机场电力系统谐波治理与节能分析

机场电力系统谐波治理与节能分析

【摘要】随着新电力电子技术的发展，越来越多的非线性负载接入电网中，由此而带来的谐波问题正得到人们广泛的重视。本文介绍了谐波影响并且分析了机场电力系统谐波的主要特点，并以谐波附加损耗的理论公式为依据，使用机场电力系统谐波检测数据进行了相关的节能计算和分析，得出了谐波治理相关的节能效果数据。

【关键词】谐波；危害；附加损耗；节能

0.绪论

随着现代化机场大量采用变频调速设备、新型LED、节能荧光灯、UPS 不间断电源、电力电子设备（大型电子屏幕、计算机、办公设备和通信设备）以及可控硅调光设备（灯光站助航灯）等等，谐波等电能质量问题非常突出，严重影响机场的用电安全。

航站楼电力设备运行中产生的问题和故障，通常都是由于电网电气参数波动或瞬间干扰所引起，如：电压波动、浪涌冲击、谐波、三相不平衡、功率因数过低、缺相运行等。这些非线性负载产生的大量谐波导致电网污染，使航站楼电力品质下降，引起用电设备运行故障。为避免由于电气故障而造成航班延误所导致的重大不良影响和高额成本，进行机场电力系统谐波治理与节能分析工作是非常必要的。

1.机场电力系统谐波的主要来源

1.1照明系统（荧光灯、LED灯和金属卤化物灯等）

在商业和民用建筑中大量使用荧光灯、电子镇流器和LED 节能灯等单相谐波源负载会产生大量的三次谐波，极易引起中性线电流过大。三次和3n 次谐波会在中性线上叠加，使系统的中性线电流增加，增加了中性线电缆的发热量，严重时会发生火灾。

1.2变频调速设备（空调、泵）

三相变频类用电设备工作模式基本都是六脉动变流器整定，因此产生典型的6n±1（5、7 次）谐波电流。

1.3 UPS电源

UPS 主要由整流电路、逆变电路、控制电路、充电电路、电池组、旁路系统组成。常用的整流电路有三相全桥六脉冲整流电路和六相全桥十二脉冲整流电路等。相控整流技术的优点在于结构简单控制技术成熟，但由于交流输入功率因

数低，产生大量的谐波电流，会对电网产生较大的污染。

1.4跑道助航灯

机场跑道助航灯主要谐波次数为3/5/7/9/11/13等，总电流畸变率较高，会影响助航灯的供电安全和可靠性。

1.5汽车充电站（规划）

电动汽车充电站属于典型谐波源负载，会产生大量谐波注入公用电网，影响电网电能质量水平，为确保电能质量和电力系统的安全、经济运行，新项目工程设计阶段一般都会采取相应措施抑制谐波。

1.6其它负载（牵引站）

首都机场作为重要的交通枢纽，拥有众多与其相配套设施，如：轨道交通、货运公司、海关安检等，作为其重要的供配电系统的一部分，某些特殊的设备会对整个供配电系统产生较大的影响。如：轨交牵引站。由于机车沿轨移动用电，其产生的危害性远比其它任何谐波源设备更为严重、更为广泛。因此，对电气化轨交牵引站的电能质量进行全面的监测分析，以提出消除或减少对电网的影响，具有非常重要的现实意义。

2.谐波的产生原理及对机场带来的危害

2.1谐波产生的基本原理

电力系统中，谐波产生的原因是由非线性负载所致。当电流流经非线性负载时，与所加的电压不呈线性变化关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生；同时由于电力电子元器件的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。这些曲线波形用傅立叶分析原理，能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数，也就是基波和几次谐波。

2.2谐波产生带来的危害

谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。

谐波危害总结如下：电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力

系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。尤其对于机场这样重要的公共设施，一旦发生谐波危害造成关键设备停机，就会造成很大的损失。

3.某机场配电系统电力变压器谐波检测与分析

为了避免谐波对设备运行带来的危害，对某机场配电室变压器典型工况运行下进行了测试，测试情况如下：

典型变压器谐波测试图

典型变频器电流谐波测试图

据图可看出，变压器的电压谐波总体含量及幅值相对较小，而变频器所含电流谐波含量则普遍较大，电流谐波含量很丰富。

经过分析，在机场电力系统中，电压谐波一般不会超标，其畸变范围较小，基本上只有电流谐波超标。

4.消除和抑制谐波的技术方案

目前常用的谐波治理的方法有无源滤波和有源滤波，下面就两种方法的优缺点进行对比分析。

表1 动态有源滤波和无源滤波方案比较

通过对谐波影响较为严重的配电变压器系统及产生较大谐波含量的设备进行深入的测试，找出谐波源发生的位置，在此基础上制定相应的谐波治理技术方案。

5.谐波治理与节能

5.1谐波产生的设备能耗

谐波不仅仅带来的是对电网及用电设备的危害，同时也会对网中的设备的能耗也会大大的提高，主要通过肌肤效应表现出来。

本文列举出谐波附加损耗的计算方法见表2（奥地利George J，Wakileh博士的计算基础上由解放军理工大学汪彦良等四位导师补充完成）。

以变压器为例分析：变压器损耗分为：铜耗、铁耗、介质损耗、杂散损耗等。其铁耗又分为磁滞损耗和涡流损耗。不管分类如何复杂，按性质分只有两类：基本损耗和谐波损耗。

实际上，对于电缆、电机、电容器等各类电力设备，它们的损耗均是由基波