高校电能质量监测与治理系统解决方案（电能质量监测系统相关论文）

张培

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：随着现代化教学、电子图书馆等现代化教学手段的引进，智能给排水系统、变频空调、电梯传送系统等辅助设施、电子镇流照明系统等各种非线性电力电子装置纷纷涌现，许多高校和研究机构在进行研究时，都会使用到一些先进的仪器、仪器，导致学校的供配电系统出现谐波污染、无功功率、三相不平衡等电能质量问题，并对配电系统的电能质量造成极大的影响和危害。通过对电网的谐波进行治理，可以有效地改善电网的运行稳定性。提高教学设施和电气设备的使用寿命，降低故障发生率，降低配电系统的安全风险，节省能源。

关键词：高校供配电系统；电能质量；谐波危害及治理；无功补偿；系统解决方案

0.引言

学校的智能化办公大楼、教学楼的冷气、照明设备、高校工程中心的变频设备、高校图书馆和学术报告厅的舞台灯光、音响、升降设备、电气设备、 LED照明设备、高校实验室的仪器、测试设备、测试设备等，都会对电力系统造成严重的谐波污染，造成设备损坏，影响正常教学，因此，加强电力品质管理是非常必要的。

1.图书馆及学术报告多功能厅

作为重要的科研、学术会议和文化交流的地方，图书馆和学术报告厅包括了大量的舞台灯光、舞台音响、舞台升降设备、 LED显示、电子信息、 LED荧光灯、调光器、荧光灯等。这些非线性负载的大量应用会造成电网的污染，同时也会引起电网的不稳定，给电网造成一定的伤害。一般照明使用 LED光源，会造成供电线路的电流波形失真，并以3 N次次谐波电流为主，对线路的 N线造成很大的影响。多功能厅的舞台照明谐波主要是由于可控硅调光器，每一调光器本质上都是一个单相 AC调压器，它的输出波形包含了50 Hz的基本波形，其频率是基波分量的整数倍。这些高次谐波会透过电线传递给其它负荷，造成电源电压波形失真，主要以3,5,7次谐波为主。多功能厅的舞台音响系统是某些专业的电子信息装置，特别是电气、通信系统，会产生大量的3,5,7次谐波。多功能厅的舞台升降装置是以3,5,7次谐波为主要谐波源。

2.高校供配电系统谐波源及其特点

学校供、配电网的谐波源主要来源于四个方面：综合教学大楼（涉及电梯、变频空调、水泵、照明设备、计算机通信设备等）、图书馆及学术报告多功能厅（涉及大量各种舞台灯光、舞台音响、舞台升降设备以及 LED显示屏电子信息用电设备和调光器、 LED荧光灯等）、科研场所及实验室（涉及高新仪器、仪器测量设备、开关电源、整流/逆变器、 UPS/EPS等谐波源）和体育馆及校史馆（涉及变频空调、风机通风设备和数量较多的 LED荧光灯等），具有频谱宽、畸变率高、种类杂和数量多等特点。

2.1综合教学大楼

目前，在大学里，大部分的教学大楼都采用了计算机，包括电梯、变频空调、水泵、照明设备、计算机通讯设备等。微机的开关电源和 UPS都是谐波源，它会产生大量的次谐波，如3,5,7,9等。学校里的空调基本上都是变频式的，而升降机的频率也是三相的，这就导致了3,5,7,9等的次谐波，对学校的供电和供电系统的稳定有很大的影响。同时，在校园里，大多数的灯具都是荧光灯，它会产生很高的3次谐波。

2.2科学研究场地和实验室

实验室是学校的重要教学与研究基地，为了保证“干净”的电力网络环境，许多敏感设备都必须保持良好的工作状态。比如工程物理系的加速器实验室、生物医学系的核磁共振谱仪实验室、材料系的烧结室，这些实验室都是高科技仪器、测量仪器、开关电源、逆变器、 UPS/EPS。如嵌入式、实验室等具有较高的开关电源负荷的场合，因其负荷特性，会出现3次、5次、7次以上的谐波。

2.3体育与历史博物馆

体育馆和校史馆是学校体育、休闲、观光的场所，这些场地所涉及的负荷类型比较小，通常是变频空调、风机、 LED灯数量多等。变频调速系统的负荷自身的功率因数较高，有时无功为电容，其谐波频率多为6 N 1；LED发光负荷中的3 N次次谐波（零序）占主导地位，对 N线路产生一定的影响。3次谐波为零序谐波，中性线产生谐波，其电流大于相线2倍，由于进线断路器是三极子断路器，不进行中性线电流的探测，因此，当中性线的电流超出导线容许负载时，断路器就不会工作，从而引起中性线温度过高、绝缘老化、接地失效，从而引起电力供应中断，乃至引发电气火灾，危及学校和学生的生命。

