探討雙碳戰(zhàn)略下金融建筑終端電能質(zhì)量綜合治理措施

林 蘭

（廣東省建工設(shè)計(jì)院有限公司 廣州 510010）

關(guān)鍵字：金融建筑；電能質(zhì)量治理；諧波；無(wú)功補(bǔ)償；三相電壓不平衡；節(jié)能

1 工程概況

廣州某銀行大樓建筑面積約12.5 萬(wàn)m2，建筑高度為180 m，地上39 層，地下4 層。辦公大樓地下室-4～（-1）層主要功能為商業(yè)、商務(wù)會(huì)議、銀行營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)、餐廳、設(shè)備用房、停車庫(kù)等；地上裙樓主要功能為大堂、商業(yè)、辦公、數(shù)據(jù)中心等。

因該金融建筑設(shè)施運(yùn)行失常時(shí)會(huì)在大范圍內(nèi)造成金融秩序紊亂、對(duì)公眾的生活造成嚴(yán)重影響，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成較大損失，故本項(xiàng)目的金融設(shè)施等級(jí)為一級(jí)。

2 金融建筑用電負(fù)荷特征分析

金融建筑相較一般建筑，智能化、自動(dòng)化設(shè)備眾多，且大多為非線性負(fù)荷，如熒光燈、LED 設(shè)備、開關(guān)式電源、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、UPS、中央空調(diào)、電梯、風(fēng)機(jī)等。該金融建筑的負(fù)荷特性統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 某金融建筑用電負(fù)荷特性統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of Power Load Characteristics of a Financial Building

通過(guò)表1 數(shù)據(jù)分析，金融建筑用電負(fù)荷的主要特征總結(jié)如下：

⑴金融建筑內(nèi)有大量單相用電設(shè)備，如照明燈具、現(xiàn)代辦公設(shè)備、充電樁等。［1］這些設(shè)備數(shù)量眾多，但容量都不大，其總量可以占到建筑總用電量的35%～50%。［2］采用單相供電時(shí)負(fù)荷不均衡和系統(tǒng)三相阻抗不對(duì)稱容易造成三相電壓不平衡，使得中線電流過(guò)大、中性點(diǎn)偏移、某相電壓過(guò)大。

⑵金融建筑內(nèi)用電設(shè)備大多為非線性設(shè)備，這類設(shè)備會(huì)帶來(lái)諧波含有率高，功率因數(shù)低等問(wèn)題。［3］金融建筑內(nèi)有大量計(jì)算機(jī)、UPS 等信息設(shè)備，它們會(huì)引起以3次諧波為主的特征諧波。該諧波會(huì)在中性線上疊加，使中性線電流過(guò)大導(dǎo)致線纜發(fā)熱，中性線選擇不當(dāng)是會(huì)造成過(guò)熱甚至燒斷中性線，存在安全隱患，甚至引發(fā)電氣火災(zāi)。關(guān)于中性線過(guò)流，在《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第7.6.7 條5 款也特別強(qiáng)調(diào)了，［4］多相回路中，當(dāng)相電流中的諧波含量致使在中性導(dǎo)體中的電流預(yù)期超過(guò)導(dǎo)體載流量時(shí)，應(yīng)對(duì)該中性導(dǎo)體進(jìn)行過(guò)負(fù)荷檢測(cè)及保護(hù)，過(guò)負(fù)荷檢測(cè)及保護(hù)應(yīng)與通過(guò)中性線的電流特性相協(xié)調(diào)，并應(yīng)分?jǐn)嘞鄬?dǎo)體而不必分?jǐn)嘀行詫?dǎo)體。其次是LED及變頻設(shè)備引起的5、7、11、13次諧波，與3次諧波合計(jì)占據(jù)了總諧波量的90%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些諧波造成的電壓總諧波畸變率可高達(dá)9%，低壓側(cè)電流總諧波畸變率可高達(dá)50%，遠(yuǎn)超現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公共電網(wǎng)諧波》允許值。

