空管設(shè)備機(jī)房供配電系統(tǒng)諧波分析與治理

摘 要：空管設(shè)備機(jī)房非線性負(fù)載產(chǎn)生大量的諧波電流，這些諧波電流會(huì)引起空管機(jī)房供配電系統(tǒng)的電壓和電流畸變率高、功率因數(shù)降低，線路損耗增加、對(duì)通信線路和設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾等現(xiàn)象。通過(guò)分析某空管設(shè)備機(jī)房供配電系統(tǒng)中存在的諧波問(wèn)題，并結(jié)合相關(guān)計(jì)算和加裝有源濾波器前后測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明空管機(jī)房供配電系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)諧波治理后諧波電流明顯減小、輸入功率因數(shù)提高，對(duì)提升電能供電質(zhì)量、減輕供電線路的損耗、提升供電設(shè)備的有效利用率有顯著作用。

關(guān)鍵詞：空管；設(shè)備機(jī)房；供配電；諧波分析與治理

1 空管設(shè)備機(jī)房供配電系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因

理想的供配電系統(tǒng)中，電流和電壓波形都是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。但是在實(shí)際的供配電系統(tǒng)，存在著大量的非線性負(fù)載，當(dāng)電流通過(guò)這些非線性負(fù)載時(shí)就會(huì)產(chǎn)生非正弦電流 ，造成電路中的電流和電壓畸變 ，稱為諧波?？展茉O(shè)備機(jī)房的供配電系統(tǒng)中存在著大量的非線性負(fù)載，如服務(wù)器、磁盤陣列、直流電源和UPS等。

2 空管設(shè)備機(jī)房供配電系統(tǒng)諧波的危害

諧波的大量出現(xiàn)會(huì)對(duì)空管設(shè)備機(jī)房供配電系統(tǒng)帶來(lái)以下危害：

1）諧波對(duì)空管設(shè)備機(jī)房供配電系統(tǒng)的前端供電系統(tǒng)中的組件產(chǎn)生了附加的諧波損耗 ，降低電力變壓器和柴油發(fā)電機(jī)等設(shè)備的使用效率 ，過(guò)量的三次諧波電流流過(guò)中線時(shí) ，還會(huì)導(dǎo)致線路過(guò)熱甚至引起火災(zāi)等事故。

2）增加空管設(shè)備機(jī)房前端供電線路的損耗，降低線路的壽命。諧波電流一方面會(huì)在供電線路產(chǎn)生諧波壓降，另一方面還會(huì)增加供電線路的損耗。

3）諧波會(huì)引起空管設(shè)備機(jī)房前端供電系統(tǒng)各別局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振 ，從而使諧波放大 ，導(dǎo)致供電安全性下降、發(fā)電機(jī)不能帶載、UPS系統(tǒng)在油機(jī)發(fā)電供電時(shí)不能與發(fā)電機(jī)輸出頻率同步而引起蓄電池組過(guò)放電等危險(xiǎn)情況。

4）諧波頻率很高，可能會(huì)引起電磁干擾，對(duì)空管的通信線路和設(shè)備會(huì)產(chǎn)生影響。

3 諧波治理方法

諧波治理方法主要有兩大類：1）無(wú)源濾波器，在諧波源處設(shè)置無(wú)源的單調(diào)諧及高通濾波器吸收諧波電流，此外還可以對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。2）有源濾波器，在諧波源處設(shè)置并聯(lián)或串聯(lián)的有源濾波器，可以補(bǔ)償或隔離諧波，并聯(lián)型的有源濾波器還能完成無(wú)功補(bǔ)償。

無(wú)源濾波器具有成本低、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)但同時(shí)具有只能對(duì)特定諧波進(jìn)行濾波、濾波器參數(shù)影響濾波性能、濾波特性和電網(wǎng)參數(shù)相關(guān)、可能會(huì)發(fā)生與系統(tǒng)阻抗串并聯(lián)諧振等缺點(diǎn)。

有源濾波器工作原理是提供給諧波電流或諧波電壓一個(gè)在諧振頻率處等效導(dǎo)納為無(wú)窮大的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或等效阻抗為無(wú)窮大的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。與無(wú)源濾波器相比，有源電力濾波器理論上可以擁有無(wú)窮多個(gè)諧振頻率，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響2）與系統(tǒng)阻抗不會(huì)發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振3）動(dòng)態(tài)治理，治理效果不會(huì)受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響4）迅速響應(yīng)諧波的變化5）電網(wǎng)相關(guān)參數(shù)變化，諧波補(bǔ)償?shù)奶匦圆皇苡绊?）具備多種補(bǔ)償功能。

