高校电能质量监测与治理系统解决方案

安科瑞 鲍静君　　摘要：安全科学用电是保障高校教学科研及办公的基础条件，随着现代化教学、电子图书馆等先进教学手段的不断引入，智能给排水、变频空调、电梯传送系统等配套设施以及电子镇流的照明灯具设备等大量非线性电力电子设备涌现，很多高等院校和科研院校的实验室做科研项目时，会应用到很多高新仪器、仪器，导致整个高校的供配电系统出现谐波污染、无功功率、三相不平衡等电能质量问题，并对配电系统的电能质量产生巨大的影响和危害。通过对谐波进行治理，可有效提高配电系统运行的稳定性。延长教学配套设备及电力设备的使用寿命，降低故障率，减少配电系统安全隐患，节约能源。
　　关键词：高校供配电系统；电能质量；谐波危害及治理；无功补偿；系统解决方案
　　0.引言
　　学校的智能化办公大楼、教学楼的空调和照明设施、高校工程中心变频器设备、高校图书馆及学术报告厅大量使用各种舞台灯光、音响和升降设备以及电子信息用电设备和LED灯具，另外包含高校实验室的仪器测量实验设备等，都会给系统带来严重的谐波污染，学校配电系统的电能质量问题很可能导致设备损坏、影响正常教学进度等不良影响，所以对学校行业的电能质量治理显得尤为重要。
　　1.图书馆及学术报告多功能厅
　　图书馆及学术报告多功能厅作为重要的科研、学术会议和文化交流场所，涉及大量各种舞台灯光、舞台音响、舞台升降设备以及LED显示屏电子信息用电设备和调光器、LED荧光灯等，设备运行所要求的高安全性和准确性对电能的使用提出更高的要求。这些非线性负荷大量使用带来严重的电力污染，谐波带来电力系统的不稳定，对电气设备产生危害。普通照明大量采用LED灯具，导致照明配电干线电流波形有畸变，产生的谐波电流主要为3N次谐波为主，对N线的影响较大。多功能厅舞台灯光谐波主要是由晶闸管调光器引起，每个调光器实质是一个单相交流调压器，调光器输出电压波形除含有50Hz的基波成分外，还含频率为基波分量整数倍的高次谐波。这些高次谐波通过导线传导到其他负载，引起电源电压波形畸变，且以3、5、7次谐波为主。多功能厅舞台音响是一些专业电子信息设备，尤其是电声学系统、通信系统会产生大量3、5、7次谐波。多功能厅舞台升降设备产生大量的3、5、7次谐波电流，是主要的谐波源。
　　2.高校供配电系统谐波源及其特点
　　高校供配电系统中的谐波源主要来自四个场所：综合教学办公楼（涉及电梯、变频空调、水泵、照明设施、计算机通信设备等）、图书馆及学术报告多功能厅（涉及大量各种舞台灯光、舞台音响、舞台升降设备以及LED显示屏电子信息用电设备和调光器、LED荧光灯等）、科研场所及实验室（涉及高新仪器、仪器测量设备、开关电源、整流/逆变器、UPS/EPS等谐波源)和体育馆及校史馆（涉及变频空调、风机通风设备和数量较多的LED荧光灯等），具有频谱宽、畸变率高、种类杂和数量多等特点。
　　2.1综合教学办公楼
　　高校中教学办公楼常用到的负载设备有电梯、变频空调、水泵、照明设施、计算机通信设备等，目前学校均使用多媒体教学，计算机的数量很多，此外服务器等数据存储系统配有UPS等备用电源。个人电脑的开关电源及UPS均为谐波源，会产生大量的3、5、7、9等（2n±1)次谐波；学校安装的空调基本都是变频空调，电梯也是采用变频驱动的三相负载，会产生大量的3、5、7、9等（2n±1)次谐波，影响到整个学校供配电系统的稳定性；同时学校中照明设备大部分使用的是荧光灯，荧光灯会产生较高的3次谐波。
　　2.2科研场所及实验室
