諧波干擾下建筑電氣10kV低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李秀珍　孫志城

摘 要： 在對建筑物當(dāng)前和遠(yuǎn)期用電負(fù)荷準(zhǔn)確評估的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)?；谟秒娯?fù)荷的評估和整個(gè)建筑的布局，合理地設(shè)計(jì)低壓配電系統(tǒng)的硬件部分；對低壓配電系統(tǒng)中存在的諧波干擾進(jìn)行檢測，并針對主要諧波源及其特點(diǎn)，制定防范和處理措施；基于建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，制定系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程。實(shí)驗(yàn)證明了提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠有效地控制和減少短路及其他電氣故障的發(fā)生，穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞： 諧波干擾； 低壓配電； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 用電負(fù)荷評估

中圖分類號： TN011+.92?34； TB21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0164?04

Abstract： On the basis of accurate assessment of the current and long?term building electrical load， a 10 kV low?voltage power distribution system for building electric equipments was designed. According to the assessment of electric load and layout of the whole building， the hardware unit of the low?voltage power distribution system was designed reasonably. The harmonic interference existing in the low?voltage power distribution system is detected. Aiming at the main harmonic source and its characteristics， the precaution and treatment measures are formulated. The design flow of the system software is formulated on the basis of the hardware system design of 10 kV low?voltage power distribution system for the building electric equipments. The experimental results show that the designed system can control and reduce the situations of short circuit and other electrical faults effectively， and is stable and reliable.

Keywords： harmonic interference； low?voltage power distribution； system design； electrical load assessment

0 引 言

低壓配電系統(tǒng)[1?2]負(fù)責(zé)整個(gè)建筑物的電力供應(yīng)[3?4]，建筑物的低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理、有效，將直接影響整棟建筑用電系統(tǒng)和設(shè)備能否正常運(yùn)行[5?6]。本文在對建筑物當(dāng)前和遠(yuǎn)期用電負(fù)荷準(zhǔn)確評估的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)。

基于對整棟建筑用電負(fù)荷的評估和系統(tǒng)布局的評價(jià)，合理地設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。但由于建筑物中辦公、照明、空調(diào)等用電器的大量存在導(dǎo)致非線性負(fù)荷的過度使用而產(chǎn)生諧波，影響供電系統(tǒng)安全。對低壓配電系統(tǒng)中存在的諧波干擾進(jìn)行檢測，并針對主要諧波源及其特點(diǎn)，制定防范措施。基于建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)的軟件流程的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明了提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠有效地減少短路和其他故障的發(fā)生、性能穩(wěn)定可靠。

1 建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 建筑物總用電負(fù)荷的評估

對建筑物低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)之初，首先要評估整個(gè)建筑物當(dāng)前和遠(yuǎn)期的用電負(fù)荷，使低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和整個(gè)建筑物的負(fù)荷相匹配。配電系統(tǒng)能力設(shè)計(jì)不足，不能滿足供電需要；反之，又會(huì)造成資源和能源的浪費(fèi)。整個(gè)建筑物的保障負(fù)荷包括：不間斷交流系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、專用空調(diào)、數(shù)據(jù)終端用電設(shè)備等。當(dāng)前的用電負(fù)荷預(yù)估表，如表1所示。

依據(jù)中遠(yuǎn)期的規(guī)劃，未來需要擴(kuò)充辦公區(qū)域、增加網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、增加機(jī)房及空調(diào)等，如表2所示。

表2 建筑物未來用電負(fù)荷預(yù)期

通過對建筑物當(dāng)前負(fù)荷的預(yù)估和未來用電負(fù)荷的預(yù)期，總用電負(fù)荷為1 072 kV·A，可以設(shè)計(jì)和使用10 kV的低壓配電系統(tǒng)。

