高校谐波源设备的谐波测试分析及治理方案

摘要：在高校实验教学过程中所使用的科学仪器包含大量谐波源设备，针对理工科类院校的谐波源测试情况，具体分析高校电力系统的谐波特性并预估谐波所造成的的影响，提出谐波治理方案，方案采用安科瑞电气股份有限公司的有源电力滤波器产品，为高校的建筑电气设计提供优化方案和参考依据。

关键词：高校；谐波；有源电力滤波器；建筑电气

1 前言

在现代社会中由于越来越多的非线性负载设备接入电网，向电网注入大量的谐波电流，使得公共接入点的电压畸变，导致电网的电流畸变，电能质量恶化。谐波的存在必然会使变压器的损耗增加，也会造成无功补偿的电容器谐振、干扰敏感的电子设备、引起电动机震动和继电器误动作。现在谐波造成的危害开始逐渐被人们重视，并且希望通过采取相应的措施来治理电网中的谐波^[1-2]。

在治理谐波时，必须确定谐波源的存在以及分析其谐波特性，这是采取正确治理方案的关键。典型的非线性负载等常见谐波源的特性已经为人们所熟悉，并能进行针对性的抑制和治理。但是在高校的实验楼、教学楼电网系统中出现的谐波情况比较特殊，例如很多在通常的民用建筑内较少遇到的谐波源设备和大量的敏感设备需要“干净”（不能包含谐波）的电网环境以保障系统的正常运行^[3-4]。针对上述原因，本文通过对某理工科高校的几类典型的实验室设备谐波特性进行分析，给出谐波治理方案以及相关的治理谐波的产品,本文采用安科瑞电气股份有限公司所生产的型号为ANAPF50-400/B三相四线制有源电力滤波器来治理某高校的谐波负载。

2 典型的实验室设备谐波特性

某理工科高校实验室包括自动化系的嵌入式系统实验室、工程物理系的加速器实验室、生物医学系的核磁共振谱仪实验室和材料系的烧结实验室^[5]。下面图1、图2、图3、图4分别列出了各个实验室的典型谐波波形。根据这四个典型的谐波波形可以知道：

一、在嵌入式系统实验室中，三相的电流波形为整流电路特征，电容充电过程才有电流，有明显的畸变。通过FFT可以看出3次、5次和7次谐波的THDi含量都很高。其中3次谐波畸变率78%，5次为49%，7次为28%，总谐波畸变率高达95.6%，但实验室消耗的功率较低，最高的B相电流为16A，考虑到建筑的供电变压器容量较大，系统阻抗较小，所以电压畸变率较低，并未超过标准限值。另一个需要注意的现象是中性线电流，当仅存在基波电流时，在中性线上会流过三相不平衡电流，各相基波电流相互抵消后的数值肯定小于最大相的单相基波电流。但是3次谐波是零序谐波，导致谐波电流在中性线叠加，以电流畸变率78%为参考，中性线上的电流是相线电流的2倍以上，鉴于进线断路器为三极断路器，不检测中性线电流，即使中性线电流超过导体允许载流量，断路器也不会动作，这可能造成中性线超温、绝缘老化，发生接地故障，导致中断供电甚至发生电气火灾。

二、在加速器实验室中，电流 C相的峰值系数（CF）为4.74。而且半波不对称会导致出现偶次谐波和直流分量。从电流的FFT可以看出3次谐波畸变率59.5%，5次为53%，7次为47.1%，总谐波畸变率高达99.2%。加速器的谐波含量较大，需要对其进行治理，可采用安科瑞电气的有源滤波器消除谐波干扰。

三、在核磁共振谱仪实验室中，从电流波形可以知道设备仅接在A相，电流波形呈现出磁饱和的非线性特性，通过对电流波形的FFT分析可以知道包含3次和5次谐波。3次谐波畸变率30.8%，5次为11.4%，7次仅2.7%，总谐波率为33.3%，需要对谐波进行治理。

四、在烧结炉实验室中，电网系统中包含偶次谐波和直流分量，从电流的FFT可以知道电流存在5次谐波和少量偶次谐波，3次谐波畸变率7.6%，5次为20.9%，7次仅3.2%，总谐波畸变率为28.1%，系统的总谐波电流13A，但是系统的无功功率较大，导致系统功率因数为0.33，此时需要补偿无功部分。

