论文部分内容阅读
摘要：本文针对具体工程，对谐波诱发谐振等谐波的危害进行深入的分析，提供了治理方法，治理原则及初步投资估算，让电能更经济的运行。
关键词：谐波治理 绿色节能
中图分类号： TE08 文献标识码： A
1.指导思想
电能质量的好坏，直接影响到工业产品的质量，评价电能质量有三方面标准。首先是电压方面，它包含电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等；其次是频率波动；最后是电压的波形质量，即三相电压波形的对称性和正弦波的畸变率，也就是谐波所占的比重。我国对电能质量的三方面都有明确的标准和规范。
根据科技大厦指挥部领导多次会议精神的要求，本工程优化设计中要积极响应并贯彻国家有关绿色建筑、节能建筑的政策。我院对科技大厦用电负荷进行了分析，认为本楼用电负荷量大，用电负荷种类多，尤其是变频设备、应急电源、调光设备等非线性负载多，谐波产生及存在较大。为了提高大楼电能质量，节约电能，减少电磁干扰，认为谐波的治理是非常必要的。
2.用电负荷基本概况
苏州高新区科技大厦是以办公大楼为主，集科技会堂、餐饮中心、会议中心、地下车库等于一体的现代建筑，总建筑面积为111750m2，其中地上面积约为74006m2，地下室面积约为37744m2，其中办公主楼地上24层，地下2层，总高99.9米。整个大厦变压器装机容量为（4×2000KVA+2×500KVA），9000KVA。主要用电负荷为：气体放电灯（荧光灯）、LED光源灯、水泵、厨房动力、电梯、空调设备等。根据本工程用电负荷使用情况，谐波主要产生的设备有：计算机信息中心（UPS电源）、应急照明供电电源（EPS）、水泵变頻控制器、舞台灯光调光设备等，因此本方案谐波治理的重点也是上述用电负荷设备。
3.谐波的主要危害
3.1导致电力变压器发热，其一是谐波电流能增加变压器的铜损和漏磁损耗；其二是谐波电压能增加铁损。
3.2导致电力电缆发热，在三相对称回路中，三次谐波在三相导线中相位相同，在中性线上叠加后产生了3倍于相线的谐波电流和谐波电压，导致中性线温度升高。
3.3导致对电子设备的干扰，使控制失常，会引发建筑工程系统严重故障。
3.4导致低压配电设备工作异常，谐波畸变可使配电用低压电器设备（断路器、漏电保护器、接触器、热继电器等）发生故障。谐波电流使低压电器设备铁损、铜损增加，集肤效应加剧，从而产生异常发热，误动作等故障。
3.5在一些重大工程中已经发生了由于谐波或由谐波诱发谐振等而产生电缆烧坏，断路器跳闸，配电设备（控制装置）反复损坏等现象，严重影响了工程使用及运行。
4.有关规定
国际电工委员会（IEC）在文献中制定了单次谐波电压的兼容水平，即最大容许值。当各次谐波电压低于文献规定的限值时，总的谐波电压畸变不超过8%。
在GB/T14549-93标准中规定：380V电网中各奇次谐波电压含有率限值为4%，各偶次谐波电压含有率限值为2%。总的谐波电压畸变率允许值为5%，以上均指相电压。GB50174-93（电子计算机房设计规范）在电源质量分级中对谐波电压畸变率提出明确限值。计算机房电源质量划分为A、B、C三级，允许谐波电压畸变率限值A级为3%～5%，B级为5%～8%，C级为8%～10%。08版《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008对谐波治理也有明确的规定：谐波源较多的公共建筑可在办公设施、计算机网络设备等配电干线上设置滤波装置；音乐厅及影剧院等建筑物中，舞台调光装置宜采取有效的谐波抑制措施。
总谐波畸变率THD是以基波为准的一个比值，用百分数表示，分为总电压谐波畸变率和总电流谐波畸变率。总电流谐波畸变率计算公式如下：
