劇場建筑供電的設計及諧波治理
返回列表來源：領步電能質量發(fā)布時間：2016-03-16分享加入收藏關注：-
1 負荷分級及供電要求
設計之初，用電負荷等級的確定尤為重要。首先應明確劇場等級。劇場建筑根據耐火等級及耐久年限可分為特、甲、乙、丙四個等級，其中，特等劇場的技術要求根據具體情況確定；其用電負荷等級確定及供電要求應符合相應規(guī)范要求，具體如表1所示。
表1 劇場建筑用電負荷等級及供電要求
2 電源及供配電系統(tǒng)
特、甲等劇場中舞臺機械，舞臺照明等設備用電均為一級負荷，按照規(guī)范要求，應從兩個不會同時損壞的變電站，分別引一路10kV電源，每路電源均能承擔全部二級以上負荷，兩路10kV電源同時工作，互為備用。當受條件制約，僅能提供一路10kV電源時，則應設置柴油發(fā)電機組作為第二電源。乙、丙等劇場的負荷分級確定應同時遵循一類或二類高層的負荷分級原則，負荷級別應按高者確定。若為一類高層建筑，則按一級負荷要求供電；否則按二級負荷要求，由兩回線路供電或由一路10kV專用電纜供電。一級負荷中，特別重要負荷則應設置柴油發(fā)電機或UPS電源作為應急電源。
設計過程中不難發(fā)現(xiàn)，劇場建筑中舞臺機械、舞臺燈光為主要用電負荷，且較大和集中。結合表1中負荷等級的確定及供電要求，特、甲等劇場應由變配電室引獨立的兩路電源至舞臺機械控制室、硅控室，并在控制室內設置雙電源互投箱（柜）。乙、丙等劇場的舞臺工藝用電則按三級負荷要求供電，由變配電室引單路電源至相應配電機房。其次，特、甲等劇場的空調機房、鍋爐房等用電為二級負荷，由于空調機組較為分散，建議采用在適當位置（如：首層配電間）集中設置雙電源互投箱的方式供電（此類負荷供電與大型商業(yè)的空調設備類似）。其他普通照明、電力等一般負荷則根據供電要求，采用放射式與樹干式相結合的方式，對于單臺容量較大的負荷或重要負荷放射式供電；對于照明及一般負荷采用樹干式與放射式相結合的供電方式。
另外，由于舞臺燈光調光設備中晶閘管的使用產生諧波的干擾，勢必對舞臺燈光、音響系統(tǒng)等電聲設備產生影響，這也直接影響到整場演出的效果。同樣，在演出時，舞臺機械設備的頻繁啟動，將引起電源電壓的波動，然而舞臺燈光設備對電源電壓的波動非常敏感（規(guī)范要求變壓器低壓出線的波動不能超過額定電壓的3%）。所以，舞臺燈光與音響系統(tǒng)、電視轉播設備宜由不同的變壓器供電；舞臺燈光、舞臺機械也不宜接在同一臺變壓器上。
3 變壓器的接線方式
劇場的舞臺照明往往采用可控硅調光設備，可控硅調光設備在使用過程中，將使電源波形非正弦化，造成多項奇次諧波分量較大。實驗表明，采用Y/Y0接線方式的電源變壓器，在三相對稱滿負荷下，可控硅觸發(fā)導通角在90°時波形畸變率高達60%以上，形成的三次諧波在變壓器鐵件中引起的熱損失可達變壓器額定輸出容量的16%，變壓器不能滿載使用。若在同等條件下電源變壓器采用△/Y接線方式，由于△形回路為不對稱零序電熱構成通路，零序磁通相互抵消，使3次諧波產生的變壓器鐵件熱損失僅為變壓器額定容量的0.024%左右，變壓器可以滿載運行。另外Y/Y0接線方式比△/Y接線方式所引起的相電壓偏移大得多。所以，劇場的電源變壓器宜采用接線方式為△/Y0 的變壓器。
4 諧波的危害及治理措施
當正弦波電壓施加在非線性電路上時，電流就變成非正弦波，非正弦波電流在電網阻抗上產生壓降，會使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。對非正弦波進行傅立葉級數分解，其中頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率大于基波的分量稱為諧波。如今廣泛使用的負載大部分是非線性的，如UPS、整流器、變頻器、電梯、空調、節(jié)能燈（熒光燈）、復印機、電弧爐、焊接設備等等，這些非線性負載會產生大量的諧波電流并注入到電網中，使電網電壓產生畸變，這種諧波“污染”會對電網和用戶產生嚴重的危害。
4.1 諧波對供電設備的危害
由于諧波的存在，在電力變壓器、電纜、發(fā)電機及電力電容等設備上產生明顯的集膚效應，使得電力變壓器、發(fā)電機等鐵磁設備損耗明顯增大，產生過熱，絕緣提前老化；電力電容器無功補償裝置無法正常投切，電力電容器介質損耗增大、過熱、甚至擊穿。
4.2 諧波對用電設備的危害
