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办公建筑低压配电系统谐波治理设计

 办公建筑中建筑设备管理系统、信息设施系统、信息化应用系统中的自动化电子设备对电源质量要求较高,由于办公建筑中大量非线性负荷的使用,产生的高次谐波对智能化系统电子设备的安全运行造成不利影响。

  在国标《电能质量公用电网谐波》(GB/T 14549—1993)中规定相电压谐波限值:标称电压0.38kV电网中各奇次谐波电压含有率为4%。各偶次谐波电压含有率为2%,谐波总电压畸变率为5%:标称电压lOkV电网中各奇次谐波电压含有率为3.2%,各偶次谐波电压含有率为1.6%,谐波总电压畸变率为4。国标《电子信息系统机房设计规范》(GB50174—2008)对电源质量的要求中,稳态电压偏移范围:A、B级±3%,C级±5% ;输入电压波形失真度:≤5%(电子信息设备正常工作时);不间断电源系统输入端THDI含量(3~39次谐波)<15%。

  按上述有关标准,建议将办公建筑电源系统的总电压谐波畸变率限值定在5%,如超过5%应采取适当的治理措施,以保证办公建筑智能化系统的安全运行。

  1、某办公建筑配电系统谐波检测

  1.1 主要谐波源及特点

  某办公建筑中的主要谐波源设备有以下几种:① 照明系统中的荧光灯镇流器、节能灯等:② 大量的个人电脑、复印机、打印机、绘图机等办公设备:③uPs(不间断电源)、EPS(应急电源)等;④ 电梯、空调、水泵等动力设备中的软启动器、变频传动装置:⑤ 其他有非线性负荷特性的电子控制设备等。其中① 、② 类设备数量大、负荷特性相同,同类设备产生的谐波电流又相互叠加,如荧光灯、节能灯照明会产生1O% 以上的3次谐波.个人电脑电流谐波畸变率可达到75%;③ 类UPS、EPS电源等装置在充电时产生5、7次谐波电流;④ 类设备因节能等需要而较多采用的软启动器、变频装置产生大量5、7次谐波,使输入电流波形畸变严重。虽然多数产品自身具有一定的谐波抑制功能,但因质量参差不齐,谐波含量一般也在10% ~40% 左右。

  由于以上非线性设备的大量使用,造成建筑物低压配电系统谐波畸变严重。根据对该办公楼其中一台变压器的实测,最大相总谐波畸变率达到了24.2%。其总畸变率甚至超过了大量使用非线性设备的医疗类建筑(如上海建筑设计研究院对上海市9家医院进行检测.其中谐波畸变率最大的某医院其中一台变压器最大相总谐波电流畸变率为21.6%)。办公建筑的谐波畸变率非常严重,超出了人们的预想。

  1.2 配电系统谐波实测结果

  该办公建筑谐波检测情况见图1~4(变压器容量为1 250 kV·A)。图1为基本电气数据,图2为三相电流波形。图3和图4分别为L 相和N线的电流频谱及谐波电流。实测结果表明,该办公建筑谐波含量高。以3次谐波为主:由于3次谐波电流的叠加,中性线电流非常大。

  2、某新建办公建筑配电系统谐波防范设计

  2.1 配电设备谐波防范设计原则

  2.1.1 变压器选择

  选用D.ynl1连接组别的配电变压器,在确定变压器容量时,应考虑谐波畸变引起的变压器发热,选择变压器负荷率为70%~ 80%。

  2.1.2 配电设备选择

  为降低谐波畸变引起的低压开关设备的发热和误动作.可按以下原则选择低压配电设备,如热磁型、电子型配电用断路器触器、热继电器应适当降容使用:在谐波畸变较严重的配电同路中可放大一级选择低压配电设备。

  2.1.3 电线、电缆选择

  选择电线、电缆截面时应考虑谐波引起线缆的发热在三相四线制系统中,对于连接主要谐波源设备的配线应考虑谐波电流的集肤效应对配线的发热影响,以及3及3的倍数次谐波电流在中性线上的叠加。在选择线缆截面及中性线截面时应留有裕量。当配电系统设有源滤波装置时,相应回路的中性线截面可不增大:当配电系统设无源滤波装置时,相应回路的中性线截面可与相线等截面:三相不平衡系统中的单相回路。其中性线截面应不小于相线截面。三相平衡系统中,三相回路的3次谐波电流大于10%时,中性线截面不应小于相线截面。