THD=100%×√（Ih2/I1）2+（Ih3/I1）2+……
Ih2、Ih3—— 各次谐波电流有效值
I1——基波电流有效值
1.谐波治理的作用和意义
5.1净化供电电网，提高电能质量。
5.2减少电网线路电气设备的损耗，节约电能。
5.3减少故障发生，提高电网运行可靠性。
5.4减少电磁干扰，保证电子设备正常运行。
5.5为绿色建筑创造条件。
2.谐波治理装置设置
6.1地下二层生活水泵（变频）
APGS1（APGS2、APGS3）
APGS1：2×11KW=22KW
I=40A
APGS2：2×7.5kw=15.0 kw
I=27A
APGS3：2×5.5kw=11kw
变频控制I=20A
三套总的电流：40+27+20＝87A
11KW11KW11KW 谐波畸变率10％ITHD=8.7A
（7.5kw）（7.5kw）（7.5kw） 谐波电流较小，不设置。
(5.5KW) (5.5KW) (5.5KW)注：三套生活水泵一次接线要调整
6.2地下二层冷冻泵（变频）
APLD1：2×75KW=150KW
APLD1（APLD2）I=284A
谐波畸变率10%ITHD=28A
取样
一台有源滤波器PQFS
PQFM投资：15.5万元 30A
（PQFS）
APLD2：75KW+37KW=112KW=150KW
I=170.0A
谐波畸变率10%ITHD=170×0.1=17A
一台有源滤波器 PQFS
投资：15.5万 30A
（75KW） （75KW）
（75KW） （37KW）
6.3地下二层冷却水泵（变频）
（1）APLQ1：37KW
APLQ1（APLQ2、APLQ3） I=70.0A
（2）APLQ2: 75KW+75KW=150KW
取样 I=284.0A
（3）APLQ3：75KW+75KW=150KW
PQFMI=284.0A
（1）电流畸变率10%ITHD=70×0.1
=7A
（2）电流畸变率10%ITHD=284.0×0.1
=28.4A
一台有源滤波器 PQFS
投資：15.5万30A
（3）电流畸变率10%ITHD=284.0×0.1
（37KW 37KW=28.4A
75KW 75KW）一台有源滤波器 PQFS
（75KW 75KW）投资：15.5万 30A
谐波电流较小，不设置。
6.4三层计算机中心UPS 100KVA
P=100KVA
I=152A
电流畸变率 60%
ITHD=152×60=91.2A
一台有源滤波器 PQFK
取样投资:34 .0万100 A
PQFK
UPS
6.5地下一层变电所EPS 300KW
P=300KW
I=570.0A
电流畸变率 30%
取样ITHD=171A
二台有源滤波器PQFKPQFK
EPSPQFK100A 70A
投资：34.0+22.5=56.5万
6.6科技会堂调光设备
3ALWT2×90KW
PQFK
3ALWT：180KW
I=342A
电流畸变率：60%
ITHD=342×60%=205.2A
选用PQFK（二台）100A，一主，一副。
主
PQFK PQFK34.0万+25.5万=59.5万
100A 100A
6.7总的变电所处（主要是主楼主变）谐波治理。分变电所（科技会堂）主要负荷调光设备谐波已作治理，不作考虑。根据本工程各重点设备处谐波治理后，尚有部分设备如全体放电灯、LED灯等谐波未作治理，这些设备因其负荷小而分散，不宜就地设置，应在变电所集中设置较为合理。这需待工程运行后，测试或分析总的谐波情况，如变电所总的谐波畸变率小于5％，则不必装设谐波治理装置。如测试结果谐波畸变率仍较大，假如8％，则按4台变压器分别给予治理。每台变压器基波电流（负载率β取0.7）2128A，谐波畸变率控制在5％，需治理谐波电流2128×3％＝63.84A，则每台变压器需一台有源滤波器PQFK ,投资25.7万, 合计4×25.7＝102.8万。