1.2 建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建筑電氣10 kV低壓配電硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分布，是整個(gè)低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心和軟件系統(tǒng)運(yùn)行的載體，因此硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性至關(guān)重要。建筑電氣10 kV低壓配電硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)（含市電電源、應(yīng)急電源和UPS電源）、變配電所的布置、配電設(shè)備的選用等。圖1為建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)電路示意圖。建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)的電源可靠性要求較高。系統(tǒng)內(nèi)的市電電源應(yīng)與應(yīng)急電源能夠保持自動(dòng)切換，對于機(jī)房空調(diào)、辦公照明等設(shè)備中的負(fù)荷應(yīng)采用放射式雙回路配電，電源的負(fù)荷在設(shè)備中應(yīng)能夠自由地進(jìn)行切換。

電源切換采用自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，低壓配電系統(tǒng)輸入端市電電源與自備應(yīng)急電源切換采用自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，需考慮使用條件和周圍環(huán)境引起的容量損失。

建筑物設(shè)置獨(dú)立式 10 kV總配電所，發(fā)電機(jī)房和設(shè)備機(jī)房要特別注意通風(fēng)和穩(wěn)定控制和消防要求，建筑電氣10 kV的變電所布置如圖2所示。

低壓配電系統(tǒng)配電設(shè)備的選擇包含低壓配電柜、斷路器、浪涌保護(hù)器、無功補(bǔ)償設(shè)備等。低壓配電柜分為抽屜式柜型和固定式柜型，如圖3所示。抽屜式低壓配電柜[7]主要用于電機(jī)對回路的控制，方便快捷。固定式低壓配電柜[8]組裝零部件少，結(jié)構(gòu)簡單，能夠很好地控制成本。抽屜柜低壓配電柜把接觸器、斷路器等一起分離，更換部件靈活快捷，但有時(shí)會(huì)影響柜體的耐用度。

固定式低壓配電柜主要用于配電回路和一些大功率的控制回路。對于回路較多的情況，抽屜式配電柜的使用和維護(hù)更為方便。本文的10 kV低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的配電柜采用抽屜式設(shè)計(jì)。

斷路器是低壓配電系統(tǒng)的主要安全部件，斷路器質(zhì)量等級和容量大小與系統(tǒng)安全緊密相關(guān)?？蚣軘嗦菲鞯姆?jǐn)嗨胶芨撸杀Ｕ蠑嚅_電源的中性線電流對低壓配電系統(tǒng)的損壞，主進(jìn)線及聯(lián)絡(luò)開關(guān)均要采用四級斷路器。圖4為斷路器電路系統(tǒng)示意圖。

浪涌保護(hù)器是建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)的電源防雷器，其雷電通流量不應(yīng)低于 50 kA。為了降低系統(tǒng)損耗、提高供電質(zhì)量，需要安裝無功補(bǔ)償柜。無功補(bǔ)償柜一般選擇變壓器容量的40%。建筑電氣10 kV低壓配電硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括電源系統(tǒng)、變電所及低壓變電設(shè)備的選用。但在低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行過程中，建筑物中大量非線性負(fù)荷的使用，會(huì)產(chǎn)生諧波，嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)安全，因此必須對低壓配電系統(tǒng)中存在的諧波干擾進(jìn)行檢測和濾除。

1.3 諧波干擾的檢測與濾除

建筑物里的關(guān)鍵諧波源設(shè)備有照明系統(tǒng)的熒光燈鎮(zhèn)流器、節(jié)能燈；打印、復(fù)印及繪畫設(shè)備；電梯、空調(diào)軟啟動(dòng)器、變頻器等。其中照明系統(tǒng)和辦公設(shè)備是關(guān)鍵的諧波源，照明設(shè)備的電流互相重疊，像節(jié)能燈照明會(huì)形成 20%以上的3次諧波，辦公設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生很高的諧波畸變率，其他設(shè)備的諧波含量一般也在 10%～20%。

