高校諧波源設備的諧波測試分析及治理方案

 

　　徐玉麗

　　(江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇 江陰 214405)

　　摘要：在高校實驗教學過程中所使用的科學儀器包含大量諧波源設備，針對理工科類院校的諧波源測試情況，具體分析高校電力系統的諧波特性并預估諧波所造成的的影響，提出諧波治理方案，方案采用安科瑞電氣股份有限公司的有源電力濾波器產品，為高校的建筑電氣設計提供優化方案和參考依據。

　　關鍵詞：高校;諧波;有源電力濾波器;建筑電氣

　　1 前言

　　在現代社會中由于越來越多的非線性負載設備接入電網，向電網注入大量的諧波電流，使得公共接入點的電壓畸變，導致電網的電流畸變，電能質量惡化。諧波的存在必然會使變壓器的損耗增加，也會造成無功補償的電容器諧振、干擾敏感的電子設備、引起電動機震動和繼電器誤動作。現在諧波造成的危害開始逐漸被人們重視，并且希望通過采取相應的措施來治理電網中的諧波[1-2]。

　　在治理諧波時，必須確定諧波源的存在以及分析其諧波特性，這是采取正確治理方案的關鍵。典型的非線性負載等常見諧波源的特性已經為人們所熟悉，并能進行針對性的抑制和治理。但是在高校的實驗樓、教學樓電網系統中出現的諧波情況比較特殊，例如很多在通常的民用建筑內較少遇到的諧波源設備和大量的敏感設備需要“干凈”(不能包含諧波)的電網環境以保障系統的正常運行[3-4]。針對上述原因，本文通過對某理工科高校的幾類典型的實驗室設備諧波特性進行分析，給出諧波治理方案以及相關的治理諧波的產品,本文采用安科瑞電氣股份有限公司所生產的型號為ANAPF50-400/B三相四線制有源電力濾波器來治理某高校的諧波負載。

　　2 典型的實驗室設備諧波特性

　　某理工科高校實驗室包括自動化系的嵌入式系統實驗室、工程物理系的加速器實驗室、生物醫學系的核磁共振譜儀實驗室和材料系的燒結實驗室[5]。下面圖1、圖2、圖3、圖4分別列出了各個實驗室的典型諧波波形。根據這四個典型的諧波波形可以知道：

　　一、在嵌入式系統實驗室中，三相的電流波形為整流電路特征，電容充電過程才有電流，有明顯的畸變。通過FFT可以看出3次、5次和7次諧波的THDi含量都很高。其中3次諧波畸變率78%，5次為49%，7次為28%，總諧波畸變率高達95.6%，但實驗室消耗的功率較低，最高的B相電流為16A，考慮到建筑的供電變壓器容量較大，系統阻抗較小，所以電壓畸變率較低，并未超過標準限值。另一個需要注意的現象是中性線電流，當僅存在基波電流時，在中性線上會流過三相不平衡電流，各相基波電流相互抵消后的數值肯定小于最大相的單相基波電流。但是3次諧波是零序諧波，導致諧波電流在中性線疊加，以電流畸變率78%為參考，中性線上的電流是相線電流的2倍以上，鑒于進線斷路器為三極斷路器，不檢測中性線電流，即使中性線電流超過導體允許載流量，斷路器也不會動作，這可能造成中性線超溫、絕緣老化，發生接地故障，導致中斷供電甚至發生電氣火災。

　　二、在加速器實驗室中，電流 C相的峰值系數(CF)為4.74。而且半波不對稱會導致出現偶次諧波和直流分量。從電流的FFT可以看出3次諧波畸變率59.5%，5次為53%，7次為47.1%，總諧波畸變率高達99.2%。加速器的諧波含量較大，需要對其進行治理，可采用安科瑞電氣的有源濾波器消除諧波干擾。

　　三、在核磁共振譜儀實驗室中，從電流波形可以知道設備僅接在A相，電流波形呈現出磁飽和的非線性特性，通過對電流波形的FFT分析可以知道包含3次和5次諧波。3次諧波畸變率30.8%，5次為11.4%，7次僅2.7%，總諧波率為33.3%，需要對諧波進行治理。

　　四、在燒結爐實驗室中，電網系統中包含偶次諧波和直流分量，從電流的FFT可以知道電流存在5次諧波和少量偶次諧波，3次諧波畸變率7.6%，5次為20.9%，7次僅3.2%，總諧波畸變率為28.1%，系統的總諧波電流13A，但是系統的無功功率較大，導致系統功率因數為0.33，此時需要補償無功部分。

　　

 

　　圖1 嵌入式系統實驗室諧波測試結果

　　

 