　　实验室作为重要的教学科研场所，由于高校的教学和科研要求，大量的敏感设备需要“干净"的电网环境以保障系统的正常运行。例如很多理工科高校的实验室包括自动化系的嵌入式系统实验室、工程物理系的加速器实验室、生物医学系的核磁共振谱仪实验室、材料系的烧结实验室，一般皆会涉及高新仪器、仪器测量设备、开关电源、整流/逆变器、UPS/EPS等，同时也是作为较大的谐波源。类似嵌入式系统实验室等存在大量开关电源负载的场所由于其负载的特点，会产生明显的3次、5次和7次谐波，需要特别注意3次谐波电流对中性线的影响。
　　2.3体育馆及校史馆
　　体育馆及校史馆作为学校的运动娱乐和观光场所，这类场所涉及负载种类较少，一般为变频空调、风机和数量较多LED照明设备等。变频器负载本身功率因数比较高，有时无功为容性，谐波主要以6N±1次谐波为主；LED照明负载主要以3N次谐波（零序电流）为主，会对N线造成影响。3 次谐波是零序谐波，导致谐波电流在中性线叠加，中性线上的电流是相线电流的2倍以上，鉴于进线断路器为三极断路器，不检测中性线电流，即使中性线电流超过导体允许载流量，断路器也不会动作，这可能造成中性线超温、绝缘老化，发生接地故障，导致中断供电甚至发生电气火灾，危及到学校师生的安全。
　　3.谐波危害
　　高校的供配电系统中使用大量非线性负载导致谐波电流和谐波电压的出现，对整个供电电网是一种污染，同时谐波对其它用电设备的正常运行也会造成危害。高校所涉及到的非线性负载设备对配电系统产生的谐波的危害主要体现在如下方面：
　　3.1对电网的影响
　　高校中非线性负载设备产生的谐波若流入电网，会造成电网的波动，增加电力系统损耗，使设备发热，影响设备使用寿命。此外n次谐波会使并联的无功补偿电容器（容抗）与系统（感抗）之间发生并联谐振，造成电容器组的过电压和过电流。
　　3.2对变压器的影响
　　谐波电流使变压器的铜耗增加，谐波电流的存在，不仅会降低系统供电质量，增加变压器及系统损耗，还会影响系统功率因数，降低变压器的使用裕度和使用寿命。变压器一次侧绕组若为三角形联结，由于高校图书馆及学术报告多功能厅采用大量的LED灯和LED显示屏，其产生的大量3次谐波电流会在变压器一次侧所形成的一个闭合回路内流通，进而增加变压器本体的铜损和铁损，使变压器运行温度升高。
　　3.3对电容柜的影响
　　电网谐波对无功补偿并联电容器的运行有较大影响，谐波电流叠加在电容器的基波电流上，使电容器的运行电流变大，温升变高，引起过热而降低电容器的使用寿命或使电容器损坏。叠加在电容器基波电压上的谐波电压，不仅使电容器运行电压的有效值变大，而且可能使峰值电压变大很多，使电容器在运行中发生局部放电不能熄灭，这是电容器损坏的一个主要原因。另外，无功补偿并联电容器对谐波电流还具有放大作用，电容器对谐波电流放大一般为2-3倍，谐振时可达20倍以上。
　　3.4对教学网络通信系统的影响
　　谐波对高校教学网络通信系统干扰的大小由三个因素综合决定：电力线路谐波电压和谐波电流大小，电力线路和通信线路之间的耦合强度，通信线路对谐波干扰的敏感程度。电网中不平衡谐波电流对校园网通信系统，轻则产生噪声干扰，降低通信质量，重则导致整个教学信息和数据丢失，使系统瘫痪而无法正常工作。在多个中性点接地电网中，如有较大零序分量谐波电流通过中性点流入大地，将严重干扰附近通信系统。通常音频通道的频率为200~3500Hz，而很多谐波也在这个范围，易对临近的电话线路产生静电感应和电磁感应，轻则引起可以察觉的杂音甚至触发电话响铃，重则危及设备和操作人员安全。
　　4.高校电能质量主要特征
　　（1）教育始终是国家重视的部分，各地高校建设依然是国家关注的重点。