3.谐波危害

由于电力系统中存在着大量的非线性负荷，从而产生了谐波、谐波，严重影响了电力系统的整体供电，并对其他电力设备的正常工作产生了一定的影响。电力系统中存在的非线性负荷对电力系统的谐波造成的危害有以下几个方面：

3.1电力系统的作用

如果将谐波输入到大学校园，将会引起电网的波动，从而导致电力系统的损失，从而导致设备的发热，从而降低设备的寿命。另外， n次谐波还会引起并联电容（容抗）和系统（感抗）的并联共振，从而引起电容群的过载和过流。

3.2变压器效应

谐波电流增大了变压器的铜消耗，不但会导致系统的电源品质下降，而且会造成变压器和系统的损失，而且还会对系统的功率因数产生一定的影响，从而使变压器的寿命大大缩短。如果变压器一次侧线圈是三角形的，那么，由于高校图书馆和学术会议大厅中使用了 LED和 LED显示屏，因此，大量的3次谐波电流会在变压器一次侧的封闭环路中循环，从而导致变压器的铜、铁损耗增大，从而提高变压器的工作温度。

3.3对电容器性能的影响

电网的谐波对并联电容的工作性能有很大的影响，其谐波电流与电容器的基波电流叠加，使其工作电流增大，温度升高，从而导致电容器过热，从而缩短电容器的寿命，甚至造成电容器的损伤。由于电容器的基波电压与电容器的基波电压叠加，不但增大了电容器工作电压的有效值，还会导致电容器在工作过程中出现局部放电无法熄灭的现象。此外，并联电容对谐波电流的放大也有一定的放大效果，电容对谐波的放大通常是2~3倍，共振时可以达到20多倍。

3.4在网络教学中的作用

谐波对大学教学网通讯系统的影响主要有三个方面：电网的谐波电压、谐波电流、输电线路与通讯线路的耦合强度、通讯线路对谐波的敏感性。电网不均衡的谐波电流会对校园网的通讯造成一定的影响，严重的话会造成网络的噪音干扰，严重的话会造成网络的整体信息和资料的丢失，从而造成网络的瘫痪。在多个中性点的地网中，如果有大量的零序分量的谐波电流从中性点进入地面，会对邻近的通讯系统造成很大的影响。一般情况下，音频频道的频率在200-3500 Hz之间，大部分的谐波都是在这个范围内，很容易对附近的电话线造成静电和电磁感应，轻则会造成噪音，严重的话会导致手机铃声，严重的话会危及到设备和工作人员的生命。

4.高校电能质量主要特征

(1)教育一直是全国的重要组成部分，全国各地的大学建设仍然是重中之重。

(2)高校科研实验室、图书馆和学术报告厅是科研、学术会议、文化交流的重要场所，其中非线性负荷的数量大，对电力系统的整体供电质量有很大的影响。

5.高校电能质量监测与治理系统解决方案

5.1解决方案

在大学中，照明、电梯、空调是主要的电力负载，这些负载较轻的电力品质较好，因而经常会出现较大的谐波。然而，在大学的实验大楼中，存在着许多带有非线性器件的专用试验设备，这些器件会引起谐波，导致电能质量不佳。由于电网存在着一定的谐波污染，因此，学校电网的电能质量问题将会造成其它电器设备的损坏，影响教学工作的正常进行。

安科瑞电力公司开发的电能质量监控与管理系统，能够很好地满足电力系统的监控管理、运维和电能质量管理等方面的要求，为高等院校提供全方位的电力系统集成解决方案，从产品、系统、服务等多个方面，为大学的整体运营创造价值。

5.2方案特点

(1)除了作为局域网站，为高校的后勤维护人员提供电能质量监测、治理及设备维护等服务，还可以接入AcrelEMS-EDU校园综合能效管理系统平台，为高校提供远程在线服务和运维管理；

(2)利用全控制技术，提高学校电力系统的供电品质；

(3)电力品质的专业化监控：电力品质的实时在线监控，精度高，测量精度高，满足IEC61000-4-30要求；

(4)电力品质监控及治理系统的设备采用一体化的设计，可以通过上层的平台进行统一的管理和闭环的控制；

(5)高质量的电能质量管理：所配套的电力电子器件技术过关，质量过硬，具有网络化、可调节、快速响应等特点；

(6)电力管理业务的一体化协作：电力系统的管理与维护、电能分析与电能质量信息的共享与协调，为电力供应和消费提供了有效的控制。

5.3方案价值

(1)对电力品质进行综合监控，确保电力供应的可靠性

全面监控电力系统的运行状态，保证电力供应满足规范的使用。微秒级的故障录波和 SOE报警可以实时地将所有的数据信息记录下来，从而为故障的跟踪和定位提供了有力的支撑。

