大學高校供配電系統諧波的危害及治理方法

安科瑞張浩彬

摘要：安全科學用電是保障高校教學科研及辦公的基礎條件，隨著現代化教學、電子圖書館等先進教學手段的不斷引入，智能給排水、變頻空調、電梯傳送系統等配套設施以及電子鎮流的照明燈具設備等大量非線性電力電子設備涌現，很多高等院校和科研院校的實驗室做科研項目時，會應用到很多高新儀器、儀器，導致整個高校的供配電系統出現諧波污染、無功功率、三相不平衡等電能質量問題，并對配電系統的電能質量產生巨大的影響和危害。通過對諧波進行治理，可有效提高配電系統運行的穩定性。延長教學配套設備及電力設備的使用壽命，降低故障率，減少配電系統安全隱患，節約能源。

關鍵詞：高校供配電系統；電能質量；諧波危害及治理；無功補償；系統解決方案

0.引言

學校的智能化辦公大樓、教學樓的空調和照明設施、高校工程中心變頻器設備、高校圖書館及學術報告廳大量使用各種舞臺燈光、音響和升降設備以及電子信息用電設備和LED燈具，另外包含高校實驗室的儀器測量實驗設備等，都會給系統帶來嚴重的諧波污染，學校配電系統的電能質量問題很可能導致設備損壞、影響正常教學進度等不良影響，所以對學校行業的電能質量治理顯得尤為重要。

1.圖書館及學術報告多功能廳

圖書館及學術報告多功能廳作為重要的科研、學術會議和文化交流場所，涉及大量各種舞臺燈光、舞臺音響、舞臺升降設備以及LED顯示屏電子信息用電設備和調光器、LED熒光燈等，設備運行所要求的高安全性和準確性對電能的使用提出更高的要求。這些非線性負荷大量使用帶來嚴重的電力污染，諧波帶來電力系統的不穩定，對電氣設備產生危害。普通照明大量采用LED燈具，導致照明配電干線電流波形有畸變，產生的諧波電流主要為3N次諧波為主，對N線的影響較大。多功能廳舞臺燈光諧波主要是由晶閘管調光器引起，每個調光器實質是一個單相交流調壓器，調光器輸出電壓波形除含有50Hz的基波成分外，還含頻率為基波分量整數倍的高次諧波。這些高次諧波通過導線傳導到其他負載，引起電源電壓波形畸變，且以3、5、7次諧波為主。多功能廳舞臺音響是一些專業電子信息設備，尤其是電聲學系統、通信系統會產生大量3、5、7次諧波。多功能廳舞臺升降設備產生大量的3、5、7次諧波電流，是主要的諧波源。

2.高校供配電系統諧波源及其特點

高校供配電系統中的諧波源主要來自四個場所：綜合教學辦公樓（涉及電梯、變頻空調、水泵、照明設施、計算機通信設備等）、圖書館及學術報告多功能廳（涉及大量各種舞臺燈光、舞臺音響、舞臺升降設備以及LED顯示屏電子信息用電設備和調光器、LED熒光燈等）、科研場所及實驗室（涉及高新儀器、儀器測量設備、開關電源、整流/逆變器、UPS/EPS等諧波源)和體育館及校史館（涉及變頻空調、風機通風設備和數量較多的LED熒光燈等），具有頻譜寬、畸變率高、種類雜和數量多等特點。

2.1綜合教學辦公樓

高校中教學辦公樓常用到的負載設備有電梯、變頻空調、水泵、照明設施、計算機通信設備等，目前學校均使用多媒體教學，計算機的數量很多，此外服務器等數據存儲系統配有UPS等備用電源。個人電腦的開關電源及UPS均為諧波源，會產生大量的3、5、7、9等（2n±1)次諧波；學校安裝的空調基本都是變頻空調，電梯也是采用變頻驅動的三相負載，會產生大量的3、5、7、9等（2n±1)次諧波，影響到整個學校供配電系統的穩定性；同時學校中照明設備大部分使用的是熒光燈，熒光燈會產生較高的3次諧波。