　　（2）高校科研实验室和图书馆及学术报告多功能厅作为重要的科研、学术会议和文化交流场所，其涉及到的较多非线性负载设备严重影响了整个供配电系统的电能质量，因此需要针对性的进行电能质量治理。
　　5.高校电能质量监测与治理系统解决方案
　　5.1解决方案
　　高校用电负荷主要是照明、电梯、空调，这类负荷较轻电能质量比较好，往往产生大的谐波较少。但是在高校的实验楼有很多特殊的实验设备，含有一些非线性设备，会产生谐波，电能质量较差。会给电力系统带来严重的谐波污染，学校配电系统的电能质量问题很可能导致其他用电设备损坏、影响正常教学进度等不良影响，所以对学校行业的电能质量治理显得尤为重要。
　　安科瑞电气提出的电能质量监测与治理系统解决方案可满足电力监控管理、运维与电能质量治理等方面的需求，致力于为高校提供一站式的整体解决方案，从产品、系统、服务等不同方面来满足高校的需要，为高校的整体运作创造价值。
　　5.2方案特点
　　（1）高校电能质量监测与治理系统除作为本地终端为高校后勤运维人员提供电能质量监测、治理与设备运维等功能外，亦可通过接入AcrelEMS-EDU校园综合能效管理系统平台，为高校提供远程在线服务和运维管理；
　　（2）采用全控型技术实现高校用电的电能质量；
　　（3）专业化的电能质量监测：电能质量实时在线监测，测量精度高、测得准，符合IEC61000-4-30标准；
　　（4）电能质量监测与治理系统装置采用整体设计，并可通过上位平台实现统一管理和闭环控制；
　　（5）高品质电能质量治理：配套电力电子装置技术过关、质量过硬，具备网络化、可调控、快速响应的性能；
　　（6）电能管理务业务综合协同：配电监控管理与运维、电能分析与电能质量数据共享融通，为高校的电能供给与消费提供控制手段。
　　5.3方案价值
　　（1）全面监测电能质量，保障供电可靠性
　　对供电回路的电气参数进行全面监测，确保设备用电符合标准要求。微秒级故障录波与SOE告警能够及时记录故障发生时全部数据信息，支持开展故障追踪与问题定位。
　　（2）完整电能质量治理
　　通过集中+就地（终端）整体电能质量治理模式，更大程度满足无功和谐波治理的要求，提高整个高校供配电系统的电能质量，降低无功及谐波对配电系统、变压器、输电线路及整个校园网络通信造成损害，以至于减少对教学活动的影响。
　　6.安科瑞电能质量监测与治理产品选型
　　6.1集中治理
　　高校建筑中良好的电能质量是保证正常教务教学工作的前提和基础，可通过电能质量在线监测装置对整个学校的低压供配电系统（10KV至0.4KV）进行电能质量在线监测，其中包含功率因数监测、谐波分析和记录、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测、电压不平衡度监测、事件记录、测量控制等功能为一体，能够满足学校整个供电系统电能质量监测的要求。由于高校建筑中一般会涉及到电梯、变频空调、大型水泵、照明设施及数量较多的计算机、投影仪和音频等网络通信设备，上述设备在运行过程中会产生各种谐波和无功需量，为减少谐波对电网侧的危害和影响，同时确保无功功率因数达到国标要求值，避免罚款，可采用配电房集中治理的方式，其集中治理的产品选型见表1。
表1电能质量监测及集中治理产品选型表

       6.2末端治理　　针对末端采用大量LED灯照明设备及调光器等负载的场所，例如图书馆、学术报告多功能厅和体育馆等，由于该类照明装置主要负荷类型为开关电源型，谐波电流以3次谐波电流为主，3次谐波电流作为零序电流，三相矢量角度一致，因此向N线进行叠加，导致N线电流过大，对整个配电系统的影响较大，因此需要单独进行末端治理；另外科研实验室中大量的敏感设备需要“干净"的电网环境才能保障系统设备的正常运行，为了降低非线性负载对其他设备谐波的影响，也需要针对性地进行就地治理。其末端治理的产品选型见表2。
