广西体育中心配电系统的谐波治理

广西体育中心配电系统的谐波治理
黎威
【摘要】This paper makes proposals for harmonic control of power distribution system in Guangxi Sports Center by analysis of harmonic sources and harm.%随着电力电子装置的日益广泛使用，越来越多的谐波被注入到了公共电网中，对电能质量产生了十分严重的影响。

本文以广西体育中心为例，分析了大型体育场馆配电系统的主要谐波来源、构成及其危害，并在工程设计上提出了治理方案。

【期刊名称】《广西城镇建设》
【年(卷),期】2012(000)007
【总页数】4页(P67-70)
【关键词】广西体育中心：配电系统：谐波
【作者】黎威
【作者单位】广西华蓝设计（集团）有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU852
广西体育中心是广西规模最大、规格最高的体育建筑群，整个建筑群包括了1个主体育场（6万座）、1个综合体育馆（1万座）、1个游泳跳水馆（4000座）、1个网球中心（4000座）以及新闻中心、五星级酒店、运动员村等配套建筑。

作
为现代化的大型体育场馆，为了满足高水平体育比赛及电视转播的要求，场馆内装备了大量价格昂贵、功能完善的电力电子设备，对配电系统的电能质量提出了很高的要求。

而另一方面，由于大量属于非线性负荷的电子设备的作用，造成电气系统中的电流及电压波形产生畸变，恶化了电能质量。

在大型体育场馆中，大量使用的电力电子设备及元器件，其电压及电流波形，不再是完全的正弦波，而是不同程度发生畸变的非正弦波。

非正弦波通常是由周期性的电气分量合成的。

通过傅立叶级数计算分析方法，可将非正弦波分解成基波分量和具有基波频率整数n（n＞1）倍频率的高次分量之和，把除基波分量以外的频率
是基波频率整数n（n＞1）倍的高次分量统称为谐波。

谐波已经成为影响电能质
量的主要因素。

1 规范和标准
针对电网中的谐波问题，我国颁布了相关的规范和标准。

其中最主要的是国家标准《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549—1993），此标准对公用低压电网谐
波电压、电流限值做了规定（见表1、表2）。

2 广西体育中心的主要谐波源
仔细分析广西体育中心的电气设备，可以确定谐波主要来源于以下几类非线性负荷：（1）照明设备。

体育场馆中，场地照明使用的大功率功金属卤化物投光灯及镇流器，景观、立面照明大量使用的LED灯及比赛场地内设置的LED大屏幕等为主要谐波源。

（2）动力设备。

建筑物内大量使用的变频空调、整流器等，举办赛事及重大活动时使用的音响、灯光设备等为重要的谐波源。

（3）办公设备。

办公用的计算机、复印机、传真机，举办重大比赛时的转播设备等为重要的谐波源。

（4）太阳能光伏发电系统。

广西体育中心在体育馆、游泳跳水馆和网球中心三个
场馆共安装了容量总计为600kW的太阳能光伏发电站。

光伏发电站与城市电网采用并网运行模式，光伏电站将太阳能光伏板感受的低压直流电势，逆变成
380V/220V交流电源。

有测试表明，有10%的谐波电流注入电网，成为广西体育中心配电系统的又一大谐波源。

3 谐波的危害
谐波的出现将造成电压和电流波形的畸变、电能质量不佳。

谐波在电气系统中的危害主要体现在以下几个方面：
3.1 谐振
在配电系统中同时使用容性和感性设备，会导致串联或并联谐振而分别呈现特别大或特别小的阻抗，阻抗的变化会剧烈改变配电系统的电流或电压，严重影响系统中的设备。

其中，最常见的是并联谐振，如图1（因电阻R远小于容抗和感抗，此处R忽略不计）。

根据电路分析原理可得：
式中，Ls为电源电感（上端网络+变压器+线路），C为电容器组容量，R为线性负荷电阻，ω为频率。

当电路情况确定后，Ls、C和R的值是相对固定的，谐波频率ω则是变化的。

若存在这样的谐波分量ωn，使得则阻抗变得无穷大，就发生谐振。

表1 低压公用电网谐波电压限值（节选）电网标称电压（kV）电压总谐波畸变率（%）各次谐波电压含有率（%）奇次偶次0.38 5.0 4.0 2.0 6 4.0 3.2 1.6 10
表2 注入公共连接点的谐波电流允许值（节选）谐波次数及谐波电流允许值（A）2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0.38 10 78 62 39 62 26 44 19 21 16 28 6 100 73 34 21 34 14 24 11 11 8.5 16 10 100 26 20 13 20 8.5 15 6.4 6.8 5.1 9.3标准电压（kV）基准备短路容量（MVA）
3.2 损耗增大
如前所述，发生畸变的电流波形可分解成基波分量I1和高次谐波分量之和∑In（n ＞1），只有通过基波分量I1的作用，有功功率才能传递给负荷，当负荷电流包含谐波时，电流的有效值Irms总是大于基波电流I1的。

定义，导出Irms=。

图2
表示谐波畸变的作用，可以看出，随着含有谐波的电流Irms的增加，热损也将急剧上升。

谐波产生的附加损耗是多方面的：对导体而言，谐波电流在它们流过的所有导体都会引起热损耗的增加；对异步电机而言，分析表明，如果一个供电电压总谐波畸变率THDu=10%，会导致异步电机6%的附加损耗；对变压器而言，因为焦耳效应
和涡流，变压器中的谐波会引起铜损和铁损增加，这种损耗增加在10%～15%之间；对电容器而言，谐波电流与谐波频率成正比，如果一个供电电压的谐波畸变率THDu=10%，则电容器中电流的安培数是原来的1.19倍，热损是原来的1.192倍，即1.4倍。

