史貴風(fēng), 尚 博, 徐獻(xiàn)清

[1.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200062;2.瑞安市新泰電力設(shè)計(jì)有限公司, 浙江 瑞安 325200]

0 引 言

隨著城市的發(fā)展,城市土地資源高度集約化,以大型購(gòu)物中心為載體的新型城市商業(yè)綜合體應(yīng)運(yùn)而生。商業(yè)綜合體是由多個(gè)使用功能不同的建筑空間(如商鋪、游樂(lè)設(shè)施、辦公區(qū)、超市、影院等)組合而成的建筑群,其特點(diǎn)在于功能聚合、節(jié)約用地、縮短交通距離、提高工作效率、發(fā)揮投資效益等。由于大多市區(qū)已不能夠找出足夠大(一般占地5萬(wàn)m2以上)的地塊,因此很多新型城市商業(yè)綜合體最大的選址可能是在城郊結(jié)合部[1]。

大型購(gòu)物中心作為載體,匯聚人流、物流、信息數(shù)據(jù)流,是現(xiàn)代城市發(fā)展的特征產(chǎn)物,其在低壓供配電要求、用電需求上與以往用電戶相比,呈現(xiàn)更多新型的特征(用電量集中、用電負(fù)荷種類繁多、用電負(fù)荷分布呈離散性、用電時(shí)間呈周期性、低壓配電系統(tǒng)電能質(zhì)量潛在問(wèn)題突出)。面對(duì)這些新型用電特征,需要采取科學(xué)的監(jiān)測(cè)、預(yù)警、檢測(cè)評(píng)估、技術(shù)分析等手段,綜合保障大型購(gòu)物中心電力系統(tǒng)平穩(wěn)、高效運(yùn)行。因此,研究大型購(gòu)物中心低壓配電系統(tǒng)用電負(fù)荷分布情況以及線路潛在的電能質(zhì)量問(wèn)題具有重要的意義。

1 購(gòu)物中心電能質(zhì)量問(wèn)題特點(diǎn)

1.1 供配電系統(tǒng)特點(diǎn)

大型購(gòu)物中心多數(shù)位于城郊結(jié)合部,一般獨(dú)立設(shè)置配電系統(tǒng),通常按照所在區(qū)域電網(wǎng)架構(gòu)并經(jīng)供電部門批準(zhǔn)確定供電電壓等級(jí)。按國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)及用電特點(diǎn),大型購(gòu)物中心供電系統(tǒng)電壓等級(jí)一般為35 kV、10 kV、400 V/230 V,高壓供電優(yōu)先考慮10 kV電源,通常在大型購(gòu)物中心設(shè)置開閉站、高/低壓變電所。配電變壓器一般選10/0.4 kV,最常見的幾種容量規(guī)格為2 500 kVA、2 000 kVA、1 600 kVA,采用同規(guī)格兩組變壓器并行運(yùn)行,必要時(shí)供電方式可互換。大型購(gòu)物中心典型配電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 大型購(gòu)物中心典型配電系統(tǒng)

大型購(gòu)物中心供電環(huán)節(jié)的電能質(zhì)量主要取決于市電10 kV電網(wǎng)的供電質(zhì)量,可根據(jù)實(shí)際需要在10 kV電網(wǎng)端設(shè)置電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

1.2 負(fù)荷特點(diǎn)

大型購(gòu)物中心負(fù)荷種類繁多,按照用電負(fù)荷的不同類別一般分為兩個(gè)等級(jí):① 一級(jí)負(fù)荷,采用兩個(gè)電源同時(shí)供電,重點(diǎn)保障對(duì)象包括消防系統(tǒng)設(shè)備、各弱電系統(tǒng)控制室電源(中控室、信息數(shù)據(jù)中心等)、污水泵、主要客梯電力、應(yīng)急照明、大塊公共區(qū)域照明、會(huì)議室、主要通道照明、主要設(shè)備用房備用照明、障礙照明等重要設(shè)備;② 二級(jí)負(fù)荷,即供電系統(tǒng)達(dá)到當(dāng)正常供電線路、設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)或正常供電電源發(fā)生故障停電時(shí),供電系統(tǒng)不至于中斷該負(fù)荷供電(或中斷供電后能夠很快恢復(fù)對(duì)該負(fù)荷供電)即可,包括次要客梯、扶梯電力、生活熱水系統(tǒng)水泵、冷卻塔、空調(diào)、鍋爐電力等。

某大型購(gòu)物中心不同業(yè)態(tài)供電指標(biāo)分布如表1所示。

表1 某大型購(gòu)物中心不同業(yè)態(tài)供電指標(biāo)分布

大型購(gòu)物中心空調(diào)機(jī)組龐大、通風(fēng)設(shè)備、照明(LED燈)和電梯設(shè)備多,這些設(shè)備中大部分都含有變頻模塊、整流逆變器件以及功率交換單元,均屬于典型的非線性負(fù)載設(shè)備,產(chǎn)生的諧波流入配電系統(tǒng),污染自身配電網(wǎng),不僅會(huì)對(duì)無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備造成潛在影響,還會(huì)影響其他各類電氣設(shè)備的正常運(yùn)行,降低系統(tǒng)效率,增加整體電力成本。