2.2科研場所及實驗室

實驗室作為重要的教學科研場所，由于高校的教學和科研要求，大量的敏感設備需要“干凈”的電網環境以保障系統的正常運行。例如很多理工科高校的實驗室包括自動化系的嵌入式系統實驗室、工程物理系的加速器實驗室、生物醫學系的核磁共振譜儀實驗室、材料系的燒結實驗室，一般皆會涉及高新儀器、儀器測量設備、開關電源、整流/逆變器、UPS/EPS等，同時也是作為較大的諧波源。類似嵌入式系統實驗室等存在大量開關電源負載的場所由于其負載的特點，會產生明顯的3次、5次和7次諧波，需要特別注意3次諧波電流對中性線的影響。

2.3體育館及校史館

體育館及校史館作為學校的運動娛樂和觀光場所，這類場所涉及負載種類較少，一般為變頻空調、風機和數量較多LED照明設備等。變頻器負載本身功率因數比較高，有時無功為容性，諧波主要以6N±1次諧波為主；LED照明負載主要以3N次諧波（零序電流）為主，會對N線造成影響。3 次諧波是零序諧波，導致諧波電流在中性線疊加，中性線上的電流是相線電流的2倍以上，鑒于進線斷路器為三極斷路器，不檢測中性線電流，即使中性線電流超過導體允許載流量，斷路器也不會動作，這可能造成中性線超溫、絕緣老化，發生接地故障，導致中斷供電甚至發生電氣火災，危及到學校師生的安全。

3.諧波危害

高校的供配電系統中使用大量非線性負載導致諧波電流和諧波電壓的出現，對整個供電電網是一種污染，同時諧波對其它用電設備的正常運行也會造成危害。高校所涉及到的非線性負載設備對配電系統產生的諧波的危害主要體現在如下方面：

3.1對電網的影響

高校中非線性負載設備產生的諧波若流入電網，會造成電網的波動，增加電力系統損耗，使設備發熱，影響設備使用壽命。此外n次諧波會使并聯的無功補償電容器（容抗）與系統（感抗）之間發生并聯諧振，造成電容器組的過電壓和過電流。

3.2對變壓器的影響

諧波電流使變壓器的銅耗增加，諧波電流的存在，不僅會降低系統供電質量，增加變壓器及系統損耗，還會影響系統功率因數，降低變壓器的使用裕度和使用壽命。變壓器一次側繞組若為三角形聯結，由于高校圖書館及學術報告多功能廳采用大量的LED燈和LED顯示屏，其產生的大量3次諧波電流會在變壓器一次側所形成的一個閉合回路內流通，進而增加變壓器本體的銅損和鐵損，使變壓器運行溫度升高。

3.3對電容柜的影響

電網諧波對無功補償并聯電容器的運行有較大影響，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，使電容器的運行電流變大，溫升變高，引起過熱而降低電容器的使用壽命或使電容器損壞。疊加在電容器基波電壓上的諧波電壓，不僅使電容器運行電壓的有效值變大，而且可能使峰值電壓變大很多，使電容器在運行中發生局部放電不能熄滅，這是電容器損壞的一個主要原因。另外，無功補償并聯電容器對諧波電流還具有放大作用，電容器對諧波電流放大一般為2-3倍，諧振時可達20倍以上。

3.4對教學網絡通信系統的影響

諧波對高校教學網絡通信系統干擾的大小由三個因素綜合決定：電力線路諧波電壓和諧波電流大小，電力線路和通信線路之間的耦合強度，通信線路對諧波干擾的敏感程度。電網中不平衡諧波電流對校園網通信系統，輕則產生噪聲干擾，降低通信質量，重則導致整個教學信息和數據丟失，使系統癱瘓而無法正常工作。在多個中性點接地電網中，如有較大零序分量諧波電流通過中性點流入大地，將嚴重干擾附近通信系統。通常音頻通道的頻率為200~3500Hz，而很多諧波也在這個范圍，易對臨近的電話線路產生靜電感應和電磁感應，輕則引起可以察覺的雜音甚至觸發電話響鈴，重則危及設備和操作人員安全。

