波的危害，例如放大变压器容量，设计母排系统时使零排截面与相排截面相等甚至大于相排截面。但这种做法实际上是采用大容量系统掩盖问题的无可奈何的解决办法，并没有从根本上解决问题，而且变压器容量放大后，带来一系列诸如提高短路容量，增加电缆截面等关联效应，不但在变压器投资上造成浪费，而且在开关选型、电缆选择甚至开关柜动、热稳定性等方面都提高了要求，增加了投资，但谐波的影响依然存在。要解决谐波的危害，必须从源头入手，在0.4kV系统针对谐波的产生和其特性，有针对性地治理。第一部分，关于配电系统谐波一、配电系统谐波配电系统的谐波，狭义上是指在工频50Hz基波上叠加的杂波。采用傅立叶分析的方法，这些杂波可以分解为其频率为50Hz倍数的正弦波，其频率相对于工频基波（50Hz）的倍数，称为该谐波的次数，例如，100Hz的波形为2次谐波，350Hz的波形为7次谐波。对配电系统，尤其是对低压配电系统产生不良影响的谐波主要是奇数次谐波。配电系统存在谐波影响是一个由来已久的问题。传统上的谐波影响主要是由于电力变压器的铁磁特性产生的3次谐波，这一部分3次谐波相对于50Hz工频基波的比率比较小，所以在过去的配电系统中基本不考虑其影响。随着电气和电力电子技术的发展，配电系统的谐波也由传统的仅有少量3次谐波的情况变化为多次谐波并存，并且影响甚至危害到配电系统的安全、正常运行。主要表现为以下两个方面：1、整流技术、电力电子技术的广泛应用，导致配电系统中产生大量谐波，这些谐波的存在，降低了用电设备的使用效率，增加了用电负荷，浪费了电能；严重的，由于设备长期处于过负荷运行的状态，甚至引发运行安全问题。采用这些技术的设备例如：调光设备（用于会议中心、剧场、体育场馆等），计算机设备（计算中心、个人电脑），办公自动化设备（如复印机、传真机等），不间断电源（UPS），保证恒压供水和自动集中空调系统运行的变频调速器，采用新型变频技术（VVVF）控制的电梯，新型照明灯具（节能灯、采用电子镇流器的日光灯），其他采用电子整流技术的设备…2、为提高配电系统的功率因数，在所有的配电柜中都安装有无功补偿电容器。这些电容器的投入运行，在有谐波存在的系统中，会放大谐波电流和谐波电压，进一步加剧了谐波的影响。二、谐波对配电系统的污染谐波对配电系统的影响，在很多方面与污水对水源的影响很相似，是对环境的一种污染。谐波对配电系统产生影响，有些是表面的、直观的、短暂的，但更多的影响是潜在的、间接的、累积的。后者所产生的影响，是一种不易察觉的危害，往往成为配电系统安全运行的重大隐患。谐波污染及其影响和危害，主要表现在以下几个方面：1、电源波形畸变，导致电能质量降低；2、谐波造成的损失：⑴由于谐波是以发热的形式被用电设备消耗掉，所以，谐波会造成配电系统的功率因数降低，增加无功电能的损耗。⑵谐波发热和产生的力矩造成用电设备的寿命缩短、旋转设备（如电动机）迅速机械疲劳而损坏，增加设备维护和修理的人力、物力投入。⑶增加用电单位的电费支出；3、谐波的危害：⑴建筑用电中，如前所述，存在大量的开关电源类单相负荷，如个人电脑、照明灯具、办公自动化设备以及仪器仪表等设备，这些负荷所产生谐波的特性表现为典型的三次谐波，并汇聚到零线上，因而造成零线过负荷而发热严重，甚至烧断，使得接入配电系统中的单相用电设备瞬间过电压而烧毁，并使得设备外壳带电，产生安全隐患。⑵谐波经电源引入电子设备，造成精密电子设备失效，如信号漂移或采样错误、芯片电压升高烧毁。⑶谐波产生的无线电干扰，还会影响到通讯的正常运行。4、配电系统存在谐波污染的主要表现：⑴变压器异常，主要表现在：运行温度高、噪声大、有振动；⑵电容器发热严重，需要频繁更换；⑶保护电容器的熔断器烧断（非正常熔断）；⑷零排发热、烧断；⑸运行设备的估算电流远小于从工频电流表上读出的电流值。三、国际标准和国家标准在国家标准《GB/T14549-93，电能质量公用电网谐波》中，规定了配电系统中允许存在的谐波污染水平。