(2)全面的电力品质管理

采用集中 现场（终端）一体化的电力品质管理方式，进一步满足电网无功、谐波治理的需要，改善电力系统的供电品质，降低配电系统、变压器、输电线路及整个校园网的通讯，从而降低对学校的教学工作的影响。

6.安科瑞电能质量监测与治理产品选型

6.1集中治理

利用电能质量在线监测设备，对全校低压供、0.4 KV的电力质量进行实时监测，包括：电力因数监测、谐波分析与记录、波形采样、电压暂降/中断、闪变监测、电压不平衡监测、事件记录和测量控制等功能，可以实现对全校电力系统的电能质量监测。为了降低谐波对电网的危害和影响，为了保证无功功率因数符合国家标准，可以采取集中治理的方法。

6.2末端治理

对于终端使用大量 LED灯具和调光设备的地方，如图书馆、学术报告多功能厅、体育馆等，因为这类灯具的主要负载形式是切换式，其谐波电流以3次次谐波电流为主，3次次谐波电流为零序，三相向量角度相同，因而将三次谐波电流叠加到 N条线路上，造成 N股电流过大，对电力系统的整体影响很大，所以必须分别进行终端治理；此外，为了保证“干净”的电力网络环境，研究实验室中的许多敏感设备都需要有针对性地进行现场治理，以减少非线性负荷对其它设备的谐波造成的影响。7.湖北省某高校电能质量治理项目案例

7.1项目背景

以湖北省重点大学电力质量治理工程为例，根据后勤部门的反映，主校区综合教学楼经常跳闸，而且食堂配电房电容柜内电抗器出现烧焦和 N线线缆过热的情况，由于综合教学楼和食堂分别涉及变频空调、计算机通信设备、 LED灯照明和水泵等负荷，运行过程中会产生谐波，对整体供电系统造成一定的影响。

7.2测量结果

（1）主校区综合教学楼配电室谐波测量数据

（2）食堂配电室谐波测量数据

由以上两组测试结果可知，综合教学楼内的谐波频率以5、7次为主，电流失真率最高达22%,5、7次谐波可在配电房进行集中处理，以消除电力系统、变压器、无功柜及其他电力设施的谐波，确保教学工作的正常进行；《电能质量公用电网谐波》中的0.38 KV系统中的谐波电流、谐波电流的标准是：3次、5次谐波。现场电容器串联7%的电抗，3、5次谐波进入电容器，并与电容器的基波电流叠加，使电容器的工作电流增大，温度升高，造成电容器过热，缩短电容器的寿命，或造成电容器的损伤。因为3次谐波是零序的，三相的向量角是相等的， N线的电压是223 A左右，远远超出了相线的电流值， N线的电压太高，会引起导线的温度升高、绝缘老化、接地失效，从而导致电力供应中断，甚至引发电气火灾。

7.3治理方案

针对综合办公大楼及餐厅的谐波测试，提出了相应的电力品质管理方案。

方案一：集中治理：建议对配电机房进行无功改造，将电抗率为7%的就地电抗器改为14%，能有效地防止3、5次谐波进入电容器，造成电容器的破坏，并与AnSin-G I型有源谐波治理系统设备相结合，有效地解决了电网的谐波问题，确保了教学工作的顺利进行；或者用AnCos-G I型有源无功补偿系统来代替被动电容器，并在一定的余量条件下对谐波进行补偿。

方案二：现场治理：因餐厅使用 LED灯具、通风装置多，故建议在各楼层配电间或负荷端安装 ANSNP中线保安保护器，解决因3 N次谐波和三相不平衡造成 N线电流过大问题，以达到控制谐波的目的，防止因谐波对电力系统及其它用电设备造成的谐波产生，从而保护 N线路，降低电气火灾，保证学生和学生的生命。

8.结论

随着现代化教学、电子图书馆等先进教学方法的引进和深化，出现了一批非线性电力电子装置，提高了大学的整体教学水平，但对整个校园的供电、供电、供电等供电设施的使用提出了新的挑战，尤其是多用途的报告厅、研究实验室等，其负荷和谐波的生成与变化具有较强的随机性和复杂性。本文从电力系统的角度，分析了电力系统的特点，提出了一种基于电力系统的综合解决方案。

作者介绍：

张培，男，现任职于安科瑞电气股份有限公司