智能建筑中的電能質(zhì)量問題及其監(jiān)測(cè)

陳尊發(fā)

摘要：近年來，智能建筑向智能建筑群、智能街區(qū)、智能城市迅速發(fā)展，成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。智能建筑也成為一個(gè)地區(qū)、一座城市、一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力的象征。但是，智能建筑中大量的非線性負(fù)荷形成的諧波源，產(chǎn)生諧波和無功功率，對(duì)配電系統(tǒng)造成污染，使電能質(zhì)量下降，給智能建筑中的電氣設(shè)備、電子設(shè)備及樓宇智能化系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重危害以及不良影響。本文對(duì)智能建筑中的電能質(zhì)量問題及其監(jiān)測(cè)進(jìn)行了闡述，并以某小區(qū)配電系統(tǒng)為例，對(duì)其進(jìn)行了電能質(zhì)量測(cè)試。通過數(shù)據(jù)分析，為建設(shè)智能校區(qū)的工程規(guī)劃提供了建議。

關(guān)鍵詞：智能建筑；電能質(zhì)量；監(jiān)測(cè)

隨著智能建筑以及智能小區(qū)的迅速發(fā)展，若治理不力，這種污染將愈來愈重，將成為公用電網(wǎng)的主要污染源。這些負(fù)荷可以分為兩類：一類是含有開關(guān)電源的非線性負(fù)荷（電壓型諧波源屬容性負(fù)載），如：個(gè)人計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、電信設(shè)施、含電子鎮(zhèn)流器的照明燈具、電視機(jī)、樓宇智能化設(shè)施等；另一類是呈電感性非線性負(fù)荷，如含電感鎮(zhèn)流器的照明燈具等。這兩類非線性負(fù)荷構(gòu)成了智能建筑的主要諧波源

一、智能建筑中的電能質(zhì)量問題

1.交- 直-交變頻調(diào)速裝置具有節(jié)省電能20%-50%的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于變頻空調(diào)、風(fēng)機(jī)、水泵等電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。變頻裝置一般采用晶閘管或大功率晶體管線路制成，這種電路在輸入周期的部分時(shí)間提取脈沖式電流，因而在電源線上產(chǎn)生的諧波電流比同功率的旋轉(zhuǎn)電機(jī)所產(chǎn)生的諧波電流大的多。諧波電流主要是由元器件的非線性、波形的破碎及晶閘管、晶體管、二級(jí)管等半導(dǎo)體器件的反向尖峰電流所造成。我們對(duì)電梯、恒壓供水、通風(fēng)設(shè)備專用回路進(jìn)行了檢測(cè)。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，變頻調(diào)速裝置的諧波電流主要是5 次和7 次諧波，其次是11 次以后的高次諧波。家用變頻空調(diào)由于具有快速制冷、舒適性好、超低溫制熱、快速除霜、電壓適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)受到人們的廣泛歡迎。再加上具有節(jié)約電能、降低加速器運(yùn)動(dòng)部件的磨損等優(yōu)點(diǎn)，變頻空調(diào)基本取代了傳統(tǒng)空調(diào)。

2.三相UPS 對(duì)電能質(zhì)量的影響。在一些重要的建筑供電負(fù)荷以及一些對(duì)持續(xù)供電有特殊要求的用電設(shè)備，廣泛采用UPS 電源保證供電的持續(xù)性。UPS電源是一種典型的電力電子整流逆變裝置，在工作中由于控制方式簡單，因此在持續(xù)供電的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的諧波電流。是UPS設(shè)備在不同負(fù)荷率下的專用電路諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中不難看出5、7 次諧波超標(biāo)嚴(yán)重。