4 空管設(shè)備機(jī)房供配電系統(tǒng)諧波分析和治理

4.1 空管設(shè)備機(jī)房供配電系統(tǒng)配置

某空管設(shè)備機(jī)房供配電系統(tǒng)配置如下：

1）中壓配電系統(tǒng)（10KV）為二路市電分段母線供電方式，設(shè)置有聯(lián)絡(luò)柜。

2）低配配電系統(tǒng)由2套2000KVA低壓配電系統(tǒng)組成，通過(guò)聯(lián)絡(luò)柜形成單母分段供電方式。同時(shí)配置2臺(tái)1200KW的柴油發(fā)電機(jī)組（并機(jī)系統(tǒng)）作為市電停電后的后備電源保障。

3）UPS供配電系統(tǒng)：配置4臺(tái)容量為400kVA的12脈沖整流UPS，每2臺(tái)（1+1）UPS組成一套并機(jī)系統(tǒng)，每臺(tái)UPS配置120只12V180Ah電池，四臺(tái)合計(jì)480只。UPS1系統(tǒng)由UPS1-1和UPS1-2兩臺(tái)并機(jī)組成一組供電系統(tǒng)，兩臺(tái)互為冗余；UPS2系統(tǒng)由UPS2-1和UPS2-2兩臺(tái)并機(jī)組成另一組供電系統(tǒng)，兩臺(tái)互為冗余。常運(yùn)行時(shí)每組UPS 各帶一半負(fù)荷，當(dāng)任意一組UPS 故障或線路故障時(shí)，該組UPS 的全部負(fù)荷自動(dòng)切換由另一組UPS 所帶。

4.2 諧波分析

空管設(shè)備機(jī)房主要的諧波源來(lái)自于直流電源、服務(wù)器、磁盤陣列和UPS等，其中最大的諧波來(lái)源為UPS系統(tǒng)。

本套系統(tǒng)要求單臺(tái)UPS可以帶全部負(fù)載，因此最大負(fù)荷為400KVA。

UPS輸入輸出參數(shù)：輸入電壓Vin=380V， 視在功率 Sout=400KVA，輸入功率因數(shù) PFin=0.9，輸入電流諧波總畸變率THDi=8

%， 輸出功率因數(shù)PFout=0.9，滿載時(shí)UPS效率為η=93.5%。

4.3 諧波治理

根據(jù)空管機(jī)房供配電系統(tǒng)的安全性和重要性同時(shí)又因?yàn)橛性措娏V波器具有濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響、動(dòng)態(tài)治理，能夠迅速響應(yīng)諧波的頻率和大小發(fā)生的變化、具備多種補(bǔ)償功能，同時(shí)可以對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償、諧波補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此選擇有源電力濾波器對(duì)空管機(jī)房供配電系統(tǒng)進(jìn)行諧波治理。

UPS輸入端含有的總諧波電流為51.8A，同時(shí)考慮10%的裕量，選擇三相四線額定電壓400V額定容量為60A的有源濾波器。

假設(shè)所有的諧波得到補(bǔ)償，那么計(jì)算如下：

5 結(jié)語(yǔ)

1）諧波治理后總輸入電流無(wú)明顯變化。

2）諧波治理后，輸入功率因數(shù)有了一定的提高，UPS前端供電線路的損耗變小，發(fā)熱現(xiàn)象減少。

3）諧波電流明顯減小，提高電力變壓器和柴油發(fā)電機(jī)等設(shè)備的使用效率。按照研究數(shù)據(jù)：諧波電流下降到5%以內(nèi)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組配置容量只需要達(dá)到負(fù)載容量的1.2-1.5倍。

綜上，諧波治理后節(jié)能效果不是特別明顯，但它對(duì)提高電能供電質(zhì)量，減輕供電線路的損耗有一定作用，同時(shí)可較大幅度提高供電設(shè)備的有效利用率，延長(zhǎng)電源設(shè)備的使用壽命，提高供電可靠性。因此空管機(jī)房供配電系統(tǒng)進(jìn)行諧波綜合治理有著很重大的意義。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

徐偉，民航重慶空管分局，工程師，重慶江北機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建指揮部。