图1 嵌入式系统实验室谐波测试结果

图2 加速器实验室电流谐波

  

图3 核磁共振谱仪谐波

图4 烧结实验室谐波

针对上述高校实验室的典型谐波特征可以总结出需要的有源滤波器的产品具有治理谐波、补偿无功、调整三相不平衡的功能。根据市场上的APF产品，安科瑞电气股份有限公司所生产的APF产品具有上述三项功能，可以完美的解决上述谐波、无功和三相不平衡的问题。

3 高校实验室谐波治理方案

采用安科瑞公司型号为ANAPF50-400/B的三相四线制有源电力滤波器，使用就地治理的方法在每个实验室的配电柜处并入ANAPF，如图5所示对每个实验室的馈线处进行电流采样，方法为采何处补何处。

图5 安科瑞的ANAPF就地补偿方案

下面给出安科瑞所生产的ANAPF（有源电力滤波器）的主要技术指标以及ANAPF有源滤波器报价及主要元件清单如表1、表2所示。

表1 安科瑞ANAPF（有源电力滤波器）主要技术指标

 

接线方式	三相三线或三相四线
接入电压	3×380V ±10%
接入频率	50Hz ±2%
全响应时间	＜40ms
开关频率	10kHz
功能设置	只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功
谐波补偿次数	2-21次
保护类型	直流过压、IGBT过流、装置过温
冷却方式	强制风冷
噪音	＜ 65db
工作环境温度	-10℃～+45℃
工作环境湿度	＜85%RH 不凝结
安装场合	室内安装
海拔高度	≤1000m（更高海拔需降容使用）
进出线方式	下进下出（根据客户要求）
防护等级	IP20
智能通信接口	外加模块
安装方式	立柜式		抽屉式
补偿电流大小	50A、100A	150A、200A、250A、300A	50A
外形尺寸(mm) (W×D×H)	600×600×1800	800×800×2200	540×570×240
重量(kg)	350	500	50

 

表2 安科瑞ANAPF有源滤波器报价及主要元件清单

 

型号：ANAPF50-400/B
参考价格：7.5万元/台
主要产品明细：
序号	名    称	型    号	数量
1	APF电气柜	600X500X1800	1
2	变流器	APFCOV-CVT50	1
3	控制器	APFMC-C50	1
4	电抗器	APF-RE.(S)DG-50	1
5	有源电流互感器	LT108-S7	3
6	滤波器	DL-1TH1	2
7	断路器	NSE100N4063	1
8	接触器	LC1D65 M7C	1
9	微型断路器	NDM1-63C32	1
10	中间继电器	MY4NAC	2
11	R型变压器	R320-0.38/0.22	1
12	谐波检测仪	ACR350EGH	1
13	电线	16mm2	若干
14	电线	4mm2	若干

该高校使用安科瑞的ANAPF50-400/B的三相四线制有源电力滤波器就地治理了烧结实验室后，得到如图6所示完美的正弦波，ABC三相THDi含量分别为2.9%、2.8%、3.4%表明治理效果理想。

图6 烧结实验室治理后的电流波形

4 结束语

本文通过波形和畸变率等参数分析了高校实验室电力系统出现谐波电流的原因及谐波特征，给出了治理谐波的治理方案。虽然高校实验设备多样，谐波产生和变化有很大的随机性和复杂性，但是通过分析其负载特性，还是可以粗略判断其谐波类型，然后结合测试得到的频谱数据对谐波进行精确分析，给出相应的治理措施。实际对烧结实验室采用安科瑞的ANAPF后表明治理谐波效果理想，解决了谐波问题。

参考文献

[1] 建设部工程质量安全监督与行业发展司. 全国民用建筑工程设计技术措施-节能专篇电气[M].中国计划出版社，2007.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 教育建筑电气设计规范 (报审稿) [S].2013.

[3] 陈众励.上海光源工程谐波质量技术研究[J].建筑电气，2012(1) :3-11.

[4] 相城江.调谐滤波器装置的应用[J].智能建筑电气技术，2010(3):80-83.

[4] 王磊，潘敏.高校实验设备的谐波测试分析[J].智能建筑电气技术，2013(4):16-19. 

 

联系方式：王长幸，女，本科，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电，Email: 2880263323@qq.com 手机：13515192011 QQ:2880263323电话：0510-86179975