⑶金融建筑內(nèi)大多數(shù)用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量要求都很高，特別是直接服務(wù)于金融業(yè)務(wù)的各種設(shè)備及其場(chǎng)所的金融設(shè)施?！督鹑诮ㄖ姎庠O(shè)計(jì)規(guī)范：JGJ 284—2012》［5］第11.2.1條中特別提出：金融建筑電源進(jìn)戶處的電能質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公共電網(wǎng)諧波：GB/T 14549—1993》的規(guī)定。當(dāng)不符合規(guī)定時(shí)，應(yīng)在其金融設(shè)施專用回路上采取電源凈化措施。文獻(xiàn)［5］第4.3.3 條提出：二級(jí)及以上金融設(shè)施的專用變壓器低壓側(cè)總開關(guān)及其主要出線開關(guān)，應(yīng)監(jiān)測(cè)三相電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、總諧波含量、21 次及以下各次諧波電流分量等電氣參數(shù)，以便于監(jiān)控配電回路供電情況及分析故障原因。

3 電能質(zhì)量影響因素及危害

3.1 三相電壓不平衡

三相電壓不平衡的主要產(chǎn)生原因有供電時(shí)負(fù)荷不均衡和系統(tǒng)三相阻抗不對(duì)稱。三相電壓不平衡的危害主要如下：

⑴對(duì)變壓器：可能導(dǎo)致變壓器容量就不能充分利用或變壓器局部過(guò)熱。［6］有長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變壓器額定負(fù)荷電流不平衡度為10%時(shí)，其絕緣壽命會(huì)縮短約16%。

⑵對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置：可能會(huì)引起作用于負(fù)序電流的保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，威肋電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行；此外還可能會(huì)降低負(fù)序啟動(dòng)元件的靈敏度，影響其可靠性。

⑶對(duì)線路：會(huì)產(chǎn)生附加損耗，增大線路損耗，導(dǎo)致輸電線路電壓降增加；負(fù)序電流還會(huì)增大對(duì)通訊系統(tǒng)的干擾，影響通訊系統(tǒng)質(zhì)量。

⑷對(duì)計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備：在低壓配電系統(tǒng)（三相四線制）中，三相不平衡會(huì)引起中性導(dǎo)體上出現(xiàn)不平衡電流，產(chǎn)生零電位漂移、電噪聲干擾，導(dǎo)致電子設(shè)備無(wú)法正常工作。

⑸此外，三相電壓不平衡對(duì)同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、換流裝置等均有較大危害。

3.2 諧波

在交流電網(wǎng)中，由于許多非線性電氣設(shè)備投入運(yùn)行，大量諧波的存在，導(dǎo)致其電壓、電流波形為不同程度畸變的非正弦波。疊加了3次諧波的電壓波形示意圖如圖1 所示，可以看出波形已經(jīng)失真變?yōu)殡p頭波形式，實(shí)際情況中再疊加其他次諧波后情況會(huì)更加惡劣。

圖1 基波疊加3次諧波示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Fundamental Superimposed Third Harmonic

諧波的危害十分嚴(yán)重，尤其在金融建筑這種用電設(shè)備繁多的場(chǎng)所。諧波會(huì)增加供電、用電設(shè)備的額外附加損耗，降低設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)效益。諧波的危害主要如下：

⑴對(duì)電容器：諧波會(huì)產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，熔斷電容器熔絲或損壞電容器。［7］

⑵對(duì)變壓器：諧波電壓會(huì)增大變壓器的磁滯和渦流損耗增加、絕緣材料承受的電氣應(yīng)力，諧波電流會(huì)增大變壓器的銅耗。對(duì)負(fù)荷供給不平衡的變壓器，負(fù)荷電流中含有直流分量會(huì)提高變壓器磁路的飽和度，大大增加交流勵(lì)磁電流的諧波分量。

⑶對(duì)輸配電線：線路感抗隨頻率升高而增加，導(dǎo)體的直徑越大，諧波頻率下的感抗增大越明顯，諧波產(chǎn)生的附加損耗也越大。

⑷對(duì)用電設(shè)備：電壓波形中的諧波可能會(huì)對(duì)電視機(jī)圖像、畫面及亮度產(chǎn)生影響，同時(shí)引起機(jī)內(nèi)元器件過(guò)熱；可能會(huì)使熒光燈等氣體放電燈產(chǎn)生諧振過(guò)熱，甚至損壞；諧波電壓含量過(guò)大會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)電源產(chǎn)生不利影響，甚至?xí)斐捎?jì)算錯(cuò)誤或程序出格。［8］