4.高校電能質量主要特征

（1）教育始終是國家重視的部分，各地高校建設依然是國家關注的重點。

（2）高?？蒲袑嶒炇液蛨D書館及學術報告多功能廳作為重要的科研、學術會議和文化交流場所，其涉及到的較多非線性負載設備嚴重影響了整個供配電系統的電能質量，因此需要針對性的進行電能質量治理。

5.高校電能質量監測與治理系統解決方案

5.1解決方案

高校用電負荷主要是照明、電梯、空調，這類負荷較輕電能質量比較好，往往產生大的諧波較少。但是在高校的實驗樓有很多特殊的實驗設備，含有一些非線性設備，會產生諧波，電能質量較差。會給電力系統帶來嚴重的諧波污染，學校配電系統的電能質量問題很可能導致其他用電設備損壞、影響正常教學進度等不良影響，所以對學校行業的電能質量治理顯得尤為重要。

我司提出的電能質量監測與治理系統解決方案可滿足電力監控管理、運維與電能質量治理等方面的需求，致力于為高校提供一站式的整體解決方案，從產品、系統、服務等不同方面來滿足高校的需要，為高校的整體運作創造價值。

5.2方案特點

（1）高校電能質量監測與治理系統除作為本地終端為高校后勤運維人員提供電能質量監測、治理與設備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理系統平臺，為高校提供遠程在線服務和運維管理；

（2）采用全控型技術實現高校用電的電能質量；

（3）專業化的電能質量監測：電能質量實時在線監測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；

（4）電能質量監測與治理系統裝置采用整體設計，并可通過上位平臺實現統一管理和閉環控制；

（5）高品質電能質量治理：配套電力電子裝置技術過關、質量過硬，具備網絡化、可調控、快速響應的性能；

（6）電能管理務業務綜合協同：配電監控管理與運維、電能分析與電能質量數據共享融通，為高校的電能供給與消費提供控制手段。

5.3方案價值

（1）全面監測電能質量，保障供電可靠性

對供電回路的電氣參數進行全面監測，確保設備用電符合標準要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時記錄故障發生時全部數據信息，支持開展故障追蹤與問題定位。

（2）完整電能質量治理

通過集中+就地（終端）整體電能質量治理模式，更大程度滿足無功和諧波治理的要求，提高整個高校供配電系統的電能質量，降低無功及諧波對配電系統、變壓器、輸電線路及整個校園網絡通信造成損害，以至于減少對教學活動的影響。

6.電能質量監測與治理產品選型

6.1集中治理

高校建筑中良好的電能質量是保證正常教務教學工作的前提和基礎，可通過電能質量在線監測裝置對整個學校的低壓供配電系統（10KV至0.4KV）進行電能質量在線監測，其中包含功率因數監測、諧波分析和記錄、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測、電壓不平衡度監測、事件記錄、測量控制等功能為一體，能夠滿足學校整個供電系統電能質量監測的要求。由于高校建筑中一般會涉及到電梯、變頻空調、大型水泵、照明設施及數量較多的計算機、投影儀和音頻等網絡通信設備，上述設備在運行過程中會產生各種諧波和無功需量，為減少諧波對電網側的危害和影響，同時確保無功功率因數達到國標要求值，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式.

