谐波治理与节能

通信局房的电力节能与谐波治理

2008-01-08 15:14

中国移动通信集团上海有限公司计划发展部庄冀

中国移动通信集团上海有限公司传输动力中心王侃毅

中国移动通信集团上海有限公司网络部稽强

摘要：在分析减少电能损耗原理的基础上，具体结合谐波分析通信局房节约电能的措施，并阐述了当前通信电源系统中谐波的产生、危害及谐波控制与消除技术。通过一个工程实例，说明了有源滤波器消谐技术在通信电源系统中的使用及效果。

关键词：节能谐波谐波抑制无源滤波器有源滤波器

引言

当前，“节能降耗”已经上升到了国家发展的战略高度，成为整个“十一五”规划中的重要内容。为了响应国家政策和集团精神，通信动力运维部门结合自身特点和运营应用，仅就动力系统电力节能降耗部分，初步综合汇集了一些经验和体会，以期进行共同探讨和研究。

1 综述

电能是由其它能源转换产生并可转化为机械能、热能等的形态。在电网中，电能是以电压电流的表现形式作功，其单位消耗的电功率为P=W/T(kWh)。用电设备在对负载进行有效作功(Po)的同时，也有一部分无效作功损耗，二者之和才是总的有功功率(Pn)，这就是用电设备的效率η=Po/Pn，这是其一。另外，由于大多数电气设备为感性负载，将产生电压电流的不同相位，从相关电压、电流或功率矢量三角形看起来，实际有功功率P要小于装置总的视在功率S，还有一部

分为无功功率QL(电感上的功率)，相移功率因数是专门表征这一电能的数量关系的重要电气参数。容性负载情况类似，但常常用来补偿感性无功功率。广义上的功率因数PF=P/S还应包括波形畸变造成的附加电能等。

由上可见，要想减少电网系统中的电能损耗，主要从二方面入手：一是提高电气设备(包括负载装置)的效率；二是提高电气系统的功率因数，进而减少无功及谐波电流，同时要合理供电，减少线路损耗。

近年来，通信系统中由于非线性负荷的日渐增多，特别是一些大功率UPS的大量应用，导致电网中产生大量的高次谐波电流，进而电压波形发生较大的畸变，引起系统的功率因数降低。低的功率因数和谐波，会造成设备自身和电网相当大的附加无功电能，增加电网输变电以至发电设备的负担，影响设备运行及寿命。故须采取必要的措施，以防止谐波电流在电网中传送及流动，从而消除谐波对供电系统及设备、通信与控制系统的不良影响。

2 局房的电力节能降耗

针对一个具体局房的节电措施，应全面衡量电网及设备情况，首先从设备选用、工艺技术精选及改进做起，进而无功及谐波补偿或消除等多种方法相辅，最后是综合考评，以达到系统优化、电网改善、降低电耗的目的。非线性负载所产生的谐波电流会影响通信电源系统的多个工作环节，以下就结合谐波针对通信局房的节能做具体分析：

1) 电力变压器：转换能量效能较高的设备，但也存在空载损耗、负载损耗和热损耗。其节能的主要措施是降低上述损耗。而谐波与这些损耗密切相关：其中涡流损耗、磁滞损耗分別与频率的平方、频率成正比，高次谐波的引入将增加额外的涡流损耗和磁滞损耗；铁心由于急剧变化的磁通导致铁损急剧增加，进而使变压器局部严重过热；中性线上由谐波和不平衡引起的过电流会在三相变压器线圈中出现环流从而产生附加损耗。

2) 电力线路：供电线路线损是电力损耗的重要原因，低压线路尤甚。节能的主要措施是治理电网低功率因数和谐波，从而减少线路电压损耗。此外高频率的谐波因加重导线的集肤效应，进

而铜损急剧增加；严重时会使温度升高，造成导线绝缘损坏。

3) 油机：在有谐波电网中，高次谐波电流直接返馈给发电机，在发电机的绕组中引起感应电流，使之发热产生损耗，导致输出功率降低。特别是5次和7次谐波电流严重时，会与基波磁场相互作用引起振荡力矩产生机械振荡，使电机产生机械振动和噪声。

4) 电气设备：大的谐波电流和低的功率因数会造成设备自身和电网相当大的附加无功电能，影响设备运行及寿命。

综上所述，谐波治理作为通信局房中一种通用而有效的节能及环保方法，可以消除谐波对设备正常工作的干扰；使得整个电网设备在一个安全的环境下工作，提高设备的工作效率，延长设备的使用寿命，以期营造一个绿色通信电源系统。

3 谐波治理及工程实践

3.1 谐波的产生机理及危害

从电网的角度来讲，在用电系统中，产生谐波的根本原因是由于具有非线性阻抗特性的用电设备(又称为非线性负荷) 用电的结果。非线性负荷会在工作时从电网取用非正弦电流，结果使其波形产生畸变。谐波电流流经电网阻抗，形成谐波电压，导致电源系统的电压波形畸变，使电能质量变坏。

从功率平衡的观点来看，在电网中，无论谐波流向如何，负载本身不产生电能量。当谐波从负载流向电网时实际上是负载将电网中的基波经过滤波和整流后形成的谐波电流反送回电网，这是一种电能污染。基波功率转化为谐波功率之后，变为注入电网的谐波电流源。其中一部分谐波功率返回系统阻抗和发电机，分别被系统电阻所消耗和被发电机所吸收；大部分谐波功率被负荷电阻所吸收。

谐波的存在是对电网环境的一种污染，它会给周边的通信系统和公用电网以外的设备带来损害，谐波造成的危害大致列举如下：

1) 使电力元件附加损耗加大，易引发火灾。含有电容器的设备受影响最为严重，甚至可能导致设

备损坏以及电容器爆炸等事故。

2) 影响电气设备的正常运行。导致继电保护拒动或误动，电气测量仪表计量不准确，精密电子设备会被严重干扰甚至烧毁。

3) 在通信系统中，谐波还会对邻近的通讯系统产生干扰。轻则产生噪声，降低通信质量，计算机无法正常工作；重则导致信息丢失，使系统崩溃。

谐波轻则降低发电、输电及用电设备的效率，影响各种电器设备的正常运行，重则威胁供配电系统的稳定与安全运行。综上所述，把谐波分量降低到容许的范围内是保证电能质量和节能的一项重要任务。

3.2工程简介

以下就以某一局房为例，具体说明谐波治理在工程中的应用：

上海移动某通信局房中发现与两套UPS联络的电容补偿柜运行异常。随即对电容柜受电端进行测量，测得的电流为双羊角波形是明显的谐波波形图，电压波形也有毛刺；同时检测到电容受电端接收到5次，7次，11次，13次谐波。初步认定是由于电路中的高次谐波导致。

1（k为正整数）次谐波，即5、7、11、13…等各次谐波，这与实测中检测到电容受电端接收到5次，7次，11次，13次谐波相吻合。由此判断谐波电流是由UPS中的整流装置产生的。同时通过分析判断，电容器组不能正常工作的主要原因是由于在不同谐波下的谐振而引起的过负荷造成的。 究其原因，发現该局房的UPS采用了6脉冲整流器技术，对应于UPS上线的配电系统，该整流器是一个会引起谐波失真的非线性负载。对其交流侧电流作傅里叶级数展开，可知电流中含6k

对该局房内电网质量进行进一步测试，实测结果进一步验证了上述对故障原因的分析。测试点选取在变压器低压母线，分别在无功补偿柜投入和无功补偿柜切除情况下测试。测试图及数据见图1和表1。