3.照明用電的電量約占全社會(huì)總用電量的10%，晚間高峰負(fù)荷時(shí)，照明用電負(fù)荷約占各電網(wǎng)總負(fù)荷的20%左右，照明負(fù)荷的性質(zhì)對(duì)低壓公共電網(wǎng)安全運(yùn)行和供電質(zhì)量的影響很大。照明光源大體上可分兩大類，第一類是熱輻射光源，包括白熾燈和各種類型的鹵鎢燈，碘鎢燈。它們是純電阻線性負(fù)載，對(duì)電網(wǎng)無不良影響；第二類是氣體放電光源，包括熒光燈、緊湊型節(jié)能燈、高壓鈉燈、高壓汞燈、金屬鹵化物燈、霓虹燈等。它們是氣體電弧放電性負(fù)載，由于用作限流、穩(wěn)弧的鎮(zhèn)流器技術(shù)性能不好，他們已經(jīng)成為低壓公用電網(wǎng)的主要諧波源。照明設(shè)備量多且分散，在電網(wǎng)中所占負(fù)荷比重又很高，所以危害很大。

二、智能建筑中的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

智能建筑是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一種新的建筑形式?，F(xiàn)代智能建筑包含樓宇自控系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)。其中電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)建筑物內(nèi)的高低壓配電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)視和管理，是智能建筑的重要組成部分，為配電系統(tǒng)的可靠性、安全性、連續(xù)性以及提高電能使用效率提供保障。

1.在線監(jiān)測(cè)。在電力監(jiān)控系統(tǒng)前端選擇合理的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，配備具有電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能的智能裝置，用于連續(xù)監(jiān)測(cè)變配電系統(tǒng)的諧波、三相不平衡度、電壓波動(dòng)、中性線電流、電壓擾動(dòng)等。通過智能化電力監(jiān)控軟件的電能質(zhì)量分析功能，將電量變化趨勢(shì)、諧波等以圖形或表格的形式直觀地顯示出來。當(dāng)電能質(zhì)量指標(biāo)越限時(shí)，及時(shí)發(fā)出提示或報(bào)警信息。當(dāng)發(fā)生電壓擾動(dòng)時(shí)，及時(shí)捕捉電壓暫降等暫態(tài)電能質(zhì)量事件，并對(duì)發(fā)生故障的部分進(jìn)行錄波、故障記錄，為故障分析提供可靠的數(shù)據(jù)。這樣一方面可以提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，并加以預(yù)防，從而避免設(shè)備出現(xiàn)故障以及由此而引起的停電；另一方面，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，能盡快發(fā)現(xiàn)問題，迅速判斷故障點(diǎn)以及故障原因，給維護(hù)人員提供有效的信息，從而及時(shí)恢復(fù)供電。該系統(tǒng)能專業(yè)

化地滿足現(xiàn)代電能管理的要求，提供電能質(zhì)量的完整數(shù)據(jù)，幫助用戶分析和控制配電系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)在電力監(jiān)控、電能質(zhì)量、供電可靠性等方面的可用性，為辦公自動(dòng)化和高質(zhì)量生活服務(wù)。

2.專項(xiàng)監(jiān)測(cè)。對(duì)于需要掌握電能質(zhì)量情況，又不需要在線監(jiān)測(cè)或不具備在線監(jiān)測(cè)條件的場(chǎng)合，或臨時(shí)反映有電能質(zhì)量出現(xiàn)異常，需要進(jìn)行改造前后的技術(shù)比對(duì)驗(yàn)證時(shí)，利用便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀就可以實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量檢測(cè)的特定目的。便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀具有使用方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地為用戶節(jié)省投資。商業(yè)區(qū)、建筑群的配電點(diǎn)的電能質(zhì)量檢測(cè)，可以根據(jù)重要程度每隔一個(gè)月、一季度或半年檢測(cè)一次。但是使用便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行定期或?qū)ｍ?xiàng)檢測(cè)，由于每次的測(cè)試時(shí)間短，難以捕捉到暫態(tài)事件和極端現(xiàn)象，無法獲取全面的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，一般只適用于測(cè)試諧波、三相不平衡等穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。

三、實(shí)例分析

1.某小區(qū)由于建設(shè)智能型小區(qū)的需要，為了解其供電情況，采用便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀對(duì)其兩臺(tái)變壓器出線端進(jìn)行了為期三天的電能質(zhì)量專項(xiàng)檢測(cè)。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，得出電能質(zhì)量綜合報(bào)表（見表）。