6.2末端治理

針對末端采用大量LED燈照明設備及調光器等負載的場所，例如圖書館、學術報告多功能廳和體育館等，由于該類照明裝置主要負荷類型為開關電源型，諧波電流以3次諧波電流為主，3次諧波電流作為零序電流，三相矢量角度一致，因此向N線進行疊加，導致N線電流過大，對整個配電系統的影響較大，因此需要單獨進行末端治理；另外科研實驗室中大量的敏感設備需要“干凈”的電網環境才能保障系統設備的正常運行，為了降低非線性負載對其他設備諧波的影響，也需要針對性地進行就地治理。

7.湖北省某高校電能質量治理項目案例

7.1項目背景

以湖北省某重點高校電能質量治理項目為例，根據學校后勤人員反饋，該校主校區綜合教學樓頻繁出現跳閘現象，另外高校食堂配電房電容柜內電抗器出現燒焦和N線線纜過熱的情況，由于綜合教學樓和食堂分別涉及變頻空調、計算機通信設備、LED燈照明和水泵等負載，運行過程中會產生諧波并對整個供配電系統造成影響，現對綜合教學樓和食堂所在的配電房進行測量，并根據相應的電能質量數據給出相應的治理方案。

7.2測量結果

（1）主校區綜合教學樓配電室諧波測量數據

（2）食堂配電室諧波測量數據

從上述兩組測量數據可以得出綜合教學樓的諧波主要為5次和7次為主，電流畸變率最多為22%，對于5次和7次諧波可通過在配電房集中治理，消除諧波對整個供配電系統、變壓器、無功柜和其它用電設備的影響，從而保證正常的教學工作；食堂配電室諧波較嚴重，3次和5次諧波已超過了國家GB/T14549-1993《電能質量 公用電網諧波》0.38KV系統各次諧波及諧波電流值標準?，F場電容柜串接7%電抗，3次和5次諧波流入電容柜，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，使電容器的運行電流變大，溫升變高，引起過熱而降低電容器的使用壽命或使電容器損壞。由于3次諧波屬于零序諧波電流，三相矢量角一致，會在N線上進行線性疊加，N線電流約223A，已經超過了相線上的電流值，N線電流過大會造成中性線超溫、絕緣老化，發生接地故障，從而導致中斷供電甚至發生電氣火災，可對其進行末端就地治理，防止諧波對N線造成損害，保護線路，同時減少火災的發生。

7.3治理方案

根據綜合辦公樓和食堂的諧波測量結果，并各自給出相應的電能質量系統治理解決方案，具體方案如下：

方案一：集中治理：建議配電房無功柜改造，現場電抗器的電抗率為7%，應改為14%電抗，可以抑制3次和5次諧波流入電容柜而導致電容損壞，并結合AnSin-G Ⅰ型有源諧波治理系統裝置進行集中諧波治理，消除諧波對配電系統的干擾，保證良好的教學工作；或將無源電容柜更換為AnCos-G Ⅰ型有源無功補償系統裝置進行無功補償，同時在滿足裕量充足的情況下可補償諧波電流。

方案二：就地治理：由于食堂涉及較多LED燈照明設備和通風機，建議在食堂的各樓層配電間或負載末端加裝ANSNP中線安防保護器，治理3N次諧波和三相不平衡導致N線電流過大問題，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個配電系統和其他用電設備，保護N線，減少電氣火災的發生，保障師生的人身安全。

7.4類似案例

北方民族大學項目、廣東師范大學河源校區電能質量改造項目、中國藥科大學項目、南京農業大學白馬教學科研基地增容工程項目

8.結論

隨著現代化教學、電子圖書館等先進教學手段的不斷引入和加深，大量的非線性電力電子設備涌現，在提升高校綜合教學質量的同時，也給整個學校的供配電系統的電能質量帶來了嚴峻的考驗，特別是多功能報告廳和科研實驗室等，負載設備多樣，諧波產生和變化有很大的隨機性和復雜性。通過對高校建筑供配電系統的電能質量進行研究，并結合系統平臺提出合理的整體解決方案，對改善高校的供電質量，提高電網的安全和經濟運行以及降低能耗，保障教學設備的性能，提高教學質量，保障師生安全均有重要意義。