7. 几点说明
7.1谐波电流治理装置采用成套型有动态滤波器PQFK、PQFM（PQFS），安装方便。本次方案在经过几家公司调研收集资料后，按ABB公司提供的产品及技术参数进行设计。ABB公司系国际著名品牌公司，在谐波治理方面有较多工程实例的经验。ABB公司的 PQFK、 PQFM（PQFS）产品可滤除从第2谐波至第50谐波范围内可同时选择15种谐波，并可对每次谐波进行单独设定，滤波能力高达95%以上。
7.2 ABB公司在苏州已实施或正在实施的谐波治理工程：苏州科学文化艺术中心、苏大附一院、 苏州昆岭薄膜有限公司、工业园区青少年活动中心、格兰富水泵等。
7.3在原电气设计及目前修改设计中，电网谐波对电气设备的影响已作适当的考虑，如变压器的负载率在合适的范围之内（β=0.7～0.8），接线组别选用D，Yn11的方式。特殊设备（气体放电灯、变频设备、应急电源等）供电的导线其中性线截面与相线截面相同，以避免中性线电流过大导致电缆发热，甚至烧坏现象的发生。
7.4各负载侧的谐波电流分量是以估算值或其它工程的经验数据为计算依据的，这并不代表谐波电流分量为本工程某类负载电流谐波的确切值，但对选择滤波器的容量仍有参考意义。
7.5总计投资估算（不含后期总变电所处谐波治理装置的投资）
⑴设备投资：15.5+15.5+15.5+15.5+34+56.5+59.5＝212万元，上述投资不含安装费。
7.6本次谐波治理方案提供了治理方法，治理原则及初步投资估
算，待有关方面确认后，又进行了相应图纸变更，2011年本工程顺利完工，实践证明本方案十分有效，甲方十分满意。本工程在2013年12月获中国建设工程鲁班奖。
参考文献：
1. 罗安,电网谐波治理和无功补偿技术及装备 《中国电力》,2006(04)
关键词：谐波治理 绿色节能
中图分类号： TE08 文献标识码： A
1.指导思想
电能质量的好坏，直接影响到工业产品的质量，评价电能质量有三方面标准。首先是电压方面，它包含电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等；其次是频率波动；最后是电压的波形质量，即三相电压波形的对称性和正弦波的畸变率，也就是谐波所占的比重。我国对电能质量的三方面都有明确的标准和规范。
根据科技大厦指挥部领导多次会议精神的要求，本工程优化设计中要积极响应并贯彻国家有关绿色建筑、节能建筑的政策。我院对科技大厦用电负荷进行了分析，认为本楼用电负荷量大，用电负荷种类多，尤其是变频设备、应急电源、调光设备等非线性负载多，谐波产生及存在较大。为了提高大楼电能质量，节约电能，减少电磁干扰，认为谐波的治理是非常必要的。
2.用电负荷基本概况
苏州高新区科技大厦是以办公大楼为主，集科技会堂、餐饮中心、会议中心、地下车库等于一体的现代建筑，总建筑面积为111750m2，其中地上面积约为74006m2，地下室面积约为37744m2，其中办公主楼地上24层，地下2层，总高99.9米。整个大厦变压器装机容量为（4×2000KVA+2×500KVA），9000KVA。主要用电负荷为：气体放电灯（荧光灯）、LED光源灯、水泵、厨房动力、电梯、空调设备等。根据本工程用电负荷使用情况，谐波主要产生的设备有：计算机信息中心（UPS电源）、应急照明供电电源（EPS）、水泵变頻控制器、舞台灯光调光设备等，因此本方案谐波治理的重点也是上述用电负荷设备。
3.谐波的主要危害
3.1导致电力变压器发热，其一是谐波电流能增加变压器的铜损和漏磁损耗；其二是谐波电压能增加铁损。