图1 等效电路图
图2 THD引起的电流有效值和热损增加
3.3 设备过载
当配电系统中含有过量的谐波电流时，可能造成系统中发动机，UPS不间断电源，变压器，异步电动机，电容器和中性线过载。

3.4 对敏感负荷造成干扰
含有过量谐波的电压会对下列敏感负荷的工作造成干扰：①温度调节装置；②计算机硬件；③继电保护装置。

3.5 对经济的影响
谐波通过对电气系统造成影响，进而造成经济上的影响。

首先，谐波造成设备、导体附加损耗的增加，势必消耗大量电能，增加费用。

其次，谐波造成设备过早老化。

第三，谐波造成电网过载，会使用户需要更高的报装容量。

第四，谐波造成的误跳
闸，引起停电、停产。

4 谐波的治理
谐波治理一般是针对不同行业、不同设备的特点来进行的。

在低压系统中，普遍采用的减小谐波影响的措施有：①改变谐波源的接线、配置和工作方式；②改善三相不平衡度；③加装动态无功补偿装置；④加装交流滤波装置；⑤采用有源滤波、无源滤波装置等。

针对广西体育中心配电系统谐波的治理，根据其设备的特点，在工程上采取了以下几个治理方法：
4.1 优化系统设计
在广西体育中心的主体育场、体育馆、游泳跳水馆等场馆中，场地照明的大功率金卤投光灯、LED大屏幕和景观亮化照明中大量采用的LED灯构成主要谐波来源，在配电系统设计上，将这些主要的非线性负荷采用专用的变压器为其供电。

通过隔离变压器，建立起阻挡谐波向上级电网输送的壁垒（见图3）。

对于未采用单独变压器供电的非线性负荷，尽量将它们组成配置在同一段母线上，就地治理，并考虑其母线尽可能安排在靠近上游的位置（见图4）。

4.2 选择合适的接地系统
若单纯从线缆成本上考虑，TN-C系统显然比TN-S系统更具优势，TN-C系统因中线性N和保护线（PE）合用（PEN线），而更经济。

但在稳定的状态下，谐波电流在PEN线中流过，因PEN线存在一定的阻抗，会造成设备间的接地电位稍有不同，这将导致一些敏感设备在工作时出现故障。

所以，在设计上采用了TN-S系统，中性线（N线）和保护线（PE线）完全分开，正常情况下，PE线将完全没有电流流过，整个电网中各设备的电位会更加一致。

图3 通过隔离变压器为非线性负荷供电
图4 尽量将非线性负荷放在靠近上游的位置
图5 串联LC补偿回路
图6 不同电抗率的频率—阻抗曲线图
4.3 采取抑制谐波的无功补偿
在低压系统中，一般谐波设备都消耗无功功率，在设计上，我们统筹考虑供电系统的无功补偿和谐波治理，可通过在低压电容器中串联电抗器来抑制谐波。

（见图5）从原理上说，随着谐波分量的增加（ω增加），电容器的容抗XC（1/ωC）是变
小的，谐波电流很容易被电容器放大并叠加到电容器的补偿电流上，电流的非正常增大，会使绝缘过早老化，甚至因过热引起电容器损坏。

如果在电路中串联接入合理的电抗器，电抗器随着谐波频率的增加（ω增加），电抗器的感抗XL（ωL）也会增大，在总的阻抗Z＝XL+Xc中，感抗和容抗形成对冲；如果电抗器选择合适
的电抗率P，使串联LC补偿回路的调谐频率接近某次谐波频率，形成低阻抗通道，就可将某次谐波电流除去。

这样补偿回路就可以在基波条件下呈现出容性阻抗，达到无功补偿的目的。

而电路如果呈现出感性阻抗，在谐波条件下是不易出现谐振的，同时，补偿回路还能对谐波进行抑制和部分消除。

在可抑制谐波的无功补偿中，电抗率是一个非常重要的指标，用P=XL/XC表示（一般为百分数）。

图6分别给出了电抗率为12.5%、7%以及5%的情况下电容
器配串联电抗器的阻抗曲线图。

从图中可以看出，当电抗率为12.5%时，串联LC 回路的零阻抗点出现在141Hz处；当频率为150Hz（三次谐波频率）时，LC串
联回路是呈感性抗阻状态，不仅不会放大谐波，还能消除和抑制谐波。

根据广西体育中心谐波的情况，其谐波以三次谐波分量为最多，也含有一定数量的5次、7次及其他次数的谐波分量。

在工程设计上，我们针对不同的场合，选用电抗率P＝12.5%、P＝2%及P＝4%等无功补偿模块，对谐波进行抑制。

5 结语
十几年前谐波对配电网的影响一般很小，但随着电力电子装置的日益广泛使用，越来越多的谐波被注入到了公共电网中，对电能质量产生了严重的影响。

大型公共建
筑因其庞大的建筑规模和公益性质，理应成为谐波治理的榜样。

只有运用法规、经济和技术等多种手段，才能从根本上治理谐波，净化电网环境，更好地为民生、为经济服务。

[参考文献]
[1] GB/T 14549—1993，电能质量公共电网谐波[S]．
[2] 毛红卫．国家游泳中心（水立方）机电设计及关键技术研究应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2009．
[3] 施耐德公司．电气装置应用（设计）指南2011[Z]．。