林 蘭

（廣東省建工設計院有限公司 廣州 510010）

關鍵字：金融建筑；電能質量治理；諧波；無功補償；三相電壓不平衡；節(jié)能

1 工程概況

廣州某銀行大樓建筑面積約12.5 萬m2，建筑高度為180 m，地上39 層，地下4 層。辦公大樓地下室-4～（-1）層主要功能為商業(yè)、商務會議、銀行營業(yè)網(wǎng)點、餐廳、設備用房、停車庫等；地上裙樓主要功能為大堂、商業(yè)、辦公、數(shù)據(jù)中心等。

因該金融建筑設施運行失常時會在大范圍內造成金融秩序紊亂、對公眾的生活造成嚴重影響，對國民經(jīng)濟造成較大損失，故本項目的金融設施等級為一級。

2 金融建筑用電負荷特征分析

金融建筑相較一般建筑，智能化、自動化設備眾多，且大多為非線性負荷，如熒光燈、LED 設備、開關式電源、計算機、打印機、UPS、中央空調、電梯、風機等。該金融建筑的負荷特性統(tǒng)計如表1所示。

表1 某金融建筑用電負荷特性統(tǒng)計Tab.1 Statistics of Power Load Characteristics of a Financial Building

通過表1 數(shù)據(jù)分析，金融建筑用電負荷的主要特征總結如下：

⑴金融建筑內有大量單相用電設備，如照明燈具、現(xiàn)代辦公設備、充電樁等。［1］這些設備數(shù)量眾多，但容量都不大，其總量可以占到建筑總用電量的35%～50%。［2］采用單相供電時負荷不均衡和系統(tǒng)三相阻抗不對稱容易造成三相電壓不平衡，使得中線電流過大、中性點偏移、某相電壓過大。

⑵金融建筑內用電設備大多為非線性設備，這類設備會帶來諧波含有率高，功率因數(shù)低等問題。［3］金融建筑內有大量計算機、UPS 等信息設備，它們會引起以3次諧波為主的特征諧波。該諧波會在中性線上疊加，使中性線電流過大導致線纜發(fā)熱，中性線選擇不當是會造成過熱甚至燒斷中性線，存在安全隱患，甚至引發(fā)電氣火災。關于中性線過流，在《民用建筑電氣設計標準》第7.6.7 條5 款也特別強調了，［4］多相回路中，當相電流中的諧波含量致使在中性導體中的電流預期超過導體載流量時，應對該中性導體進行過負荷檢測及保護，過負荷檢測及保護應與通過中性線的電流特性相協(xié)調，并應分斷相導體而不必分斷中性導體。其次是LED及變頻設備引起的5、7、11、13次諧波，與3次諧波合計占據(jù)了總諧波量的90%以上。據(jù)統(tǒng)計，這些諧波造成的電壓總諧波畸變率可高達9%，低壓側電流總諧波畸變率可高達50%，遠超現(xiàn)行國家標準《電能質量公共電網(wǎng)諧波》允許值。

⑶金融建筑內大多數(shù)用電設備對電能質量要求都很高，特別是直接服務于金融業(yè)務的各種設備及其場所的金融設施?！督鹑诮ㄖ姎庠O計規(guī)范：JGJ 284—2012》［5］第11.2.1條中特別提出：金融建筑電源進戶處的電能質量應符合現(xiàn)行國家標準《電能質量公共電網(wǎng)諧波：GB/T 14549—1993》的規(guī)定。當不符合規(guī)定時，應在其金融設施專用回路上采取電源凈化措施。文獻［5］第4.3.3 條提出：二級及以上金融設施的專用變壓器低壓側總開關及其主要出線開關，應監(jiān)測三相電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、總諧波含量、21 次及以下各次諧波電流分量等電氣參數(shù)，以便于監(jiān)控配電回路供電情況及分析故障原因。

3 電能質量影響因素及危害

3.1 三相電壓不平衡

三相電壓不平衡的主要產(chǎn)生原因有供電時負荷不均衡和系統(tǒng)三相阻抗不對稱。三相電壓不平衡的危害主要如下：

⑴對變壓器：可能導致變壓器容量就不能充分利用或變壓器局部過熱。［6］有長期研究發(fā)現(xiàn)，當變壓器額定負荷電流不平衡度為10%時，其絕緣壽命會縮短約16%。

