校園低壓配電系統(tǒng)諧波治理
——以北京師范大學(xué)為例

廖春成，廖春龍，張淑靜

(1.北京師范大學(xué)總務(wù)，北京 100875，2.中國移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司，湖南 長沙 410100，3.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225009)

1 引言

北京師范大學(xué)作為“雙一流”建設(shè)的高校之一，安全科學(xué)用電是保障教學(xué)科研及辦公的基礎(chǔ)條件。隨著現(xiàn)代化教學(xué)、電子圖書館等先進(jìn)教學(xué)手段的不斷引入，智能給排水、變頻空調(diào)、電梯傳送系統(tǒng)等辦學(xué)條件的配套設(shè)施的不斷改善，以及照明系統(tǒng)的節(jié)能不斷改造等，大量非線性電力電子設(shè)備涌現(xiàn)[1]。如數(shù)據(jù)中心的UPS，給水、空調(diào)系統(tǒng)的變頻驅(qū)動(dòng)器，學(xué)生活動(dòng)中心、邱季端等體育場館的照明燈光設(shè)備，帶有電子鎮(zhèn)流的照明燈具，教學(xué)、辦公電腦等。這些非線性電力電子設(shè)備的使用，帶來諧波污染、增大無功功率、三相不平衡等電能質(zhì)量問題，對(duì)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生巨大的影響和危害[2]。通過對(duì)諧波進(jìn)行治理，可有效提高配電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，延長教學(xué)配套設(shè)備及電力設(shè)備的使用壽命，降低故障率，減少配電系統(tǒng)安全隱患，節(jié)約能源，勢在必行。

2 供配電系統(tǒng)

北師大海淀校園供配電系統(tǒng)采用的是10/0.4 kV電壓等級(jí)供電，校供配電系統(tǒng)采用四路10 kV進(jìn)線系統(tǒng)供電，主配電室、京師大廈兩個(gè)10 kV配電一級(jí)站。校區(qū)建筑面積達(dá)80萬m2，用電負(fù)荷分散?？偱渥冸娝头峙潆娝奢椛浞绞?，系統(tǒng)規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。全校供電容量達(dá)到49185 kVA，共有變配電所27處，變壓器共計(jì)56臺(tái)。10 kV供電平面圖如圖1。

圖1 校園10 kV供電平面

該校電網(wǎng)自海淀校園建立以來，建筑逐年不斷增加，電網(wǎng)不斷增容，原有布局已被打亂。積累了不少問題：供電不平衡；臨時(shí)線路過多；部分老站點(diǎn)和線路年久失修，供電安全隱患較多；非線性電子設(shè)備激增導(dǎo)致跳閘、能源浪費(fèi)嚴(yán)重。需要統(tǒng)籌規(guī)劃，對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行系統(tǒng)改造，以確保安全、合理供電，利于節(jié)能降耗，建設(shè)節(jié)約型校園。

3 諧波產(chǎn)生、危害和治理

隨著校園內(nèi)智能給排水、變頻空調(diào)、LED燈管等各種非線性、沖擊性的電力電子器件的負(fù)載大量使用，電網(wǎng)積累一定量的諧波，使得正弦電流發(fā)生畸變，這種非正弦電流反過來再電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會(huì)使得電壓波形也變成正弦，污染電力系統(tǒng)，降低整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境質(zhì)量，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性下降。對(duì)這種非正弦波進(jìn)行傅里葉分解，得到頻率與工頻相同的分量，以及頻率大于工頻的分量。這種與工頻相同的分量稱為基波，頻率大于基波的分量稱為諧波[3]。

電網(wǎng)諧波會(huì)降低向用戶的電能質(zhì)量對(duì)電網(wǎng)和用電設(shè)備造成危害，嚴(yán)重時(shí)影響供電可靠性。如采用并聯(lián)電容器組時(shí)，使得系統(tǒng)諧波因?yàn)橹C振而放大，增加網(wǎng)絡(luò)和線路損耗；繼電保護(hù)電路中，使得設(shè)備失效，無法達(dá)到保護(hù)目的；對(duì)電話通信線路形成干擾，影響通話質(zhì)量等[4]。

目前電力系統(tǒng)諧波的治理，主要有以下兩種途徑：①改進(jìn)用電設(shè)備，使用電設(shè)備不產(chǎn)生或盡量少產(chǎn)生諧波；這種途徑主要受設(shè)備結(jié)構(gòu)、效率、成本、可靠性等因素制約，只能解決部分諧波問題。②采用濾波的專門裝置，濾除非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波。這種途徑主要分為無源電力濾波器(Passive Power Filter，PPF)的方式和有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)的方式兩種方式[5～7]。

