有源濾波器在劇院建筑中的應(yīng)用

陳 濤(上海天華建筑設(shè)計有限公司, 上海 200235)

有源濾波器在劇院建筑中的應(yīng)用

陳 濤
(上海天華建筑設(shè)計有限公司, 上海 200235)

劇院建筑中大量使用晶閘管調(diào)光設(shè)備等非線性設(shè)備產(chǎn)生諧波,對電網(wǎng)、用電設(shè)備、線路電纜等造成一定的影響。結(jié)合某劇院建筑供電系統(tǒng)中有源濾波器的應(yīng)用情況,介紹了諧波的產(chǎn)生及對舞臺、燈光音響的危害,闡述了有源濾波器進行諧波治理后的效果評估情況,說明有源濾波器在藝術(shù)中心,劇院等場所的使用意義。

劇院建筑; 晶閘管調(diào)光設(shè)備; 諧波; 有源濾波器

0 引 言

晶閘管調(diào)光器是目前舞臺照明、環(huán)境照明領(lǐng)域的主流設(shè)備,是一種典型的非線性電氣設(shè)備。采用晶閘管技術(shù)對照明系統(tǒng)進行控制,以控制晶閘管的導(dǎo)通角來對輸入電壓進行斬波,從而改變輸出電壓以實現(xiàn)輸出電流恒定的目的。晶閘管調(diào)光器具有電壓調(diào)節(jié)速度快、精度高、可分時段實時調(diào)整、體積小、重量輕、成本低等特點,在劇場場所廣泛使用,必然出現(xiàn)大量諧波,形成對電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波污染。

1 劇院建筑供電系統(tǒng)諧波的來源和危害

劇院供電系統(tǒng)的劇場燈光系統(tǒng)、調(diào)光設(shè)備以及舞臺機械變頻設(shè)備等非線性設(shè)備產(chǎn)生大量的電力諧波,是劇院建筑供電系統(tǒng)中的主要諧波源。

劇院供電系統(tǒng)的舞臺燈光系統(tǒng)、調(diào)光設(shè)備以及舞臺機械變頻設(shè)備等非線性設(shè)備產(chǎn)生大量的諧波電流將往低阻抗供電端流動,形成對供電系統(tǒng)的干擾,同時產(chǎn)生的諧波電流與系統(tǒng)阻抗的作用形成諧波電壓,對調(diào)光設(shè)備、電視轉(zhuǎn)播、調(diào)音臺電源、舞臺設(shè)備自動控制電源等重要電子設(shè)備產(chǎn)生危害,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1) 劇院舞臺機械電子控制設(shè)備、電視轉(zhuǎn)播與通信設(shè)備等極易受到電能諧波的干擾,導(dǎo)致失靈、死機、聲音與圖像嚴(yán)重失真等后果與事故。對于舞臺燈光晶閘管調(diào)光系統(tǒng),電能諧波超限將干擾晶閘管組件的觸發(fā)控制的同步,甚至導(dǎo)致同步失敗。

(2) 電力高次諧波嚴(yán)重干擾電聲學(xué)系統(tǒng)的正常功能,特別是人體聽力對17次以上高次諧波具有高敏感度,電聲系統(tǒng)設(shè)備必須考慮對高次諧波干擾的消除。

(3) 電力諧波易導(dǎo)致電網(wǎng)與補償電容器發(fā)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振,使諧波放大,使諧波電流放大幾倍或十幾倍,造成過電流,引起補償電容器和與之相連的電抗器、電阻器等設(shè)備損壞。

(4) 諧波增大設(shè)備及線路損耗,由于諧波使系統(tǒng)中的設(shè)備產(chǎn)生附加諧波損耗,降低電網(wǎng)、輸電及用電設(shè)備的使用效率,增加電網(wǎng)線損和用電量;在調(diào)光系統(tǒng)由于大量采用兩相設(shè)備,致使產(chǎn)生大量的3次及3N次諧波在中性線上疊加引起中性線過流(通常為相線電流的1.5～2.5倍,最大可達到相線電流的3倍),大量的3次及3N次諧波流過中性線時,引起零序保護動作,變壓器跳閘,造成停電,甚至?xí)咕€路電纜過熱、絕緣老化、壽命縮短或因過熱發(fā)生火災(zāi)。