3.2导致电力电缆发热，在三相对称回路中，三次谐波在三相导线中相位相同，在中性线上叠加后产生了3倍于相线的谐波电流和谐波电压，导致中性线温度升高。
3.3导致对电子设备的干扰，使控制失常，会引发建筑工程系统严重故障。
3.4导致低压配电设备工作异常，谐波畸变可使配电用低压电器设备（断路器、漏电保护器、接触器、热继电器等）发生故障。谐波电流使低压电器设备铁损、铜损增加，集肤效应加剧，从而产生异常发热，误动作等故障。
3.5在一些重大工程中已经发生了由于谐波或由谐波诱发谐振等而产生电缆烧坏，断路器跳闸，配电设备（控制装置）反复损坏等现象，严重影响了工程使用及运行。
4.有关规定
国际电工委员会（IEC）在文献中制定了单次谐波电压的兼容水平，即最大容许值。当各次谐波电压低于文献规定的限值时，总的谐波电压畸变不超过8%。
在GB/T14549-93标准中规定：380V电网中各奇次谐波电压含有率限值为4%，各偶次谐波电压含有率限值为2%。总的谐波电压畸变率允许值为5%，以上均指相电压。GB50174-93（电子计算机房设计规范）在电源质量分级中对谐波电压畸变率提出明确限值。计算机房电源质量划分为A、B、C三级，允许谐波电压畸变率限值A级为3%～5%，B级为5%～8%，C级为8%～10%。08版《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008对谐波治理也有明确的规定：谐波源较多的公共建筑可在办公设施、计算机网络设备等配电干线上设置滤波装置；音乐厅及影剧院等建筑物中，舞台调光装置宜采取有效的谐波抑制措施。
总谐波畸变率THD是以基波为准的一个比值，用百分数表示，分为总电压谐波畸变率和总电流谐波畸变率。总电流谐波畸变率计算公式如下：
THD=100%×√（Ih2/I1）2+（Ih3/I1）2+……
Ih2、Ih3—— 各次谐波电流有效值
I1——基波电流有效值
1.谐波治理的作用和意义
5.1净化供电电网，提高电能质量。
5.2减少电网线路电气设备的损耗，节约电能。
5.3减少故障发生，提高电网运行可靠性。
5.4减少电磁干扰，保证电子设备正常运行。
5.5为绿色建筑创造条件。
2.谐波治理装置设置
6.1地下二层生活水泵（变频）
APGS1（APGS2、APGS3）
APGS1：2×11KW=22KW
I=40A
APGS2：2×7.5kw=15.0 kw
I=27A
APGS3：2×5.5kw=11kw
变频控制I=20A
三套总的电流：40+27+20＝87A
11KW11KW11KW 谐波畸变率10％ITHD=8.7A
（7.5kw）（7.5kw）（7.5kw） 谐波电流较小，不设置。
(5.5KW) (5.5KW) (5.5KW)注：三套生活水泵一次接线要调整
6.2地下二层冷冻泵（变频）
APLD1：2×75KW=150KW
APLD1（APLD2）I=284A
谐波畸变率10%ITHD=28A
取样
一台有源滤波器PQFS
PQFM投资：15.5万元 30A
（PQFS）
APLD2：75KW+37KW=112KW=150KW
I=170.0A
谐波畸变率10%ITHD=170×0.1=17A
一台有源滤波器 PQFS
投资：15.5万 30A
（75KW） （75KW）
（75KW） （37KW）
6.3地下二层冷却水泵（变频）
（1）APLQ1：37KW
APLQ1（APLQ2、APLQ3） I=70.0A
（2）APLQ2: 75KW+75KW=150KW
取样 I=284.0A
（3）APLQ3：75KW+75KW=150KW
PQFMI=284.0A
（1）电流畸变率10%ITHD=70×0.1
=7A