⑸此外，諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)、測(cè)量和計(jì)量?jī)x表、斷路器和消弧線圈、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置、通信等均有較大危害。

3.3 無(wú)功補(bǔ)償

在低壓配電系統(tǒng)中，大量的感性負(fù)荷導(dǎo)致自然功率因數(shù)比較低。若不提高系統(tǒng)功率因數(shù)，將會(huì)產(chǎn)生下述不良影響：

⑴低于額定功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，將會(huì)降低發(fā)電機(jī)有功功率輸出。

⑵降低變輸電設(shè)施的供電能力。

⑶使網(wǎng)絡(luò)電力損耗增加。

⑷線路的電壓降與功率因數(shù)成反比，功率因數(shù)越低，電壓降越大，會(huì)不利于用電設(shè)備的運(yùn)行。

3.4 其他

三相電壓不平衡、諧波、無(wú)功補(bǔ)償是影響電能質(zhì)量基本項(xiàng)，此外還有電壓偏差、頻率偏差、波形畸變、供電中斷、電壓波動(dòng)和閃變、暫時(shí)和穩(wěn)態(tài)過(guò)電、電壓暫降與短時(shí)電壓中斷壓等。

4 電能質(zhì)量治理措施探討

4.1 三相電壓不平衡

在低壓配電用戶側(cè)安裝三相負(fù)荷不平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，使三相電壓盡量平衡，優(yōu)化電能質(zhì)量。目前大多數(shù)三相負(fù)荷不平衡治理裝置均可與無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理整合到一起，形成綜合電能治理治理裝置，這也是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

4.2 諧波

諧波治理產(chǎn)品主要有：有源濾波器和無(wú)源濾波器。傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器僅能濾除固定次數(shù)的諧波，濾波作用在65%左右，且容易引起振蕩，但無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，造價(jià)較低，針對(duì)某固定次數(shù)的諧波效果良好。［9］有源濾波器是可以對(duì)諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)治理的新型電力電子裝置，可動(dòng)態(tài)濾除各次諧波，濾波作用可達(dá)95%左右，系統(tǒng)阻抗不影響諧波電流的補(bǔ)償效果，但造價(jià)相對(duì)較高。可根據(jù)工程實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

4.3 無(wú)功補(bǔ)償

一般供電部門對(duì)用電戶的功率因數(shù)考核指標(biāo)都為0.9 以上，注意避免過(guò)補(bǔ)償。現(xiàn)實(shí)中低壓配電系統(tǒng)中存在大量感性負(fù)載，導(dǎo)致功率因數(shù)偏低，進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償是非常必要的。通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償提高功率因數(shù)可以降低線路損失及電壓損失，提高電能利用率。

目前低壓無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備主要以投切電容器補(bǔ)償（FC 補(bǔ)償）和靜止無(wú)功發(fā)生器（SVC、SVG 補(bǔ)償）為主，F(xiàn)C是傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器補(bǔ)償方式，SVC是早期的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，SVG 是SVC 的替代產(chǎn)品，是基于電力電子技術(shù)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，可以對(duì)系統(tǒng)變化的無(wú)功以及負(fù)序進(jìn)行連續(xù)快速的補(bǔ)償，可以克服傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償器響應(yīng)速度慢、補(bǔ)償效果不精確等缺點(diǎn)，其價(jià)格也較高。

4.4 集中治理與終端治理的優(yōu)劣分析

傳統(tǒng)的電能質(zhì)量治理方案大多采用集中治理的方式。［10］一般是在變配電房變壓器低壓側(cè)母線或低壓電源總進(jìn)線柜處集中設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償及有源濾波裝置。目前此類產(chǎn)品有很多，有常規(guī)無(wú)功補(bǔ)償及有源濾波裝置、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置、混合動(dòng)態(tài)消諧補(bǔ)償裝置、混合動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置等可供選擇。不過(guò)由于治理位置處于配電系統(tǒng)首端，只能滿足上游電網(wǎng)公司或考核目標(biāo)對(duì)接入點(diǎn)電能質(zhì)量的要求，對(duì)下游建筑內(nèi)部的用電環(huán)境沒有任何改善。