(5) 諧波將使繼電保護和自動裝置出現(xiàn)誤動作,并使儀表和電能計量出現(xiàn)較大誤差;諧波對其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大，使通信系統(tǒng)無法正常工作;影響電子設(shè)備工作精度,使精密機械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低;設(shè)備壽命縮短,通信設(shè)備工況變壞等。劇院配電系統(tǒng)電能諧波如表1所示。

表1 劇院配電系統(tǒng)電能諧波

2 諧波評估標(biāo)準(zhǔn)

為了限制諧波污染,保障公用電網(wǎng)的安全運行,IEEE和我國從不同角度出發(fā)推出了相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國于1993年頒布了標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》,把電網(wǎng)中的電壓總諧波畸變率及各次諧波含有率控制在允許的范圍內(nèi),以保證供電質(zhì)量,使接入電網(wǎng)中用戶的各種用電器免受諧波的危害,保持正常工作。公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值如表2所示。注入電網(wǎng)公共連接點的諧波電流允許值如表3所示。

表2 公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值

評估諧波電壓是以電壓總諧波畸變率是否超過上述標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),諧波電壓治理目標(biāo)就是要小于表3中的限值。

表3 注入電網(wǎng)公共連接點的諧波電流允許值 A

諧波電流主要考核用戶向供電系統(tǒng)公共連接點注入諧波電流分量(方均根值)不應(yīng)超過規(guī)定的允許值。IEEE 519:1992針對機場、醫(yī)院等重要負荷,規(guī)定奇次諧波的電流畸變率不大于10%。對于劇院負荷,采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 519:1992來評判。

3 APF在劇院的配電系統(tǒng)中應(yīng)用

劇院內(nèi)布置有大量晶閘管調(diào)光設(shè)備、舞臺機械設(shè)備等,對這些變化頻繁的諧波發(fā)生源需在其配電系統(tǒng)相關(guān)節(jié)點采取相應(yīng)諧波治理措施,以減少電力諧波對電氣系統(tǒng)和設(shè)備的干擾,改善有關(guān)電子設(shè)備運行的電磁環(huán)境。

3.1 APF的配置

某劇院建筑主要由大劇院、音樂廳和多功能廳三個劇場組成。三個劇場內(nèi)配置有大量的、演出用的舞臺燈光及其調(diào)光設(shè)備。具體配置如表4所示。

劇院舞臺燈光配電柜系統(tǒng)圖如圖1所示。在舞臺燈光配電室內(nèi)安裝了有源濾波器(ActivePower Filter,APF)。根據(jù)各個負荷容量的大小以及相應(yīng)的諧波畸變率計算諧波電流,進行APF的配置,其中大劇院配置了1組600 A的APF,音樂廳配置了1組90 A的APF,多功能廳配置了1組240 A的APF。

表4 APF具體配置

圖1 劇院舞臺燈光配電柜系統(tǒng)圖

3.2 諧波治理效果評估

安裝APF設(shè)備后,在大劇院、音樂廳、多功能廳等配電房硅控室進線柜處使用專用的電能質(zhì)量測試儀器進行檢測,對比APF投入前后的測試數(shù)據(jù)。

3.2.1 大劇院

APF投入前后電流波形、電壓參數(shù)、電流參數(shù)、電能參數(shù)如圖2～圖5所示。

由圖2～圖5可知:

(1) 電流波形明顯改善,使用濾波器后電流波形呈正弦波形態(tài)。

(2) 電壓畸變狀況得到改善,諧波電壓總畸變率從10%下降到4.20%。

(3) 電流畸變狀況得到明顯改善,諧波電流總畸變率從35%下降到7%。

(4) 功率因數(shù)有所提高,由投入前的0.96提高到0.99。

圖2 APF投入前后電流波形

圖3 APF投入前后電壓參數(shù)

圖4 APF投入前后電流參數(shù)

