機(jī)場電力系統(tǒng)諧波治理與節(jié)能分析

鄭語滌

【摘 要】隨著新電力電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的非線性負(fù)載接入電網(wǎng)中，由此而帶來的諧波問題正得到人們廣泛的重視。本文介紹了諧波影響并且分析了機(jī)場電力系統(tǒng)諧波的主要特點(diǎn)，并以諧波附加損耗的理論公式為依據(jù)，使用機(jī)場電力系統(tǒng)諧波檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)的節(jié)能計(jì)算和分析，得出了諧波治理相關(guān)的節(jié)能效果數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】諧波；危害；附加損耗；節(jié)能

0.緒論

隨著現(xiàn)代化機(jī)場大量采用變頻調(diào)速設(shè)備、新型LED、節(jié)能熒光燈、UPS 不間斷電源、電力電子設(shè)備（大型電子屏幕、計(jì)算機(jī)、辦公設(shè)備和通信設(shè)備）以及可控硅調(diào)光設(shè)備（燈光站助航燈）等等，諧波等電能質(zhì)量問題非常突出，嚴(yán)重影響機(jī)場的用電安全。

航站樓電力設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的問題和故障，通常都是由于電網(wǎng)電氣參數(shù)波動(dòng)或瞬間干擾所引起，如：電壓波動(dòng)、浪涌沖擊、諧波、三相不平衡、功率因數(shù)過低、缺相運(yùn)行等。這些非線性負(fù)載產(chǎn)生的大量諧波導(dǎo)致電網(wǎng)污染，使航站樓電力品質(zhì)下降，引起用電設(shè)備運(yùn)行故障。為避免由于電氣故障而造成航班延誤所導(dǎo)致的重大不良影響和高額成本，進(jìn)行機(jī)場電力系統(tǒng)諧波治理與節(jié)能分析工作是非常必要的。

1.機(jī)場電力系統(tǒng)諧波的主要來源

1.1照明系統(tǒng)（熒光燈、LED燈和金屬鹵化物燈等）

在商業(yè)和民用建筑中大量使用熒光燈、電子鎮(zhèn)流器和LED 節(jié)能燈等單相諧波源負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大量的三次諧波，極易引起中性線電流過大。三次和3n 次諧波會(huì)在中性線上疊加，使系統(tǒng)的中性線電流增加，增加了中性線電纜的發(fā)熱量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生火災(zāi)。

1.2變頻調(diào)速設(shè)備（空調(diào)、泵）

三相變頻類用電設(shè)備工作模式基本都是六脈動(dòng)變流器整定，因此產(chǎn)生典型的6n±1（5、7 次）諧波電流。

1.3 UPS電源

UPS 主要由整流電路、逆變電路、控制電路、充電電路、電池組、旁路系統(tǒng)組成。常用的整流電路有三相全橋六脈沖整流電路和六相全橋十二脈沖整流電路等。相控整流技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單控制技術(shù)成熟，但由于交流輸入功率因數(shù)低，產(chǎn)生大量的諧波電流，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大的污染。

1.4跑道助航燈

機(jī)場跑道助航燈主要諧波次數(shù)為3/5/7/9/11/13等，總電流畸變率較高，會(huì)影響助航燈的供電安全和可靠性。

1.5汽車充電站（規(guī)劃）

電動(dòng)汽車充電站屬于典型諧波源負(fù)載，會(huì)產(chǎn)生大量諧波注入公用電網(wǎng)，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量水平，為確保電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，新項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)階段一般都會(huì)采取相應(yīng)措施抑制諧波。

1.6其它負(fù)載（牽引站）

首都機(jī)場作為重要的交通樞紐，擁有眾多與其相配套設(shè)施，如：軌道交通、貨運(yùn)公司、海關(guān)安檢等，作為其重要的供配電系統(tǒng)的一部分，某些特殊的設(shè)備會(huì)對(duì)整個(gè)供配電系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。如：軌交牽引站。由于機(jī)車沿軌移動(dòng)用電，其產(chǎn)生的危害性遠(yuǎn)比其它任何諧波源設(shè)備更為嚴(yán)重、更為廣泛。因此，對(duì)電氣化軌交牽引站的電能質(zhì)量進(jìn)行全面的監(jiān)測分析，以提出消除或減少對(duì)電網(wǎng)的影響，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.諧波的產(chǎn)生原理及對(duì)機(jī)場帶來的危害

2.1諧波產(chǎn)生的基本原理

電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的原因是由非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)非線性負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性變化關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生；同時(shí)由于電力電子元器件的非線性特性，電力系統(tǒng)的某些設(shè)備如功率轉(zhuǎn)換器比較大的背離正弦曲線波形。這些曲線波形用傅立葉分析原理，能夠把非正弦曲線信號(hào)分解成基本部分和它的倍數(shù)，也就是基波和幾次諧波。