⑵對繼電保護和自動裝置：可能會引起作用于負序電流的保護和自動裝置誤動作，威肋電力系統(tǒng)的安全運行；此外還可能會降低負序啟動元件的靈敏度，影響其可靠性。

⑶對線路：會產(chǎn)生附加損耗，增大線路損耗，導致輸電線路電壓降增加；負序電流還會增大對通訊系統(tǒng)的干擾，影響通訊系統(tǒng)質量。

⑷對計算機等電子設備：在低壓配電系統(tǒng)（三相四線制）中，三相不平衡會引起中性導體上出現(xiàn)不平衡電流，產(chǎn)生零電位漂移、電噪聲干擾，導致電子設備無法正常工作。

⑸此外，三相電壓不平衡對同步電動機、異步電動機、換流裝置等均有較大危害。

3.2 諧波

在交流電網(wǎng)中，由于許多非線性電氣設備投入運行，大量諧波的存在，導致其電壓、電流波形為不同程度畸變的非正弦波。疊加了3次諧波的電壓波形示意圖如圖1 所示，可以看出波形已經(jīng)失真變?yōu)殡p頭波形式，實際情況中再疊加其他次諧波后情況會更加惡劣。

圖1 基波疊加3次諧波示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Fundamental Superimposed Third Harmonic

諧波的危害十分嚴重，尤其在金融建筑這種用電設備繁多的場所。諧波會增加供電、用電設備的額外附加損耗，降低設備的利用率和經(jīng)濟效益。諧波的危害主要如下：

⑴對電容器：諧波會產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，熔斷電容器熔絲或損壞電容器。［7］

⑵對變壓器：諧波電壓會增大變壓器的磁滯和渦流損耗增加、絕緣材料承受的電氣應力，諧波電流會增大變壓器的銅耗。對負荷供給不平衡的變壓器，負荷電流中含有直流分量會提高變壓器磁路的飽和度，大大增加交流勵磁電流的諧波分量。

⑶對輸配電線：線路感抗隨頻率升高而增加，導體的直徑越大，諧波頻率下的感抗增大越明顯，諧波產(chǎn)生的附加損耗也越大。

⑷對用電設備：電壓波形中的諧波可能會對電視機圖像、畫面及亮度產(chǎn)生影響，同時引起機內元器件過熱；可能會使熒光燈等氣體放電燈產(chǎn)生諧振過熱，甚至損壞；諧波電壓含量過大會對計算機電源產(chǎn)生不利影響，甚至會造成計算錯誤或程序出格。［8］

⑸此外，諧波對旋轉電機、測量和計量儀表、斷路器和消弧線圈、繼電保護和自動裝置、通信等均有較大危害。

3.3 無功補償

在低壓配電系統(tǒng)中，大量的感性負荷導致自然功率因數(shù)比較低。若不提高系統(tǒng)功率因數(shù)，將會產(chǎn)生下述不良影響：

⑴低于額定功率因數(shù)運行時，將會降低發(fā)電機有功功率輸出。

⑵降低變輸電設施的供電能力。

⑶使網(wǎng)絡電力損耗增加。

⑷線路的電壓降與功率因數(shù)成反比，功率因數(shù)越低，電壓降越大，會不利于用電設備的運行。

3.4 其他

三相電壓不平衡、諧波、無功補償是影響電能質量基本項，此外還有電壓偏差、頻率偏差、波形畸變、供電中斷、電壓波動和閃變、暫時和穩(wěn)態(tài)過電、電壓暫降與短時電壓中斷壓等。

4 電能質量治理措施探討

4.1 三相電壓不平衡

在低壓配電用戶側安裝三相負荷不平衡自動調節(jié)裝置，使三相電壓盡量平衡，優(yōu)化電能質量。目前大多數(shù)三相負荷不平衡治理裝置均可與無功補償、諧波治理整合到一起，形成綜合電能治理治理裝置，這也是未來發(fā)展的趨勢。

4.2 諧波

諧波治理產(chǎn)品主要有：有源濾波器和無源濾波器。傳統(tǒng)的無源濾波器僅能濾除固定次數(shù)的諧波，濾波作用在65%左右，且容易引起振蕩，但無源濾波器的優(yōu)點是結構簡單，技術成熟，造價較低，針對某固定次數(shù)的諧波效果良好。［9］有源濾波器是可以對諧波進行動態(tài)治理的新型電力電子裝置，可動態(tài)濾除各次諧波，濾波作用可達95%左右，系統(tǒng)阻抗不影響諧波電流的補償效果，但造價相對較高。可根據(jù)工程實際需要進行選擇。

4.3 無功補償

一般供電部門對用電戶的功率因數(shù)考核指標都為0.9 以上，注意避免過補償?，F(xiàn)實中低壓配電系統(tǒng)中存在大量感性負載，導致功率因數(shù)偏低，進行無功補償是非常必要的。通過無功補償提高功率因數(shù)可以降低線路損失及電壓損失，提高電能利用率。