圖5 APF投入前后電能參數(shù)

3.2.2 音樂廳

由APF投入前后的測試數(shù)據(jù),可知:

(1) 電流波形明顯改善,使用濾波器后電流波形呈正弦波形態(tài)。

(2) 電壓畸變狀況得到改善,諧波電壓總畸變率從2.5%下降到1.4%。

(3) 電流畸變狀況得到明顯改善,諧波電流總畸變率從47%下降到8%。

(4) 功率因數(shù)有所提高,由投入前的0.76提高到0.92。

3.2.3 多功能廳

由APF投入前后的測試數(shù)據(jù),可知:

(1) 電流波形明顯改善,使用濾波器后電流波形呈正弦波形態(tài)。

(2) 電壓畸變狀況得到改善,諧波電壓總畸變率從9.5%下降到3%。

(3) 電流畸變狀況得到明顯改善,諧波電流總畸變率從48%下降到9%。

(4) 功率因數(shù)有所提高,由投入前的0.72提高到0.96。

綜合上述測試數(shù)據(jù),可知治理后各場所的電壓畸變率均小于5%,達到GB 14549—1993的要求;諧波電流有效值明顯降低,電流畸變率明顯降低達到10%以下,達到了IEEE 519:1992要求;改善功率因數(shù)明顯,達到了預(yù)期的目標(biāo)和效果。

3.3 節(jié)能效果

諧波治理消除諧波對電網(wǎng)和設(shè)備發(fā)熱影響,降低無功的損耗,減少電能的消耗。針對能耗的評估,可以通過比對配電房硅控室進線柜視在功率的變化來衡量節(jié)能效果:

式中：Sb——APF投入前的視在平均功率;Sa——APF投入后的視在平均功率。

根據(jù)實測的數(shù)據(jù),對三個場所進行節(jié)能效果計算。

大劇院晶閘管室進線柜節(jié)能效果:

音樂廳晶閘管室進線柜節(jié)能效果:

多功能廳晶閘管室進線柜節(jié)能效果:

4 結(jié) 語

在劇院建筑中,采用APF對舞臺燈光等設(shè)備產(chǎn)生的諧波進行實時、動態(tài)的治理,可降低配電系統(tǒng)中諧波電流畸變水平,將直接減少諧波帶來的附加發(fā)熱危害、有功功率損失及其引起的額外損失,降低配電系統(tǒng)中諧波電流畸變水平,提高配電系統(tǒng)中主要電源設(shè)備的負載能力與有效容量及配電系統(tǒng)功率因數(shù)。同時,也可延長用戶變壓器、電機、電纜、用電設(shè)備等的使用壽命,減少保護設(shè)備誤動作的產(chǎn)生,降低設(shè)備維護費用,消除因高次諧波對電聲系統(tǒng)的干擾。

另外,由于設(shè)計過程中對建筑物的諧波狀況難以預(yù)計,故在前期的設(shè)計中采用預(yù)留必要的有源濾波設(shè)備空間,待工程投入運行后再做實測,根據(jù)實測的數(shù)據(jù)進行設(shè)備配置,以避免設(shè)備的大量投入,降低工程造價。

[1] GB/T 14549—1993 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].

[2] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].3版.北京：中國電力出版社,2005.

[3] 王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

Application of Active Power Filter in Theater Building

CHEN Tao

(Tianhua Architecture Planning & Engineering Co., Ltd., Shanghai 200235, China)

As the extensive use of SCR dimming equipment and other nonlinear devices,in theater project,a lot of harmonics are generated which have affected on the power grid,electrical equipments,and cable lines.Combined with the application of active power filter(APF) in the theater project,this paper described the generation of harmonics and its hazards to stage management,lighting and sound.By using of APF,the effect evaluations of harmonic elimination were elaborated.It shows the significant value of APF in arts center,theater and other buildings.

theater building; active power filter(APF); SCR dimmer equipment; harmonic

陳 濤(1971—),男,高級工程師,從事建筑電氣設(shè)計。

TM 933

A

1674-8417(2015)10-0034-05

2015-09-23