由于大量非線性設(shè)備的存在，使建筑物低壓配電系統(tǒng)諧波畸變嚴(yán)重，因此要在低壓配電系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)中加入濾波器進(jìn)行去諧波處理。低壓配電系統(tǒng)主要采用三相四線有源電力濾波器來對諧波進(jìn)行檢測和濾除。首先對負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流含量進(jìn)行現(xiàn)場測試，采用疊加的方法計(jì)算了由多個(gè)非線性負(fù)荷相乘的諧波電流；在辨別各樣非線性負(fù)荷的諧波電流含量后，對不一樣的諧波源間的各次諧波實(shí)行疊加，能先把當(dāng)中前兩個(gè)諧波源形成的諧波實(shí)行疊加；然后再和第三個(gè)諧波源疊加治理。兩個(gè)諧波源的某次諧波電流為[I21k+I22k+λkI21kI22k]，其中[I1k]為首次諧波源第k次電流，[I22k]為第二次諧波源的第k次電流等，[λk]為濾波系數(shù)，其取值范圍依據(jù)k的變化而變化，需要濾除的諧波總電流有效值為[I′]：

根據(jù)[I′]來確定不同的濾波電流和修正系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對諧波的濾除。

1.4 建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)的軟件工作流程

完成對建筑電氣10 kV低壓配電硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并增加有源電力濾波器后，基于硬件系統(tǒng)來設(shè)計(jì)低壓配電系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。低壓配電系統(tǒng)的軟件流程包括網(wǎng)絡(luò)搭建、參數(shù)選定、網(wǎng)絡(luò)檢測、電網(wǎng)計(jì)算、系統(tǒng)評價(jià)及顯示結(jié)果等，具體的軟件流程圖，如圖5所示。

首先來搭建低壓配電網(wǎng)，需要明確是否對網(wǎng)絡(luò)容量實(shí)行自動(dòng)選型。若選取自動(dòng)選型的方式，那么系統(tǒng)自動(dòng)依據(jù)負(fù)載容量決定變壓器容量；若選取的是手動(dòng)選型的方式，由用戶決定網(wǎng)絡(luò)容量。然后實(shí)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及設(shè)備參數(shù)的選取，結(jié)果如表3及表4所示。

電網(wǎng)檢查程序是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成的，其檢查步驟如圖6所示。此步驟很容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，要詳細(xì)的檢測各項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容，保證電網(wǎng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性。需要計(jì)算的內(nèi)容包括：計(jì)算電流負(fù)荷、選擇導(dǎo)體、計(jì)算電壓降、計(jì)算短路電流等，計(jì)算的詳細(xì)步驟如圖7所示。電網(wǎng)計(jì)算完后，自動(dòng)對電氣選型?？梢圆榭磾嗦菲鬟x擇性。

計(jì)算流程結(jié)束后，低壓配電系統(tǒng)會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行評價(jià)，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫。本文設(shè)計(jì)了一種建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)。首先對整個(gè)建筑用電負(fù)荷進(jìn)行評估，在檢測和濾除諧波干擾的同時(shí)，合理地完成低壓配電硬件系統(tǒng)和軟件流程的設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以安裝本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的某建筑物為例，針對建筑電氣10 kV低壓系統(tǒng)有效性，進(jìn)行了跟蹤測試和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在控制短路次數(shù)，及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面對比安裝本系統(tǒng)之前有較大幅度的改善。

從表5統(tǒng)計(jì)的短路次數(shù)可以看出，安裝本文系統(tǒng)后建筑物短路次數(shù)大幅減少。對安裝本低壓配電系統(tǒng)前后各一年時(shí)間，整個(gè)建筑物各種形式的電路系統(tǒng)故障情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對比，分別擬合成曲線如圖8所示。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠更好地控制故障率、穩(wěn)定有效。

3 結(jié) 語

本文通過對某建筑物用電負(fù)荷的評估，設(shè)計(jì)了一種建筑電氣10 kV低壓配電系統(tǒng)。在檢測和濾除諧波干擾的同時(shí)，合理地完成了低壓配電硬件系統(tǒng)和軟件流程的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)證明本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了較好的預(yù)期效果。

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