辦公建筑諧波污染產(chǎn)生的原理及治理措施

朱立泉 / 丁進(jìn)勇

(山東同圓設(shè)計集團(tuán)有限公司, 山東 濟南 250101)

1 引言

現(xiàn)代辦公建筑中大量智能化系統(tǒng)(如信息設(shè)施系統(tǒng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、公共安全系統(tǒng)、智能化集成系統(tǒng)等)的運用，對電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求越來越高，電網(wǎng)中因大量非線性單相負(fù)荷存在而產(chǎn)生的大量諧波污染對智能化系統(tǒng)的運行造成了較大的不利影響。

《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》(GB 50174-2008)中對電源質(zhì)量提出了相應(yīng)的設(shè)計要求，穩(wěn)態(tài)電壓偏移范圍：A、B級±3%，C級±5%；輸入電壓波形失真度≤5%。

按規(guī)范相關(guān)內(nèi)容要求，辦公建筑電源系統(tǒng)總電壓諧波畸變率不應(yīng)超過5%，若超過該數(shù)值應(yīng)采取合理的治理措施，以使電壓波形畸變率控制在合理范圍內(nèi)，為辦公建筑智能化系統(tǒng)的正常運行提供一個安全的電源環(huán)境。

2 諧波的定義、產(chǎn)生原理及分類

諧波是基波(頻率為50Hz)頻率整數(shù)倍的正弦波電壓或電流，例如100Hz的正弦波稱為2次諧波,500Hz的正弦波稱為10次諧波，以此類推。

諧波的產(chǎn)生是由于線路存在大量的非線性負(fù)荷，當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與負(fù)載兩端的電壓不呈線性比例關(guān)系，就形成非正弦電流，即產(chǎn)生諧波電流。

當(dāng)多個諧波電流(或電壓)與基波電流(或電壓)相互疊加時，就形成了各式各樣的電流或電壓波形，即電流畸變或電壓畸變。圖1為5次、7次諧波與基波疊加的波形圖。

圖1 5次、7次諧波與基波疊加波形圖

在民用公共建筑尤其是辦公建筑中，諧波多為3、5、7、9等奇次諧波，基波電流或基波電壓是正弦波波形，當(dāng)線路中存在諧波時，基波波形就會發(fā)生畸變，存在的諧波成分越多，波形的畸變就會越嚴(yán)重。

根據(jù)影響的范圍及危害程度，諧波分為用戶側(cè)諧波和電力側(cè)諧波兩種。用戶側(cè)諧波是指40次以上的諧波，又稱高頻諧波；電力側(cè)諧波是指40次以下的諧波，又稱低頻諧波，尤以3、5、7、9等奇次諧波為代表。表1為各類諧波比較與治理方法。

表1 各類諧波比較與治理方法

3 某辦公建筑諧波污染的檢測及治理改造措施

1)通過前期對該辦公建筑的實地考察分析，發(fā)現(xiàn)該建筑中存在的電氣問題

(1)變壓器、電纜等設(shè)備出現(xiàn)過熱；

(2)無功補償裝置不能正常投切，且出現(xiàn)無故損壞事故；

(3)斷路器經(jīng)常無故跳閘；

(4)辦公室內(nèi)的燈具出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象；

(5)電腦主機屏幕頻閃，并出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運行不穩(wěn)定的現(xiàn)象；

(6)電力儀表測量不準(zhǔn)確。

2)該辦公建筑中存在的諧波污染源

經(jīng)過現(xiàn)場實地觀測，辦公建筑存在大量的諧波源，以上問題的出現(xiàn)應(yīng)該是電網(wǎng)中的諧波含量較高造成的。該辦公建筑的負(fù)荷分布相對來說較為集中，節(jié)能燈、景觀裝飾燈、臺式計算機、筆記本電腦、打印機、投影儀、變頻電梯、中央空調(diào)及UPS電源等為主要負(fù)荷，在整個負(fù)荷比例的分配中單相非線性負(fù)荷占據(jù)了較大的部分，主要諧波源可以分為以下幾類：

(1)照明設(shè)備：由于辦公建筑內(nèi)使用的節(jié)能熒光燈較多，導(dǎo)致嚴(yán)重的諧波電流，諧波主要為3次諧波，當(dāng)很多熒光燈連接在一起形成三相四線制負(fù)載時，就會流過大量的3次諧波電流。

(2)UPS和計算機：辦公樓內(nèi)現(xiàn)在大部分都是計算機網(wǎng)絡(luò)管理，大量的計算機要求服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)必須配備UPS和其他備用電源，計算機和UPS電源都是諧波源，這些設(shè)備將產(chǎn)生3、5、7、9次等諧波。