GB/T14549-93，第4条，谐波电压限值公用电网谐波电压（相电压）限值（表1）电网标称电压kV电压总谐波畸变率%各次谐波电压含有率，%奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8GB/T14549-93，第5条，谐波电流允许值注入公共连接点的谐波电流允许值（表2）标准电压kV基准短路容量MVA谐波次数及谐波电流允许值，A23456789101112131415161718192021222324250.381078623962264419211628132411129.7188.6167.88.97.1146.512610043342134142411118.5167.1136.16.85.3104.79.04.34.93.97.43.66.810100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13.26.02.85.42.62.92.34.52.14.13525015127.7125.18.83.84.13.15.62.64.72.22.51.93.61.73.21.51.81.42.71.32.56650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.02.32.62.03.81.83.41.61.91.52.81.42.6110750129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.71.71.91.52.81.32.51.21.41.12.11.01.9国际标准，IEC61000-2-4(2002-06)：电磁兼容性第2-4部分，工业现场低频传导扰动的兼容级别（Electromagneticcompatibility(EMC)-Part2-4:Environment-Compatibilitylevelsinindustrialplantsforlow-frequencyconducteddisturbances）；IEC61000-4-7(2002-06)：第4-7部分，试验和测量技术-用于供电系统和连接于其上的设备谐波和间谐波测量及仪器的一般性指导（Electromagneticcompatibility(EMC)-Part4-7:Testingandmeasurementtechniques-Generalguideonharmonicsandinterharmonicsmeasurementsandinstrumentation,forpowersupplysystemsandequipmentconnectedthereto）。以上标准，给出了配电系统中谐波水平的建议值和测量方法的指导。国际标准，IEC61642(1997-09)：工业交流配电网络的谐波影响-滤波器和励磁性电容器的应用（Industriala.c.networksaffectedbyharmonics-Applicationoffiltersandshuntcapacitors）中，给出了谐波治理方案和设备的建议。谐波污染的治理，主要采取三种方式：1、无源滤波器。在谐波情况比较简单的配电系统中，结合功率因数补偿，选用高性能的滤波电容器串联高线性度的滤波电抗器，组合成滤波补偿系统，在吸收系统中主要的谐波分量的同时，补偿无功功率。其主要技术指标为：滤波电容器过电流能力I≥2.0×In（额定电流），滤波电抗器线性度≥1.75×In，电抗系数为5.5%（3次谐波分量很小或不存在）或12.5%（3次谐波分量比例较大或为主要谐波分量）。2、组合滤波器。针对谐波情况复杂、各次谐波均有显现的配电系统，采用组合系数的无源滤波器。在补偿功率因数的同时，抑制三次谐波，吸收五次谐波，降低谐波水平。其主要技术指标为：滤波电容器过电流能力I≥2.0×In（额定电流），滤波电抗器线性度≥1.75×In，电抗系数为5.5%+12.5%。3、有源滤波器。在重要负荷处，根据用电设备对谐波污染的敏感程度，为达到最佳的滤波效果，配置动态有源滤波器，充分消除谐波。第二部分，谐波治理技术目前国际上通用的谐波治理技术主要包括主动的消除式滤波（ActiveHarmonicsFiltering）和被动的吸收式滤波（PassiveHarmonicsFiltering）。主动式滤波即有源滤波器，是采用IGBT技术作为