（2）电流畸变率10%ITHD=284.0×0.1
=28.4A
一台有源滤波器 PQFS
投資：15.5万30A
（3）电流畸变率10%ITHD=284.0×0.1
（37KW 37KW=28.4A
75KW 75KW）一台有源滤波器 PQFS
（75KW 75KW）投资：15.5万 30A
谐波电流较小，不设置。
6.4三层计算机中心UPS 100KVA
P=100KVA
I=152A
电流畸变率 60%
ITHD=152×60=91.2A
一台有源滤波器 PQFK
取样投资:34 .0万100 A
PQFK
UPS
6.5地下一层变电所EPS 300KW
P=300KW
I=570.0A
电流畸变率 30%
取样ITHD=171A
二台有源滤波器PQFKPQFK
EPSPQFK100A 70A
投资：34.0+22.5=56.5万
6.6科技会堂调光设备
3ALWT2×90KW
PQFK
3ALWT：180KW
I=342A
电流畸变率：60%
ITHD=342×60%=205.2A
选用PQFK（二台）100A，一主，一副。
主
PQFK PQFK34.0万+25.5万=59.5万
100A 100A
6.7总的变电所处（主要是主楼主变）谐波治理。分变电所（科技会堂）主要负荷调光设备谐波已作治理，不作考虑。根据本工程各重点设备处谐波治理后，尚有部分设备如全体放电灯、LED灯等谐波未作治理，这些设备因其负荷小而分散，不宜就地设置，应在变电所集中设置较为合理。这需待工程运行后，测试或分析总的谐波情况，如变电所总的谐波畸变率小于5％，则不必装设谐波治理装置。如测试结果谐波畸变率仍较大，假如8％，则按4台变压器分别给予治理。每台变压器基波电流（负载率β取0.7）2128A，谐波畸变率控制在5％，需治理谐波电流2128×3％＝63.84A，则每台变压器需一台有源滤波器PQFK ,投资25.7万, 合计4×25.7＝102.8万。
7. 几点说明
7.1谐波电流治理装置采用成套型有动态滤波器PQFK、PQFM（PQFS），安装方便。本次方案在经过几家公司调研收集资料后，按ABB公司提供的产品及技术参数进行设计。ABB公司系国际著名品牌公司，在谐波治理方面有较多工程实例的经验。ABB公司的 PQFK、 PQFM（PQFS）产品可滤除从第2谐波至第50谐波范围内可同时选择15种谐波，并可对每次谐波进行单独设定，滤波能力高达95%以上。
7.2 ABB公司在苏州已实施或正在实施的谐波治理工程：苏州科学文化艺术中心、苏大附一院、 苏州昆岭薄膜有限公司、工业园区青少年活动中心、格兰富水泵等。
7.3在原电气设计及目前修改设计中，电网谐波对电气设备的影响已作适当的考虑，如变压器的负载率在合适的范围之内（β=0.7～0.8），接线组别选用D，Yn11的方式。特殊设备（气体放电灯、变频设备、应急电源等）供电的导线其中性线截面与相线截面相同，以避免中性线电流过大导致电缆发热，甚至烧坏现象的发生。
7.4各负载侧的谐波电流分量是以估算值或其它工程的经验数据为计算依据的，这并不代表谐波电流分量为本工程某类负载电流谐波的确切值，但对选择滤波器的容量仍有参考意义。
7.5总计投资估算（不含后期总变电所处谐波治理装置的投资）
⑴设备投资：15.5+15.5+15.5+15.5+34+56.5+59.5＝212万元，上述投资不含安装费。
7.6本次谐波治理方案提供了治理方法，治理原则及初步投资估
算，待有关方面确认后，又进行了相应图纸变更，2011年本工程顺利完工，实践证明本方案十分有效，甲方十分满意。本工程在2013年12月获中国建设工程鲁班奖。
参考文献：
1. 罗安,电网谐波治理和无功补偿技术及装备 《中国电力》,2006(04)