摘要

   在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中所使用的科學(xué)儀器包含大量諧波源設(shè)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(tǒng)的諧波特性并預(yù)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(chǎn)品，為高校的建筑電氣設(shè)計(jì)提供優(yōu)化方案和參考依據(jù)。

1 前言

    在現(xiàn)代社會中由于越來越多的非線性負(fù)載設(shè)備接入電網(wǎng)，向電網(wǎng)注入大量的諧波電流，使得公共接入點(diǎn)的電壓畸變，導(dǎo)致電網(wǎng)的電流畸變，電能質(zhì)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(bǔ)償?shù)碾娙萜髦C振、干擾敏感的電子設(shè)備、引起電動機(jī)震動和繼電器誤動作。現(xiàn)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(yīng)的措施來治理電網(wǎng)中的諧波[1-2]。

    在治理諧波時(shí)，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(guān)鍵。典型的非線性負(fù)載等常見諧波源的特性已經(jīng)為人們所熟悉，并能進(jìn)行針對性的抑制和治理。但是在高校的實(shí)驗(yàn)樓、教學(xué)樓電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的諧波情況比較特殊，例如很多在通常的民用建筑內(nèi)較少遇到的諧波源設(shè)備和大量的敏感設(shè)備需要“干凈"（不能包含諧波）的電網(wǎng)環(huán)境以保障系統(tǒng)的正常運(yùn)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(shí)驗(yàn)室設(shè)備諧波特性進(jìn)行分析，給出諧波治理方案以及相關(guān)的治理諧波的產(chǎn)品,本文采用安科瑞電氣股份有限公司所生產(chǎn)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(fù)載。

2 典型的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備諧波特性

    某理工科高校實(shí)驗(yàn)室包括自動化系的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、工程物理系的加速器實(shí)驗(yàn)室、生物醫(yī)學(xué)系的核磁共振譜儀實(shí)驗(yàn)室和材料系的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)室[5]。下面圖1、圖2、圖3、圖4分別列出了各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的典型諧波波形。根據(jù)這四個(gè)典型的諧波波形可以知道：

    一、在嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(dá)95.6%，但實(shí)驗(yàn)室消耗的功率較低，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(tǒng)阻抗較小，所以電壓畸變率較低，并未超過標(biāo)準(zhǔn)限值。另一個(gè)需要注意的現(xiàn)象是中性線電流，當(dāng)僅存在基波電流時(shí)，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(shù)值肯定小于大相的單相基波電流。但是3次諧波是零序諧波，導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(fā)生接地故障，導(dǎo)致中斷供電甚至發(fā)生電氣火災(zāi)。

    二、在加速器實(shí)驗(yàn)室中，電流 C相的峰值系數(shù)（CF）為4.74。而且半波不對稱會導(dǎo)致出現(xiàn)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(dá)99.2%。加速器的諧波含量較大，需要對其進(jìn)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(shí)驗(yàn)室中，從電流波形可以知道設(shè)備僅接在A相，電流波形呈現(xiàn)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(jìn)行治理。

    四、在燒結(jié)爐實(shí)驗(yàn)室中，電網(wǎng)系統(tǒng)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(tǒng)的總諧波電流13A，但是系統(tǒng)的無功功率較大，導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)為0.33，此時(shí)需要補(bǔ)償無功部分。

圖1 嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室諧波測試結(jié)果

圖2 加速器實(shí)驗(yàn)室電流諧波

圖3 核磁共振譜儀諧波

圖4 燒結(jié)實(shí)驗(yàn)室諧波

    針對上述高校實(shí)驗(yàn)室的典型諧波特征可以總結(jié)出需要的有源濾波器的產(chǎn)品具有治理諧波、補(bǔ)償無功、調(diào)整三相不平衡的功能。根據(jù)市場上的APF產(chǎn)品，安科瑞電氣股份有限公司所生產(chǎn)的APF產(chǎn)品具有上述三項(xiàng)功能，可以的解決上述諧波、無功和三相不平衡的問題。

3 高校實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)室的配電柜處并入ANAPF，如圖5所示對每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的饋線處進(jìn)行電流采樣，方法為采何處補(bǔ)何處。

圖5 安科瑞的ANAPF就地補(bǔ)償方案

    下面給出安科瑞所生產(chǎn)的ANAPF（有源電力濾波器）的主要技術(shù)指標(biāo)以及ANAPF有源濾波器報(bào)價(jià)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(shù)指標(biāo)

表2 安科瑞ANAPF有源濾波器報(bào)價(jià)及主要元件清單

    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(jié)實(shí)驗(yàn)室后，得到如圖6所示的正弦波，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(jié)實(shí)驗(yàn)室治理后的電流波形

4 結(jié)束語

    本文通過波形和畸變率等參數(shù)分析了高校實(shí)驗(yàn)室電力系統(tǒng)出現(xiàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備多樣，諧波產(chǎn)生和變化有很大的隨機(jī)性和復(fù)雜性，但是通過分析其負(fù)載特性，還是可以粗略判斷其諧波類型，然后結(jié)合測試得到的頻譜數(shù)據(jù)對諧波進(jìn)行分析，給出相應(yīng)的治理措施。實(shí)際對燒結(jié)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)

[1] 建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司. 全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施-節(jié)能專篇電氣[M].中國計(jì)劃出版社，2007.

[2] 中華人民共和國*. 教育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范 (報(bào)審稿) [S].2013.

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

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

[4] 王磊，潘敏.高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備的諧波測試分析[J].智能建筑電氣技術(shù)，2013(4):16-19.