目前低壓無功補償設備主要以投切電容器補償（FC 補償）和靜止無功發(fā)生器（SVC、SVG 補償）為主，F(xiàn)C是傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器補償方式，SVC是早期的靜止無功補償裝置，SVG 是SVC 的替代產(chǎn)品，是基于電力電子技術的無功補償裝置，可以對系統(tǒng)變化的無功以及負序進行連續(xù)快速的補償，可以克服傳統(tǒng)的無功補償器響應速度慢、補償效果不精確等缺點，其價格也較高。

4.4 集中治理與終端治理的優(yōu)劣分析

傳統(tǒng)的電能質量治理方案大多采用集中治理的方式。［10］一般是在變配電房變壓器低壓側母線或低壓電源總進線柜處集中設置無功補償及有源濾波裝置。目前此類產(chǎn)品有很多，有常規(guī)無功補償及有源濾波裝置、靜止無功補償裝置、動態(tài)無功補償裝置、混合動態(tài)消諧補償裝置、混合動態(tài)濾波補償裝置等可供選擇。不過由于治理位置處于配電系統(tǒng)首端，只能滿足上游電網(wǎng)公司或考核目標對接入點電能質量的要求，對下游建筑內部的用電環(huán)境沒有任何改善。

終端治理的方案則是考慮在源頭處就地處理，阻斷污染源，減少其擴散影響范圍，從根源改善用電環(huán)境?？梢愿鶕?jù)不同用電設備的特性，在設備末端配電箱或層配電箱設置合適的電能質量終端治理設備。

5 金融建筑電能質量治理措施的設計方案

鑒于金融建筑對電能質量的高要求，為了確保電能質量各指標均能嚴格滿足要求，本項目的電能質量治理方案采用了集中治理與終端治理相結合的方式，治理原則是對大功率或者較重要的諧波源負載進行就地治理，分散諧波源負載采用集中治理模式。該方案主要由以下3個部分組成：

⑴在變配電房變壓器低壓側母線上集中設置動態(tài)無功補償裝置，與終端電氣綜合治理保護器件形成互補。動態(tài)無功補償裝置能對系統(tǒng)變化的無功進行連續(xù)快速的補償，具有反應速度快、補償效果精確、不易與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振等優(yōu)點。

⑵在照明配電總箱（熒光燈及LED 設備）及變頻水泵、變頻空調、變頻電梯等設備配電總箱處裝設終端電氣綜合治理保護器件，對其產(chǎn)生的諧波、無功功率、三相不平衡等電能質量問題就地治理，從而保證此類負載產(chǎn)生的電能質量問題對大樓配電系統(tǒng)的影響在安全可控范圍內。

⑶在重要金融設施末端配電箱處裝設終端電氣綜合治理保護器件，主要是針對金融建筑內的精密設備及計算機組等重要用電負載產(chǎn)生的諧波及三相不平衡進行有效的就地補償。本項目采用的終端電氣綜合治理保護器件增加中性線保護功能，針對中性線進行治理，可以有效降低中性線電流至安全值，減少線路和設備發(fā)熱，提高供電安全性。

6 電能質量治理后最終運行效果

本項目通過上述技術措施的運用，使電能質量得到了極大的提升，最終實際運行達到的效果如下：

⑴三相電壓不平衡，負序電壓不平衡度≤1.3%，短時不超過2.6%。

⑵諧波，在變壓器低壓側濾除95%以上的諧波，電壓總諧波畸變率≤5%。

⑶功率因數(shù)補償至大于0.95。

經(jīng)治理后該項目的電能質量滿足國家規(guī)范及供電部門考核指標，同時滿足相關用電設備安全運行條件，獲得業(yè)主及相關部門的好評。電能質量治理前后數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 電能質量治理前后數(shù)據(jù)對比Tab.2 Data Comparison before and after Power Quality Control

7 結語

當今社會科技日新月異，這些基于電力電子技術的產(chǎn)品給我們帶來驚喜、便利舒適的工作環(huán)境的同時，也影響著電力系統(tǒng)的電能質量。當下，在雙碳戰(zhàn)略的背景下、在限電節(jié)能的國家號召面前，除了選擇能耗低、性能高的電氣產(chǎn)品，還可以在電能質量治理這一領域深耕，凈化用電環(huán)境，提高電能質量、提高電能利用率及可靠性，減少非必要損耗，推進節(jié)能減排，為實現(xiàn)碳中和、碳達峰做出積極貢獻。