2.2諧波產(chǎn)生帶來的危害

諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動(dòng)變化，并使機(jī)內(nèi)的元件出現(xiàn)過熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于帶有啟動(dòng)用的鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)用的電容器的熒光燈及汞燈來說，會(huì)因?yàn)樵谝欢▍?shù)的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮(zhèn)流器或電容器因過熱而損壞。對(duì)于采用晶閘管的變速裝置，諧波可能使晶閘管誤動(dòng)作，或使控制回路誤觸發(fā)。

諧波危害總結(jié)如下：電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對(duì)于電力系統(tǒng)外部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。尤其對(duì)于機(jī)場這樣重要的公共設(shè)施，一旦發(fā)生諧波危害造成關(guān)鍵設(shè)備停機(jī)，就會(huì)造成很大的損失。

3.某機(jī)場配電系統(tǒng)電力變壓器諧波檢測與分析

為了避免諧波對(duì)設(shè)備運(yùn)行帶來的危害，對(duì)某機(jī)場配電室變壓器典型工況運(yùn)行下進(jìn)行了測試，測試情況如下：

典型變壓器諧波測試圖

典型變頻器電流諧波測試圖

據(jù)圖可看出，變壓器的電壓諧波總體含量及幅值相對(duì)較小，而變頻器所含電流諧波含量則普遍較大，電流諧波含量很豐富。

經(jīng)過分析，在機(jī)場電力系統(tǒng)中，電壓諧波一般不會(huì)超標(biāo)，其畸變范圍較小，基本上只有電流諧波超標(biāo)。

4.消除和抑制諧波的技術(shù)方案

目前常用的諧波治理的方法有無源濾波和有源濾波，下面就兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 動(dòng)態(tài)有源濾波和無源濾波方案比較

通過對(duì)諧波影響較為嚴(yán)重的配電變壓器系統(tǒng)及產(chǎn)生較大諧波含量的設(shè)備進(jìn)行深入的測試，找出諧波源發(fā)生的位置，在此基礎(chǔ)上制定相應(yīng)的諧波治理技術(shù)方案。

5.諧波治理與節(jié)能

5.1諧波產(chǎn)生的設(shè)備能耗

諧波不僅僅帶來的是對(duì)電網(wǎng)及用電設(shè)備的危害，同時(shí)也會(huì)對(duì)網(wǎng)中的設(shè)備的能耗也會(huì)大大的提高，主要通過肌膚效應(yīng)表現(xiàn)出來。

本文列舉出諧波附加損耗的計(jì)算方法見表2（奧地利George J，Wakileh博士的計(jì)算基礎(chǔ)上由解放軍理工大學(xué)汪彥良等四位導(dǎo)師補(bǔ)充完成）。

以變壓器為例分析：變壓器損耗分為：銅耗、鐵耗、介質(zhì)損耗、雜散損耗等。其鐵耗又分為磁滯損耗和渦流損耗。不管分類如何復(fù)雜，按性質(zhì)分只有兩類：基本損耗和諧波損耗。

實(shí)際上，對(duì)于電纜、電機(jī)、電容器等各類電力設(shè)備，它們的損耗均是由基波損耗和諧波損耗構(gòu)成，只是附加倍數(shù)不同而已。主要電力設(shè)備的諧波附加損耗倍數(shù)如表2所示。

表2 主要電力設(shè)備的諧波附加損耗倍數(shù)公式表

從上表中可以看出，各種諧波損失和諧波的次數(shù)有一定的比例關(guān)系。附加能量損耗和諧波次數(shù)n的比例關(guān)系分別為n0.5，n，n2等。據(jù)公式可知，諧波次數(shù)越高對(duì)于節(jié)能影響越大。所以，高次諧波雖然含量較少，但必須給予充分的重視。

5.2諧波治理的節(jié)能潛力

從日常對(duì)機(jī)場電力系統(tǒng)運(yùn)行情況的分析來看，機(jī)場一般一個(gè)變壓器由構(gòu)成的電力運(yùn)行系統(tǒng)平均基波損耗在3%左右。根據(jù)諧波損耗總計(jì)算公式，若只考慮其變壓器損耗和線路損耗的降低情況，計(jì)算出諧波損耗是基波損耗的K倍，而K值在實(shí)際過程中往往大于1.5，因此諧波治理帶來的線損和變損的節(jié)電率就在4.5%以上。

6.結(jié)論

為確保機(jī)場用電系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，應(yīng)對(duì)諧波影響較為嚴(yán)重的配電變壓器系統(tǒng)及產(chǎn)生較大諧波含量的設(shè)備進(jìn)行深入的測試，找出諧波源發(fā)生的位置，在此基礎(chǔ)上制定相應(yīng)的諧波治理技術(shù)方案。諧波治理在對(duì)機(jī)場電力系統(tǒng)提供安全及可靠保障的同時(shí)，還可大大的降低機(jī)場供電系統(tǒng)的電能消耗。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]汪彥良，岳智順等.諧波附加損耗及其降損節(jié)能分析[J].電氣技術(shù)，2009（2）：15-19.