2.從測(cè)試結(jié)果分析可知：

（1）兩臺(tái)變壓器的三相電壓比較正常，相電壓幅值在230-240V內(nèi)浮動(dòng)，符合國標(biāo)規(guī)定的±10 %要求。2#變壓器電壓幅值略高于1#變壓器。兩臺(tái)變壓器的頻率較理想，均為50 Hz，符合國標(biāo)規(guī)定的頻率偏差不超過±2 %的要求。兩臺(tái)變壓器的三相電壓不平衡度均在2 %以下，符合國標(biāo)要求。1#變壓器的電壓不平衡度略大于2#變壓器。

（2）380V低壓系統(tǒng)的電壓總諧波畸變率（THD）的限值為5.0 %，奇次諧波含有率的限值為4.0%。1#變壓器的電壓總諧波畸變率嚴(yán)重超標(biāo)，三相電壓THD都在7 %以上。從單次諧波含有率來看，主要是電壓3次諧波含有率超標(biāo)，其他各次諧波含有率均符合國標(biāo)要求；2#變壓器的電壓總諧波畸變率正常，約為0.4 %，符合國標(biāo)要求，主要是5次、7次諧波。由于小區(qū)中的機(jī)房、宿舍樓等的計(jì)算機(jī)負(fù)荷、各種節(jié)能燈具較多，所以諧波問題較嚴(yán)重。在380V系統(tǒng)中，諧波會(huì)使配電變壓器的繞組、外層硅鋼片、外殼、金屬緊固零件的局部發(fā)熱嚴(yán)重，降低變壓器輸出功率，還引起振動(dòng)和噪聲，影響變壓器的使用壽命；無功補(bǔ)償電容器因諧波影響，不能正常投入；未配置UPS的計(jì)算機(jī)會(huì)出現(xiàn)死機(jī)、自動(dòng)重啟現(xiàn)象，引起數(shù)據(jù)丟失及元件損壞；最為嚴(yán)重的隱患是中性線長期過流，導(dǎo)致導(dǎo)線局部溫升過高、絕緣老化，可能引起火災(zāi)事故。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，建議供電管理科在工程規(guī)劃時(shí)考慮對(duì)1#變壓器出現(xiàn)的諧波嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象進(jìn)行治理。

四、電能質(zhì)量問題解決方法

針對(duì)智能建筑中常見的諧波、不平衡現(xiàn)象等引起的各種電能質(zhì)量問題，可采用如下解決方案：

1.采用有源或者無源濾波器，吸收電網(wǎng)中的諧波電流，減少諧波。增加系統(tǒng)容量。通過提高供電系統(tǒng)的短路容量，減小諧波源對(duì)其他用電設(shè)備的影響。增大中性線截面，避免中性線長期過流導(dǎo)致的導(dǎo)線局部溫升過高，絕緣老化現(xiàn)象，消除引起火災(zāi)事故的隱患。改善系統(tǒng)的三相不平衡。通過找出因電源電壓、線路阻抗、負(fù)荷特性因素導(dǎo)致的三相不平衡原因，并加以消除，如合理設(shè)計(jì)單相負(fù)載的安裝位置等。該方案可以有效減小系統(tǒng)中零序諧波的產(chǎn)生，有利于設(shè)備的正常用電，減小損耗。

2.合理使用UPS。對(duì)重要的、敏感的負(fù)載使用UPS，可以有效地減少電能質(zhì)量問題對(duì)負(fù)載運(yùn)行的影響。

智能建筑中的電能質(zhì)量問題是一個(gè)不容忽視的問題。解決電能質(zhì)量問題，首先要提高認(rèn)識(shí)、增強(qiáng)技術(shù)手段，有必要對(duì)城市智能建筑中的非線性負(fù)荷進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，以獲取電能質(zhì)量方面的典型數(shù)據(jù)，從而了解產(chǎn)生問題的根源，分析得出主要結(jié)論，并針對(duì)主要問題及時(shí)實(shí)施必要的技術(shù)解決方法，改善和提高電能質(zhì)量。

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