綜上,大型購(gòu)物中心非線性負(fù)載具有數(shù)量多、種類多、分布分散、諧波污染大,尤其是3次諧波含量較大等特點(diǎn)[2]。諧波含量大,尤其是過(guò)量諧波電流的存在是低壓配電系統(tǒng)中元件受損、火災(zāi)發(fā)生的一大誘因。另外,高次諧波電流還會(huì)通過(guò)變壓器影響上級(jí)其他配電線路系統(tǒng)的安全;零序諧波電流會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng),引發(fā)中性線電流過(guò)大,線路過(guò)載過(guò)熱,從而引發(fā)火災(zāi)。

2 檢測(cè)評(píng)估方法

通過(guò)對(duì)大型購(gòu)物中心供配電系統(tǒng)的負(fù)荷進(jìn)行全方位的調(diào)查研究,尤其是針對(duì)多種用電負(fù)荷的分布情況、功率大小(設(shè)計(jì)供電功率、實(shí)際用電功率)、供電等級(jí)等進(jìn)行詳盡的分析,可以為制訂電能質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估方法提供依據(jù),使檢測(cè)評(píng)估的結(jié)果更科學(xué)、準(zhǔn)確地反映購(gòu)物中心配電系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況。檢測(cè)評(píng)估方法主要包含如下6部分。

2.1 檢測(cè)參數(shù)

針對(duì)大型購(gòu)物中心低壓配電系統(tǒng)的特點(diǎn),主要檢測(cè)的電能質(zhì)量參數(shù)有諧波、電壓不平衡度、頻率偏差、供電電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變等。

2.1.1 諧波

諧波包含諧波電壓和諧波電流,通常用諧波電壓含有率HRUh和諧波電流含有率HRIh來(lái)作為衡量系統(tǒng)諧波含有情況的指標(biāo)。檢測(cè)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》[3]。

(1)

(2)

式中:Uh——第h次諧波電壓(方均根值);

U1——基波電壓(方均根值);

Ih——第h次諧波電流(方均根值);

I1——基波電流(方均根值)。

大型購(gòu)物中心低壓配電系統(tǒng)諧波問(wèn)題主要以諧波電流為主,一般3次、5次、7次諧波含量較高,不同的負(fù)荷線路來(lái)檢測(cè),會(huì)出現(xiàn)單次或組合次數(shù)諧波電流含量超標(biāo)的現(xiàn)象,需要綜合評(píng)估。諧波電流含量IH:一般檢測(cè)19次以內(nèi)的諧波情況。

(3)

2.1.2 電壓不平衡度

電壓不平衡度ε是指三相電力系統(tǒng)中三相電壓不平衡的程度,指三相電壓幅值差別或者相位偏差[4],用電壓負(fù)序基波分量或零序基波分量與正序基波分量的方均根值百分比表示。檢測(cè)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》。

(4)

式中:U-——負(fù)序電壓有效值;

U+——正序電壓有效值。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度正常時(shí)不得超過(guò)2%,短時(shí)不得超過(guò)4%;接于公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶引起該點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度允許值一般為1.3%,短時(shí)(3 s～1 min)不超過(guò)2.6%[4]。

2.1.3 頻率偏差

頻率偏差指在正常運(yùn)行條件下,系統(tǒng)頻率的實(shí)際值與標(biāo)稱值之差,檢測(cè)主要依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15945—2008《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中要求,電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值為±0.2 Hz,當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)偏差限值可以放寬到±0.5 Hz[5]。

2.1.4 供電電壓偏差

供電電壓偏差是指供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下,某節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差對(duì)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù),可表示為

(5)

式中:δu——供電電壓偏差;

U——實(shí)際運(yùn)行電壓;

UN——某節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。

供電電壓偏差可以直接反映電壓質(zhì)量的好壞,檢測(cè)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,10 kV及以下三相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱電壓的±7%,220 V單相供電電壓允許偏差為+7%～-10%[6]。

2.1.5 電壓波動(dòng)和閃變

電壓均方根值一系列相對(duì)快速變動(dòng)或連續(xù)改變的現(xiàn)象稱為電壓波動(dòng),其周期大于工頻周期。在1 min內(nèi)測(cè)量各工頻周期的電壓有效值,與標(biāo)稱電壓比較,可得電壓波動(dòng)值。

照明電源的電壓波動(dòng)造成燈光照度不穩(wěn)定的人眼視感反應(yīng)稱為閃變,其變化較快,檢測(cè)較難。檢測(cè)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12326—2008《電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變》[7]。

一般,通過(guò)以下公式計(jì)算獲得波動(dòng)負(fù)荷單獨(dú)引起的長(zhǎng)時(shí)間閃變值:

(6)

式中:Plt1——波動(dòng)負(fù)荷投入時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間閃變測(cè)量值;

Plt0——背景閃變值,是波動(dòng)負(fù)荷退出時(shí)一段時(shí)期內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間閃變測(cè)量值;

Plt2——波動(dòng)負(fù)荷單獨(dú)引起的長(zhǎng)時(shí)間閃變值。

2.2 檢測(cè)點(diǎn)