(3)變頻空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)：為了節(jié)約能源，大部分辦公建筑都使用變頻空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，變頻器是非常重要的諧波源，總諧波電流超過33%的失真率，會產(chǎn)生5、7次等諧波污染。

(4)其他如變頻電梯、變頻水泵、打印機、投影儀等，在整個負(fù)荷比例分配中占據(jù)的比例較少，但是在使用過程中卻能產(chǎn)生較大的5、7次諧波電流。

3)諧波治理措施運用前電源質(zhì)量檢測情況

經(jīng)過對某些電源回路實地諧波檢測，所得數(shù)據(jù)如圖2和圖3所示。

從圖2可以看出，電流的畸變率達(dá)到30%，電流諧波含量已經(jīng)大大超過了國家標(biāo)準(zhǔn)，主要為3、5、7、9、13、15次諧波。

圖3 檢測變壓器低壓總出線處的情況

從圖3中可以看出，電壓波形畸變率為2.2%，符合國標(biāo)不大于5%的規(guī)定；總電流約為1 kA，電流的畸變率達(dá)到14%，電流諧波含量已經(jīng)大大超過國標(biāo)的規(guī)定，主要為3、5、7、9、11、13、15次諧波。

4)諧波治理措施及措施運用后電源質(zhì)量檢測情況

通過上述內(nèi)容的歸類總結(jié)和比較，發(fā)現(xiàn)該建筑的配電系統(tǒng)中存在較多的諧波電流，應(yīng)采取科學(xué)合理的諧波治理方案才能有效去除系統(tǒng)的諧波成分,具體的諧波治理措施如下：

(1)更換變壓器設(shè)備，采用D,yn11接線組別的變壓器。在該聯(lián)結(jié)組別的變壓器中，3n次諧波勵磁電流在其一次繞組內(nèi)形成環(huán)流，不能注入到公共電網(wǎng)中去。

(2)在變配電室低壓總出線處設(shè)置有源濾波柜，進(jìn)行集中諧波治理。有源濾波裝置通過外部采集模塊采集電流信號送至控制PCB的諧波分離模塊，該模塊將基波成分分離，將諧波成分送至調(diào)節(jié)和檢測模塊，該模塊會將采集到的系統(tǒng)諧波成分與諧波治理裝置已發(fā)出的補償電流進(jìn)行比較，得到差值作為實時補償信號輸出到驅(qū)動電路，觸發(fā)IGBT逆變器將補償諧波電流注入到電網(wǎng)中，實現(xiàn)濾除諧波的功能。有源濾波柜安裝方式及位置如圖4所示。

圖4 有源濾波柜安裝方式及位置

(3)在用電設(shè)備末端配電箱處裝設(shè)有源濾波模塊，該模塊能在諧波源近端處及時有效地消除用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波成分，具體安裝方式及安裝位置如圖5所示。

圖5 有源濾波模塊安裝方式及安裝位置

在諧波治理措施運用后，該辦公樓的電源環(huán)境得到了很大的改善，上述問題基本解決，生產(chǎn)率得到了很大的提高，圖6和圖7所示是進(jìn)行諧波治理后的數(shù)據(jù)。

圖6 諧波治理前后電流波形和頻譜對比

圖7 諧波治理前后電流諧波畸變率及FFT對比

從圖6和圖7中可以看出電流波形在治理后得到了明顯的改善，諧波含量符合國家的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

1)諧波治理整體保護(hù)措施在既有辦公建筑電源質(zhì)量改善中的運用起到了很好的效果，具體如下：

(1)系統(tǒng)反應(yīng)動作迅速，濾除諧波可達(dá)到95%以上，明顯濾除電力系統(tǒng)諧波分量，使波形變得光滑完整，提高了電能質(zhì)量，保護(hù)了用電設(shè)備；

(2)各類電子、電氣設(shè)備的有功效率得到了很大的提高；

(3)降低了敏感性電子設(shè)備及元器件損壞的幾率，減少經(jīng)濟開支；

(4)降低了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運行故障，提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；

(5)減少燈具頻閃和電腦死機的情況，降低斷路器誤動作的概率，變壓器和線路過熱現(xiàn)象得到了有效的控制。

2)在運用諧波保護(hù)措施時，應(yīng)根據(jù)工程的性質(zhì)來選擇合理的諧波治理方案，在方案的選擇中應(yīng)結(jié)合電源側(cè)和用戶側(cè)同時治理并靠近諧波源治理的原則。

[1] 戴瑜興,張義兵.智能建筑諧波和無功功率的綜合治理[J].電工技術(shù),2003,12.

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