校園低壓配電系統諧波治理
——以北京師范大學為例

廖春成，廖春龍，張淑靜

(1.北京師范大學總務，北京 100875，2.中國移動通信集團湖南有限公司，湖南 長沙 410100，3.揚州市職業大學,江蘇 揚州 225009)

1 引言

北京師范大學作為“雙一流”建設的高校之一，安全科學用電是保障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、電梯傳送系統等辦學條件的配套設施的不斷改善，以及照明系統的節能不斷改造等，大量非線性電力電子設備涌現[1]。如數據中心的UPS，給水、空調系統的變頻驅動器，學生活動中心、邱季端等體育場館的照明燈光設備，帶有電子鎮流的照明燈具，教學、辦公電腦等。這些非線性電力電子設備的使用，帶來諧波污染、增大無功功率、三相不平衡等電能質量問題，對配電系統的電能質量產生巨大的影響和危害[2]。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，勢在必行。

2 供配電系統

北師大海淀校園供配電系統采用的是10/0.4 kV電壓等級供電，校供配電系統采用四路10 kV進線系統供電，主配電室、京師大廈兩個10 kV配電一級站。校區建筑面積達80萬m2，用電負荷分散。總配變電所和分配電所成輻射方式，系統規模龐大，結構比較復雜。全校供電容量達到49185 kVA，共有變配電所27處，變壓器共計56臺。10 kV供電平面圖如圖1。

圖1 校園10 kV供電平面

該校電網自海淀校園建立以來，建筑逐年不斷增加，電網不斷增容，原有布局已被打亂。積累了不少問題：供電不平衡；臨時線路過多；部分老站點和線路年久失修，供電安全隱患較多；非線性電子設備激增導致跳閘、能源浪費嚴重。需要統籌規劃，對現有電網設施進行系統改造，以確保安全、合理供電，利于節能降耗，建設節約型校園。

3 諧波產生、危害和治理

隨著校園內智能給排水、變頻空調、LED燈管等各種非線性、沖擊性的電力電子器件的負載大量使用，電網積累一定量的諧波，使得正弦電流發生畸變，這種非正弦電流反過來再電網阻抗上產生壓降，會使得電壓波形也變成正弦，污染電力系統，降低整個系統運行環境質量，導致系統可靠性下降。對這種非正弦波進行傅里葉分解，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]。

電網諧波會降低向用戶的電能質量對電網和用電設備造成危害，嚴重時影響供電可靠性。如采用并聯電容器組時，使得系統諧波因為諧振而放大，增加網絡和線路損耗；繼電保護電路中，使得設備失效，無法達到保護目的；對電話通信線路形成干擾，影響通話質量等[4]。

目前電力系統諧波的治理，主要有以下兩種途徑：①改進用電設備，使用電設備不產生或盡量少產生諧波；這種途徑主要受設備結構、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，濾除非線性負載產生的諧波。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域低壓用電設備進行諧波治理的有效設備，通過檢測電網系統諧波的特征，再借助變流器技術，產生與非線性負載側諧波，同頻率、同幅值、相位相差180°的補償波，相互疊加后對諧波進行抵消，從而達到治理諧波的目的。這種方式節能、節材、治理效果好，是諧波治理技術的最新發展方向，有著廣闊的發展前景。

4 APF治理諧波方案及效果

4.1 諧波測量

1993年7月，國家技術監督局發布了《電能質量 公用電網諧波》(GB/T 14549-1993)[8]，并于1994年3月開始實施。對0.4 kV電網諧波具體規定如表1。

表1 0.4 kV電網諧波電壓限制

根據改造要求，對科技樓、鍋爐房、冷庫、學十六樓四處低壓配電室12個測試點進行諧波測量，數據如表2。

表2 測試點諧波含量

測試數據表明，校內部分低壓配電系統都存在不同程度的諧波。受諧波影響，校內配電系統電能質量及安全系數都有所降低，嚴重時導致系統無故斷電。由于諧波電流的存在，使得負荷電流增大，占有變壓器容量，降低系統利用效率。另外，使系統變壓器、輸電線路溫升提高，降低設備使用壽命，存在引發電氣火災的安全隱患。

4.2 APF容量設計

根據實測數據結合實際，選擇最優的技術經濟方案波，是治理低壓供配電系統諧的關鍵要素。以總補償方式，在科技樓、鍋爐房、冷庫、學十六樓幾處典型位置加裝諧波治理裝備，解決系統電網諧波問題，治理低壓設備諧波污染，抑制其對系統的危害，提高低壓設備工作效率和安全性能。APF總補償方式治理諧波設計如圖3所示。

圖3 APF總補償方式治理諧波設計

根據諧波實測數據，按照系統平均工作效率對APF容量進行選擇，其容量設計如表3。

表3 APF容量設計

4.3 降耗節能分析

4.3.1 降耗估算

諧波電流導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，造成日常配電系統損耗加重，從而造成經濟損失。諧波電流導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電阻假設為0.67Ω，按照50A諧波電流計算，消耗功率達5025 W。

4.3.2 節能分析

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

采用APF對系統諧波電流進行補償治理，大大降低系統諧波含量，降低因諧波導致的設備升溫和老化，降容和能耗，提高供配電設備的使用效率，節約能源浪費，同時釋放系統容量約5%～10%，可一定程度減少電氣設備擴容投資，緩解系統運行壓力。且變壓器等供配電設備使用壽命延長，大大節約更新成本。

5 結語

校園供配電系統電力諧波的存在導致變壓器實際負載率降低，增加能源浪費，給供電設備和用電設備帶來不可忽視的危害，嚴重時縮短設備使用壽命。通過合理的電能質量管理，采用APF總補償方案對諧波進行治理，能有效降低諧波帶來的影響，減少能源經濟浪費。