　　圖2 加速器實驗室電流諧波

　　

 

　　圖3 核磁共振譜儀諧波

　　

 

　　圖4 燒結實驗室諧波

　　針對上述高校實驗室的典型諧波特征可以總結出需要的有源濾波器的產品具有治理諧波、補償無功、調整三相不平衡的功能。根據市場上的APF產品，安科瑞電氣股份有限公司所生產的APF產品具有上述三項功能，可以完美的解決上述諧波、無功和三相不平衡的問題。

　　3 高校實驗室諧波治理方案

　　采用安科瑞公司型號為ANAPF50-400/B的三相四線制有源電力濾波器，使用就地治理的方法在每個實驗室的配電柜處并入ANAPF，如圖5所示對每個實驗室的饋線處進行電流采樣，方法為采何處補何處。

　　

 

　　圖5 安科瑞的ANAPF就地補償方案

　　下面給出安科瑞所生產的ANAPF(有源電力濾波器)的主要技術指標以及ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單如表1、表2所示。

　　表1 安科瑞ANAPF(有源電力濾波器)主要技術指標

　　接線方式三相三線或三相四線

　　接入電壓3×380V ±10%

　　接入頻率50Hz ±2%

　　全響應時間<40ms

　　開關頻率10kHz

　　功能設置只補償諧波、只補償無功、既補償諧波又補償無功

　　諧波補償次數2-21次

　　保護類型直流過壓、IGBT過流、裝置過溫

　　冷卻方式強制風冷

　　噪音< 65db

　　工作環境溫度-10℃～+45℃

　　工作環境濕度<85%RH 不凝結

　　安裝場合室內安裝

　　海拔高度≤1000m(更高海拔需降容使用)

　　進出線方式下進下出(根據客戶要求)

　　防護等級IP20

　　智能通信接口外加模塊

　　安裝方式立柜式抽屜式

　　補償電流大小50A、100A150A、200A、250A、300A50A

　　外形尺寸(mm)

　　(W×D×H)600×600×1800800×800×2200540×570×240

　　重量(kg)35050050

　　表2 安科瑞ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單

　　型號：ANAPF50-400/B

　　參考價格：7.5萬元/臺

　　主要產品明細：

　　序號名 稱型 號數量

　　1APF電氣柜600X500X18001

　　2變流器APFCOV-CVT501

　　3控制器APFMC-C501

　　4電抗器APF-RE.(S)DG-501

　　5有源電流互感器LT108-S73

　　6濾波器DL-1TH12

　　7斷路器NSE100N40631

　　8接觸器LC1D65 M7C1

　　9微型斷路器NDM1-63C321

　　10中間繼電器MY4NAC2

　　11R型變壓器R320-0.38/0.221

　　12諧波檢測儀ACR350EGH1

　　13電線16mm2若干

　　14電線4mm2若干

　　該高校使用安科瑞的ANAPF50-400/B的三相四線制有源電力濾波器就地治理了燒結實驗室后，得到如圖6所示完美的正弦波，ABC三相THDi含量分別為2.9%、2.8%、3.4%表明治理效果理想。

　　

 

　　圖6 燒結實驗室治理后的電流波形

　　4 結束語

　　本文通過波形和畸變率等參數分析了高校實驗室電力系統出現諧波電流的原因及諧波特征，給出了治理諧波的治理方案。雖然高校實驗設備多樣，諧波產生和變化有很大的隨機性和復雜性，但是通過分析其負載特性，還是可以粗略判斷其諧波類型，然后結合測試得到的頻譜數據對諧波進行精確分析，給出相應的治理措施。實際對燒結實驗室采用安科瑞的ANAPF后表明治理諧波效果理想，解決了諧波問題。

　　參考文獻

　　[1] 建設部工程質量安全監督與行業發展司. 全國民用建筑工程設計技術措施-節能專篇電氣[M].中國計劃出版社，2007.

　　[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 教育建筑電氣設計規范 (報審稿) [S].2013.

　　[3] 陳眾勵.上海光源工程諧波質量技術研究[J].建筑電氣，2012(1) :3-11.

　　[4] 相城江.調諧濾波器裝置的應用[J].智能建筑電氣技術，2010(3):80-83.

　　[4] 王磊，潘敏.高校實驗設備的諧波測試分析[J].智能建筑電氣技術，2013(4):16-19.

 

　　公司地址：江蘇省江陰市南閘鎮東盟路5號 郵編：214405

　　服務電話：0510-86179968 傳真：0510-86179975

　　QQ:2880157873 聯系人：徐玉麗

　　手機：18860995108

　　EMAIL:2880157873@qq.com 主頁：http://ipd.acrel.cn/