大型購(gòu)物中心低壓配電系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)點(diǎn)的選擇一般遵循以下原則:

(1) 檢測(cè)點(diǎn)要反映不同容量規(guī)格線路的運(yùn)行情況。

(2) 優(yōu)先選取等級(jí)較高負(fù)荷所在的線路為檢測(cè)點(diǎn)。

(3) 同一線路中優(yōu)先選取大功率負(fù)荷為檢測(cè)點(diǎn)。

(4) 同一類別負(fù)荷中可選取某一個(gè)作為檢測(cè)點(diǎn)。

(5) 檢測(cè)點(diǎn)選取宜遵循先主線路后分支路。

某大型購(gòu)物中心低壓配電系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)點(diǎn)選取示意圖如圖2所示。

圖2 某大型購(gòu)物中心低壓配電系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)點(diǎn)選取示意圖

2.3 檢測(cè)工況

當(dāng)面對(duì)多種狀態(tài)組合工作的負(fù)載情況時(shí),需要考慮在不同工況下分別進(jìn)行檢測(cè)。如制冷站作為大型購(gòu)物中心的常見大型負(fù)荷設(shè)備,一般處于同一條配電線路中,有多組制冷設(shè)備根據(jù)實(shí)際需要切換使用,具有單臺(tái)運(yùn)行、多臺(tái)運(yùn)行、間歇起停的工作特點(diǎn),檢測(cè)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況模擬實(shí)際工況分別進(jìn)行檢測(cè),得到檢測(cè)數(shù)據(jù)后進(jìn)行綜合評(píng)估[8]。

2.4 檢測(cè)周期

整個(gè)檢測(cè)周期需要根據(jù)購(gòu)物中心配電系統(tǒng)的線路情況、負(fù)載情況來(lái)制定,還需要考慮到購(gòu)物中心同一天中白天與晚上、周末與工作日之間負(fù)荷工作情況顯著不同的特點(diǎn)。單個(gè)檢測(cè)參數(shù)的檢測(cè)時(shí)間差異較大。下面列舉諧波與電壓不平衡度適用的檢測(cè)時(shí)間周期。

2.4.1 諧波

檢測(cè)時(shí)間窗口要求10(50 Hz系統(tǒng))或12(60 Hz系統(tǒng))個(gè)周波[8]。持續(xù)時(shí)間要求根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況而定,至少大于1 min,累計(jì)10 min。

2.4.2 電壓不平衡度

檢測(cè)時(shí)間窗口要求10(50 Hz系統(tǒng))或12(60 Hz系統(tǒng))個(gè)周波。持續(xù)時(shí)間要求根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況而定,對(duì)于電力系統(tǒng)的公共連接點(diǎn),測(cè)量持續(xù)時(shí)間取168 h(1周),每個(gè)不平衡度的測(cè)量間隔可為1 min的整數(shù)倍;對(duì)于波動(dòng)負(fù)荷,可取正常工作日24 h持續(xù)測(cè)量[4]。

2.5 檢測(cè)儀器及數(shù)據(jù)

電能質(zhì)量檢測(cè)儀器一般選用符合IEC 61000-4-30:2008 A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求的三相電能質(zhì)量分析儀。某大型購(gòu)物中心檢測(cè)點(diǎn)實(shí)際測(cè)試線路示意圖如圖3所示。

圖3 某大型購(gòu)物中心檢測(cè)點(diǎn)測(cè)試線路示意圖

檢測(cè)數(shù)據(jù)宜采用長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存與瞬時(shí)數(shù)據(jù)圖片保存的方式來(lái)記錄,長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)便于分析儀器進(jìn)行定量分析,瞬時(shí)數(shù)據(jù)圖片便于識(shí)別檢測(cè)時(shí)的線路實(shí)際運(yùn)行情況。某大型購(gòu)物中心低壓配電系統(tǒng)中各次諧波電流含量圖譜如圖4所示。某大型購(gòu)物中心檢測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 某大型購(gòu)物中心低壓配電系統(tǒng)中各次諧波電流含量圖譜

圖5 某大型購(gòu)物中心檢測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)

針對(duì)大型購(gòu)物中心負(fù)荷種類繁多、離散分布等特點(diǎn),上述檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄方法具有很好的分析效果。

2.6 檢測(cè)程序

購(gòu)物中心低壓配電系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)流程如圖6所示。

圖6 購(gòu)物中心低壓配電系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)流程

3 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前大型購(gòu)物中心供用電系統(tǒng)普遍存在電能質(zhì)量隱患,如諧波污染、功率因數(shù)偏低、中性線電流偏大等問(wèn)題。大型購(gòu)物中心要排查電能質(zhì)量隱患、解決電能質(zhì)量問(wèn)題,要掌握科學(xué)、合理的電能質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估方法。本文通過(guò)對(duì)大型購(gòu)物中心供配電系統(tǒng)及其負(fù)荷特點(diǎn)的分析,提出大型購(gòu)物中心低壓配電系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估方法,保障大型購(gòu)物中心電力系統(tǒng)平穩(wěn)、高效運(yùn)行。