  2.1.4 其他设计原则

  应选用高质量、谐波畸变率小的软启动和变频传动装置;对容量大、谐波畸变率大的软启动器、变频传动装置,应就地加装有源或无源滤波装置。在设计中,应采取以下措施抑制谐波对电子设备的干扰:① 为该类设备设计专用配电回路,尽可能避免干扰沿电源线路引入;② 为易受干扰设备(如计算机网络设备)的专用配电干线设置滤波装置,消除或抑制谐波分量,达到净化电源目的;③ 使该类设备配线尽可能远离谐波严重的线路或采取屏蔽措施.以避免空间电磁干扰。

  办公建筑含有大量信息技术设备.供电系统接地应采用TN—S系统.应设置总等电位联结和局部等电位联结。宜在每层设置等电位联结网络。不同层的等电位联结网络之间应相互连通。同一建筑物内的保护性接地、功能性接地以及防雷接地应分别接至总接地端子并应共用接地极

  2.2 低压配电系统谐波防范措施

  2.2.1 设置无源滤波器

  目前采用较多的无源滤波器由电容器和电抗器串联组合而成,调节无源滤波器到某个谐波次数,在该次谐波频率下LC回路作为阻抗回路吸收谐波。在抑制谐波的同时还具有低压无功补偿的作用 目前.低压配电系统中的无源滤波器有单调谐滤波器、高通滤波器、双调谐滤波器,最常见的为单调谐滤波器。无源滤波器结构简单、便于维护、成本较低,缺点是很难平衡滤波与补偿的关系.很难根据负荷的动态变化做出理想的投切响应,往往是无功补偿效果很好,但滤波效果一般。无源滤波器的谐振频率会因电容、电感参数的偏差或变化而改变:当电网频率波动时.将导致无源滤波器失谐。2.2.2 无源滤波器和有源电力滤波器组合应用

  由于无源滤波器只能抑制某一、二个高次谐波,其滤波能力是有限的,并且变化不定。无源滤波器性能上的劣势,可以通过和有源电力滤波器的组合应用得到改善有源电力滤波器具有滤波频谱广、滤波能力强的特点。

  在低压配电系统中。可有效利用无源滤波器和有源电力滤波器的优势,采取用无源滤波器对某次主要谐波进行抑制并进行无功功率补偿:用有源电力滤波器治理剩余的高次谐波。既可达到治理目标,又可节省投资。办公建筑主要谐波为因大量使用荧光灯和个人电脑产生的3次谐波.无源滤波器可采用针对3次谐波的调谐频率为131~147Hz,电抗系数12.5% 15%的电抗器:有源滤波器可主要针对剩余高次谐波(无源滤波器无法滤除的高次谐波)设置,治理后使总谐波畸变率小于5%。

  2.2.3 设置有源电力滤波器

  有源电力滤波器利用可控的半导体功率器件(如IGBT),向电网注入与非线性负荷产生的谐波电流幅值相等、相位相反的电流。使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。相对于无源滤波器滤波能力的变化不定,有源电力滤波器的滤波能力是确定的,其滤波能力和负荷的功率因数无关有源电力滤波器的特点是实现了对补偿对象的变化快速响应,可对频率和大小都在变化的谐波进行补偿有源电力滤波器可以自动限制在100%额定容量输出,不会发生过负荷。相对于无源滤波器,有源电力滤波器的劣势主要体现在价格上。

  2.3 谐波防范方案

  2.3.1 方案选择

  一般情况下办公类建筑的G>0.5 S ,应采用无源滤波器加有源电力滤波器的方式解决谐波治理问题。无源滤波器采用电抗系数12.5% l5%的电抗器,调谐频率131~141Hz,主要针对3次谐波。电容器额定电压采用525 V,计算电容补偿容量,确定补偿电容和调谐电抗器容量。

  2.3.2 有源电力滤波器一般选型方法

  由于办公类建筑具有大量的单相负荷(空调、个人电脑、UPS、荧光灯等)。应主要采用三相四线有源电力滤波器。有源电力滤波器容量选择涉及到多个非线性负荷产生的谐波电流的叠加计算 负荷产生的谐波电流含量可以根据现场测试得出。

  了解了各种非线性负荷的谐波电流含量之后。需要对不同谐波源之间的各次谐波进行叠加可先将其中2个谐波源产生的谐波进行叠加,然后再与第3个谐波源的谐波进行叠加,依次类推两个谐波源各次谐波的相位角不能确定。


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