校园低压配电系统谐波治理——以北京师范大学为例

时间：2024-05-18

廖春成，廖春龙，张淑静

(1.北京师范大学总务，北京 100875，2.中国移动通信集团湖南有限公司，湖南长沙 410100，3.扬州市职业大学,江苏扬州 225009)

1 引言

北京师范大学作为“双一流”建设的高校之一，安全科学用电是保障教学科研及办公的基础条件。随着现代化教学、电子图书馆等先进教学手段的不断引入，智能给排水、变频空调、电梯传送系统等办学条件的配套设施的不断改善，以及照明系统的节能不断改造等，大量非线性电力电子设备涌现[1]。如数据中心的UPS，给水、空调系统的变频驱动器，学生活动中心、邱季端等体育场馆的照明灯光设备，带有电子镇流的照明灯具，教学、办公电脑等。这些非线性电力电子设备的使用，带来谐波污染、增大无功功率、三相不平衡等电能质量问题，对配电系统的电能质量产生巨大的影响和危害[2]。通过对谐波进行治理，可有效提高配电系统运行的稳定性，延长教学配套设备及电力设备的使用寿命，降低故障率，减少配电系统安全隐患，节约能源，势在必行。

2 供配电系统

北师大海淀校园供配电系统采用的是10/0.4 kV电压等级供电，校供配电系统采用四路10 kV进线系统供电，主配电室、京师大厦两个10 kV配电一级站。校区建筑面积达80万m2，用电负荷分散。总配变电所和分配电所成辐射方式，系统规模庞大，结构比较复杂。全校供电容量达到49185 kVA，共有变配电所27处，变压器共计56台。10 kV供电平面图如图1。

图1 校园10 kV供电平面

该校电网自海淀校园建立以来，建筑逐年不断增加，电网不断增容，原有布局已被打乱。积累了不少问题：供电不平衡；临时线路过多；部分老站点和线路年久失修，供电安全隐患较多；非线性电子设备激增导致跳闸、能源浪费严重。需要统筹规划，对现有电网设施进行系统改造，以确保安全、合理供电，利于节能降耗，建设节约型校园。

3 谐波产生、危害和治理

随着校园内智能给排水、变频空调、LED灯管等各种非线性、冲击性的电力电子器件的负载大量使用，电网积累一定量的谐波，使得正弦电流发生畸变，这种非正弦电流反过来再电网阻抗上产生压降，会使得电压波形也变成正弦，污染电力系统，降低整个系统运行环境质量，导致系统可靠性下降。对这种非正弦波进行傅里叶分解，得到频率与工频相同的分量，以及频率大于工频的分量。这种与工频相同的分量称为基波，频率大于基波的分量称为谐波[3]。

电网谐波会降低向用户的电能质量对电网和用电设备造成危害，严重时影响供电可靠性。如采用并联电容器组时，使得系统谐波因为谐振而放大，增加网络和线路损耗；继电保护电路中，使得设备失效，无法达到保护目的；对电话通信线路形成干扰，影响通话质量等[4]。

目前电力系统谐波的治理，主要有以下两种途径：①改进用电设备，使用电设备不产生或尽量少产生谐波；这种途径主要受设备结构、效率、成本、可靠性等因素制约，只能解决部分谐波问题。②采用滤波的专门装置，滤除非线性负载产生的谐波。这种途径主要分为无源电力滤波器(Passive Power Filter，PPF)的方式和有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)的方式两种方式[5～7]。

有源电力滤波器是区域低压用电设备进行谐波治理的有效设备，通过检测电网系统谐波的特征，再借助变流器技术，产生与非线性负载侧谐波，同频率、同幅值、相位相差180°的补偿波，相互叠加后对谐波进行抵消，从而达到治理谐波的目的。这种方式节能、节材、治理效果好，是谐波治理技术的最新发展方向，有着广阔的发展前景。

4 APF治理谐波方案及效果

4.1 谐波测量

1993年7月，国家技术监督局发布了《电能质量公用电网谐波》(GB/T 14549-1993)[8]，并于1994年3月开始实施。对0.4 kV电网谐波具体规定如表1。

表1 0.4 kV电网谐波电压限制

根据改造要求，对科技楼、锅炉房、冷库、学十六楼四处低压配电室12个测试点进行谐波测量，数据如表2。

表2 测试点谐波含量

测试数据表明，校内部分低压配电系统都存在不同程度的谐波。受谐波影响，校内配电系统电能质量及安全系数都有所降低，严重时导致系统无故断电。由于谐波电流的存在，使得负荷电流增大，占有变压器容量，降低系统利用效率。另外，使系统变压器、输电线路温升提高，降低设备使用寿命，存在引发电气火灾的安全隐患。

4.2 APF容量设计

根据实测数据结合实际，选择最优的技术经济方案波，是治理低压供配电系统谐的关键要素。以总补偿方式，在科技楼、锅炉房、冷库、学十六楼几处典型位置加装谐波治理装备，解决系统电网谐波问题，治理低压设备谐波污染，抑制其对系统的危害，提高低压设备工作效率和安全性能。APF总补偿方式治理谐波设计如图3所示。

图3 APF总补偿方式治理谐波设计

根据谐波实测数据，按照系统平均工作效率对APF容量进行选择，其容量设计如表3。

表3 APF容量设计

4.3 降耗节能分析

4.3.1 降耗估算

谐波电流导致线路和变压器温度升高，温升问题将减少线路和变压器寿命，造成日常配电系统损耗加重，从而造成经济损失。谐波电流导致线路和变压器的损耗功率的公式为：

△P=3I2·R

(1)

式(1)中：I为电路中的电流；R为输电线路的阻抗。

一台S9系列10/0.4 kV，1000 kVA变压器，总长度5×200 m的240电缆送电。变压器阻抗归算到低压侧电阻假设为0.67Ω，按照50A谐波电流计算，消耗功率达5025 W。

4.3.2 节能分析

北师大海淀校区有变配电站27座，共有变压器51台，高低压线路电缆纵多。根据谐波现场测试数据和不完全数据统计，谐波污染导致变压器的平均年损耗量一定的增加，消耗额外的电量。假设校区年平均电消耗7000万kW·h，谐波消耗近2%，总年额外损耗可能达140万kW·h以上，校区总体年额外损耗的电费增加近67万元左右(按照教育用电的1 kW·h 0.48元计算)。再考虑线路问题升高导致的变压器及电缆寿命的缩短、更换加速，综合年经济损失将可能超过70万元。

采用APF对系统谐波电流进行补偿治理，大大降低系统谐波含量，降低因谐波导致的设备升温和老化，降容和能耗，提高供配电设备的使用效率，节约能源浪费，同时释放系统容量约5%～10%，可一定程度减少电气设备扩容投资，缓解系统运行压力。且变压器等供配电设备使用寿命延长，大大节约更新成本。