　　表3末端治理产品选型表
　　7.湖北省某高校电能质量治理项目案例
　　7.1项目背景
　　以湖北省某重点高校电能质量治理项目为例，根据学校后勤人员反馈，该校主校区综合教学楼频繁出现跳闸现象，另外高校食堂配电房电容柜内电抗器出现烧焦和N线线缆过热的情况，由于综合教学楼和食堂分别涉及变频空调、计算机通信设备、LED灯照明和水泵等负载，运行过程中会产生谐波并对整个供配电系统造成影响，现对综合教学楼和食堂所在的配电房进行测量，并根据相应的电能质量数据给出相应的治理方案。
       7.2测量结果
　　（1）主校区综合教学楼配电室谐波测量数据
　　从上述两组测量数据可以得出综合教学楼的谐波主要为5次和7次为主，电流畸变率最多为22%，对于5次和7次谐波可通过在配电房集中治理，消除谐波对整个供配电系统、变压器、无功柜和其它用电设备的影响，从而保证正常的教学工作；食堂配电室谐波较严重，3次和5次谐波已超过了国家GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》0.38KV系统各次谐波及谐波电流值标准。现场电容柜串接7%电抗，3次和5次谐波流入电容柜，谐波电流叠加在电容器的基波电流上，使电容器的运行电流变大，温升变高，引起过热而降低电容器的使用寿命或使电容器损坏。由于3次谐波属于零序谐波电流，三相矢量角一致，会在N线上进行线性叠加，N线电流约223A，已经超过了相线上的电流值，N线电流过大会造成中性线超温、绝缘老化，发生接地故障，从而导致中断供电甚至发生电气火灾，可对其进行末端就地治理，防止谐波对N线造成损害，保护线路，同时减少火灾的发生。
　　7.3治理方案
　　根据综合办公楼和食堂的谐波测量结果，并各自给出相应的电能质量系统治理解决方案，具体方案如下：
　　方案一：集中治理：建议配电房无功柜改造，现场电抗器的电抗率为7%，应改为14%电抗，可以抑制3次和5次谐波流入电容柜而导致电容损坏，并结合AnSin-G Ⅰ型有源谐波治理系统装置进行集中谐波治理，消除谐波对配电系统的干扰，保证良好的教学工作；或将无源电容柜更换为AnCos-G Ⅰ型有源无功补偿系统装置进行无功补偿，同时在满足裕量充足的情况下可补偿谐波电流。
　　​方案二：就地治理：由于食堂涉及较多LED灯照明设备和通风机，建议在食堂的各楼层配电间或负载末端加装ANSNP中线安防保护器，治理3N次谐波和三相不平衡导致N线电流过大问题，达到终端治理谐波的目的，避免谐波影响到整个配电系统和其他用电设备，保护N线，减少电气火灾的发生，保障师生的人身安全。
　　7.4类似案例
　　北方民族大学项目、广东师范大学河源校区电能质量改造项目、中国药科大学项目、南京农业大学白马教学科研基地增容工程项目
　　8.结论
　　随着现代化教学、电子图书馆等先进教学手段的不断引入和加深，大量的非线性电力电子设备涌现，在提升高校综合教学质量的同时，也给整个学校的供配电系统的电能质量带来了严峻的考验，特别是多功能报告厅和科研实验室等，负载设备多样，谐波产生和变化有很大的随机性和复杂性。通过对高校建筑供配电系统的电能质量进行研究，并结合系统平台提出合理的整体解决方案，对改善高校的供电质量，提高电网的安全和经济运行以及降低能耗，保障教学设备的性能，提高教学质量，保障师生安全均有重要意义。