終端治理的方案則是考慮在源頭處就地處理，阻斷污染源，減少其擴(kuò)散影響范圍，從根源改善用電環(huán)境。可以根據(jù)不同用電設(shè)備的特性，在設(shè)備末端配電箱或?qū)优潆娤湓O(shè)置合適的電能質(zhì)量終端治理設(shè)備。

5 金融建筑電能質(zhì)量治理措施的設(shè)計(jì)方案

鑒于金融建筑對(duì)電能質(zhì)量的高要求，為了確保電能質(zhì)量各指標(biāo)均能嚴(yán)格滿足要求，本項(xiàng)目的電能質(zhì)量治理方案采用了集中治理與終端治理相結(jié)合的方式，治理原則是對(duì)大功率或者較重要的諧波源負(fù)載進(jìn)行就地治理，分散諧波源負(fù)載采用集中治理模式。該方案主要由以下3個(gè)部分組成：

⑴在變配電房變壓器低壓側(cè)母線上集中設(shè)置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，與終端電氣綜合治理保護(hù)器件形成互補(bǔ)。動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置能對(duì)系統(tǒng)變化的無(wú)功進(jìn)行連續(xù)快速的補(bǔ)償，具有反應(yīng)速度快、補(bǔ)償效果精確、不易與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振等優(yōu)點(diǎn)。

⑵在照明配電總箱（熒光燈及LED 設(shè)備）及變頻水泵、變頻空調(diào)、變頻電梯等設(shè)備配電總箱處裝設(shè)終端電氣綜合治理保護(hù)器件，對(duì)其產(chǎn)生的諧波、無(wú)功功率、三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題就地治理，從而保證此類負(fù)載產(chǎn)生的電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)大樓配電系統(tǒng)的影響在安全可控范圍內(nèi)。

⑶在重要金融設(shè)施末端配電箱處裝設(shè)終端電氣綜合治理保護(hù)器件，主要是針對(duì)金融建筑內(nèi)的精密設(shè)備及計(jì)算機(jī)組等重要用電負(fù)載產(chǎn)生的諧波及三相不平衡進(jìn)行有效的就地補(bǔ)償。本項(xiàng)目采用的終端電氣綜合治理保護(hù)器件增加中性線保護(hù)功能，針對(duì)中性線進(jìn)行治理，可以有效降低中性線電流至安全值，減少線路和設(shè)備發(fā)熱，提高供電安全性。

6 電能質(zhì)量治理后最終運(yùn)行效果

本項(xiàng)目通過(guò)上述技術(shù)措施的運(yùn)用，使電能質(zhì)量得到了極大的提升，最終實(shí)際運(yùn)行達(dá)到的效果如下：

⑴三相電壓不平衡，負(fù)序電壓不平衡度≤1.3%，短時(shí)不超過(guò)2.6%。

⑵諧波，在變壓器低壓側(cè)濾除95%以上的諧波，電壓總諧波畸變率≤5%。

⑶功率因數(shù)補(bǔ)償至大于0.95。

經(jīng)治理后該項(xiàng)目的電能質(zhì)量滿足國(guó)家規(guī)范及供電部門考核指標(biāo)，同時(shí)滿足相關(guān)用電設(shè)備安全運(yùn)行條件，獲得業(yè)主及相關(guān)部門的好評(píng)。電能質(zhì)量治理前后數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 電能質(zhì)量治理前后數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Data Comparison before and after Power Quality Control

7 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今社會(huì)科技日新月異，這些基于電力電子技術(shù)的產(chǎn)品給我們帶來(lái)驚喜、便利舒適的工作環(huán)境的同時(shí)，也影響著電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。當(dāng)下，在雙碳戰(zhàn)略的背景下、在限電節(jié)能的國(guó)家號(hào)召面前，除了選擇能耗低、性能高的電氣產(chǎn)品，還可以在電能質(zhì)量治理這一領(lǐng)域深耕，凈化用電環(huán)境，提高電能質(zhì)量、提高電能利用率及可靠性，減少非必要損耗，推進(jìn)節(jié)能減排，為實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰做出積極貢獻(xiàn)。