諧波電流對系統(tǒng)的大量注入將引起供電電源的失真度上升，這意味著電源已經不再是純凈的正弦波，因此，凡用電設備不論自身是線性負載還是非線性負載都會受到供電電源失真度上升的影響。例如：一些敏感性負載受到干擾，計算機出錯、死機，造成數據丟失、計算機控制的設備出現(xiàn)異常故障；負載電路中產生傳導干擾，數據傳送故障、通訊間斷并伴有工頻交流噪聲；含有電感、電容器件的電路溫度升高，損耗增大，提前老化，使用壽命明顯縮短；保護裝置異常動作, 開關誤跳閘；伺服電機產生脈動，異步交流電機產生振動，噪聲增大，甚至嚴重過流燒毀電機等?？傊C波將造成不必要的能源損耗，縮短設備使用壽命，使系統(tǒng)安全性降低，敏感設備精確度下降，數據傳輸發(fā)生故障甚至數據丟失，存在安全隱患。
劇場建筑中，舞臺照明設備大量使用，一般功率在500kVA~1200kVA之間，其中90%的負荷是可控硅調光設備，其他是氣體放電光源燈設備。舞臺照明設備在工作時將產生大量諧波電流，對電網產生干擾，引起電壓、電流畸變。
以下為某劇院燈光電源硅控室現(xiàn)場進行諧波測試數據報告：
表2 硅整流設備負荷率在40%時所測數據
表3 硅整流設備負荷率在50%時所測數據
通過以上數據發(fā)現(xiàn)，在負載率為40%～50%時（為大劇院正常演出時常見的負載率），系統(tǒng)中的諧波畸變率達到48%～53%，諧波含量已嚴重超標，并且中性線電流過大，達到約150A，而此時的相線電流約50A。燈光硅控設備產生的3次諧波電流在中性線上疊加使得中性線電流過大，從而使得中性線電纜消耗增加，發(fā)熱量增加，存在發(fā)生火災的安全隱患；且易造成系統(tǒng)保護裝置誤動作，造成不明原因的斷電，影響正常工作。因此，對燈光電源硅控室配電系統(tǒng)進行諧波治理不容忽視。
4.3 諧波治理
對
諧波的治理一般采用安裝無源濾波器或有源濾波器兩種方法。無源濾波器安裝在電力電子設備的交流側，由電感、電容等元件構成LC諧振回路，當LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時，對相應頻率諧波電流進行分流，提供被動式諧波電流旁路通道，即可阻止該次諧波流入電網。由于具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點，且能解決系統(tǒng)諧波問題，可以達到國家電力部門標準。故無源濾波是目前采用的安全無功補償并濾除部分諧波的主要手段。
有源濾波器則主要是由電力電子元件組成電路，使之產生一個與系統(tǒng)的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。有源濾波器具有高度可控性和快速響應性，能補償各次諧波，可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點；且濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；但由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發(fā)展限制，成本極高。然而隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，有源濾波技術作為改善電能質量的關鍵技術，其應用范圍也將從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)的電能質量的方向發(fā)展。
通過分析，為有效抑制諧波電流，并結合經濟因素，在劇場建筑電氣設計時，建議采用集中設置無源濾波和就地設置有源濾波相結合的方式。
就地設置有源濾波器適用于諧波源設備相對集中且設備功率較大的場所，如劇場的舞臺燈光調光配電機房內，舞臺音響、同聲翻譯的電聲設備旁等。通過就地設置濾波器，能有效消除此類非線性設備產生的諧波對其供電電網的反饋，減少其對相鄰配電網上其他設備的傳輸干擾。其配電電流也因其電源的潔凈和高功率因數，規(guī)格截面的選擇也控制在針對性狀態(tài)，從而減少了無功電能在纜線上的損耗。
集中設置濾波方式，主要以在變電所變壓器低壓側設置為主。若在變壓器低壓側集中設置有源濾波，由于總的設備容量較大，投資較大，一般僅適用于某些照明類或諧波嚴重的特定類專用配電變壓器旁。集中濾波器方式的另一種更經濟實用的應用是在樓內已就地設置有源濾波的前提下，作為后備措施及分級抑制諧波措施，有針對性地對一些較為分散、負荷又小的非線性設備，如電子系統(tǒng)熒光燈、電腦、辦公自動化設備、小容量的變頻裝置等（注：這些設備產生的3次、5次諧波較多）采取在電容器柜內串接對應的電抗器來進行抑制。
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