有源電力濾波器是區(qū)域低壓用電設(shè)備進(jìn)行諧波治理的有效設(shè)備，通過檢測電網(wǎng)系統(tǒng)諧波的特征，再借助變流器技術(shù)，產(chǎn)生與非線性負(fù)載側(cè)諧波，同頻率、同幅值、相位相差180°的補(bǔ)償波，相互疊加后對(duì)諧波進(jìn)行抵消，從而達(dá)到治理諧波的目的。這種方式節(jié)能、節(jié)材、治理效果好，是諧波治理技術(shù)的最新發(fā)展方向，有著廣闊的發(fā)展前景。

4 APF治理諧波方案及效果

4.1 諧波測量

1993年7月，國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》(GB/T 14549-1993)[8]，并于1994年3月開始實(shí)施。對(duì)0.4 kV電網(wǎng)諧波具體規(guī)定如表1。

表1 0.4 kV電網(wǎng)諧波電壓限制

根據(jù)改造要求，對(duì)科技樓、鍋爐房、冷庫、學(xué)十六樓四處低壓配電室12個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行諧波測量，數(shù)據(jù)如表2。

表2 測試點(diǎn)諧波含量

測試數(shù)據(jù)表明，校內(nèi)部分低壓配電系統(tǒng)都存在不同程度的諧波。受諧波影響，校內(nèi)配電系統(tǒng)電能質(zhì)量及安全系數(shù)都有所降低，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)無故斷電。由于諧波電流的存在，使得負(fù)荷電流增大，占有變壓器容量，降低系統(tǒng)利用效率。另外，使系統(tǒng)變壓器、輸電線路溫升提高，降低設(shè)備使用壽命，存在引發(fā)電氣火災(zāi)的安全隱患。

4.2 APF容量設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)際，選擇最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案波，是治理低壓供配電系統(tǒng)諧的關(guān)鍵要素。以總補(bǔ)償方式，在科技樓、鍋爐房、冷庫、學(xué)十六樓幾處典型位置加裝諧波治理裝備，解決系統(tǒng)電網(wǎng)諧波問題，治理低壓設(shè)備諧波污染，抑制其對(duì)系統(tǒng)的危害，提高低壓設(shè)備工作效率和安全性能。APF總補(bǔ)償方式治理諧波設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 APF總補(bǔ)償方式治理諧波設(shè)計(jì)

根據(jù)諧波實(shí)測數(shù)據(jù)，按照系統(tǒng)平均工作效率對(duì)APF容量進(jìn)行選擇，其容量設(shè)計(jì)如表3。

表3 APF容量設(shè)計(jì)

4.3 降耗節(jié)能分析

4.3.1 降耗估算

諧波電流導(dǎo)致線路和變壓器溫度升高，溫升問題將減少線路和變壓器壽命，造成日常配電系統(tǒng)損耗加重，從而造成經(jīng)濟(jì)損失。諧波電流導(dǎo)致線路和變壓器的損耗功率的公式為：

△P=3I2·R

(1)

式(1)中：I為電路中的電流；R為輸電線路的阻抗。

一臺(tái)S9系列10/0.4 kV，1000 kVA變壓器，總長度5×200 m的240電纜送電。變壓器阻抗歸算到低壓側(cè)電阻假設(shè)為0.67Ω，按照50A諧波電流計(jì)算，消耗功率達(dá)5025 W。

4.3.2 節(jié)能分析

北師大海淀校區(qū)有變配電站27座，共有變壓器51臺(tái)，高低壓線路電纜縱多。根據(jù)諧波現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，諧波污染導(dǎo)致變壓器的平均年損耗量一定的增加，消耗額外的電量。假設(shè)校區(qū)年平均電消耗7000萬kW·h，諧波消耗近2%，總年額外損耗可能達(dá)140萬kW·h以上，校區(qū)總體年額外損耗的電費(fèi)增加近67萬元左右(按照教育用電的1 kW·h 0.48元計(jì)算)。再考慮線路問題升高導(dǎo)致的變壓器及電纜壽命的縮短、更換加速，綜合年經(jīng)濟(jì)損失將可能超過70萬元。

采用APF對(duì)系統(tǒng)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償治理，大大降低系統(tǒng)諧波含量，降低因諧波導(dǎo)致的設(shè)備升溫和老化，降容和能耗，提高供配電設(shè)備的使用效率，節(jié)約能源浪費(fèi)，同時(shí)釋放系統(tǒng)容量約5%～10%，可一定程度減少電氣設(shè)備擴(kuò)容投資，緩解系統(tǒng)運(yùn)行壓力。且變壓器等供配電設(shè)備使用壽命延長，大大節(jié)約更新成本。

5 結(jié)語

校園供配電系統(tǒng)電力諧波的存在導(dǎo)致變壓器實(shí)際負(fù)載率降低，增加能源浪費(fèi)，給供電設(shè)備和用電設(shè)備帶來不可忽視的危害，嚴(yán)重時(shí)縮短設(shè)備使用壽命。通過合理的電能質(zhì)量管理，采用APF總補(bǔ)償方案對(duì)諧波進(jìn)行治理，能有效降低諧波帶來的影響，減少能源經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。