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電能質(zhì)量
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劇場建筑供電的設(shè)計(jì)及諧波治理

返回列表來源：領(lǐng)步電能質(zhì)量發(fā)布時(shí)間：2016-03-16分享加入收藏關(guān)注：-

專家講堂3

1 負(fù)荷分級及供電要求
設(shè)計(jì)之初，用電負(fù)荷等級的確定尤為重要。首先應(yīng)明確劇場等級。劇場建筑根據(jù)耐火等級及耐久年限可分為特、甲、乙、丙四個(gè)等級，其中，特等劇場的技術(shù)要求根據(jù)具體情況確定；其用電負(fù)荷等級確定及供電要求應(yīng)符合相應(yīng)規(guī)范要求，具體如表1所示。

表1 劇場建筑用電負(fù)荷等級及供電要求

劇場用電等級及供電要求

2 電源及供配電系統(tǒng)

特、甲等劇場中舞臺機(jī)械，舞臺照明等設(shè)備用電均為一級負(fù)荷，按照規(guī)范要求，應(yīng)從兩個(gè)不會同時(shí)損壞的變電站，分別引一路10kV電源，每路電源均能承擔(dān)全部二級以上負(fù)荷，兩路10kV電源同時(shí)工作，互為備用。當(dāng)受條件制約，僅能提供一路10kV電源時(shí)，則應(yīng)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為第二電源。乙、丙等劇場的負(fù)荷分級確定應(yīng)同時(shí)遵循一類或二類高層的負(fù)荷分級原則，負(fù)荷級別應(yīng)按高者確定。若為一類高層建筑，則按一級負(fù)荷要求供電；否則按二級負(fù)荷要求，由兩回線路供電或由一路10kV專用電纜供電。一級負(fù)荷中，特別重要負(fù)荷則應(yīng)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)或UPS電源作為應(yīng)急電源。

設(shè)計(jì)過程中不難發(fā)現(xiàn)，劇場建筑中舞臺機(jī)械、舞臺燈光為主要用電負(fù)荷，且較大和集中。結(jié)合表1中負(fù)荷等級的確定及供電要求，特、甲等劇場應(yīng)由變配電室引獨(dú)立的兩路電源至舞臺機(jī)械控制室、硅控室，并在控制室內(nèi)設(shè)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(fù)荷要求供電，由變配電室引單路電源至相應(yīng)配電機(jī)房。其次，特、甲等劇場的空調(diào)機(jī)房、鍋爐房等用電為二級負(fù)荷，由于空調(diào)機(jī)組較為分散，建議采用在適當(dāng)位置（如：首層配電間）集中設(shè)置雙電源互投箱的方式供電（此類負(fù)荷供電與大型商業(yè)的空調(diào)設(shè)備類似）。其他普通照明、電力等一般負(fù)荷則根據(jù)供電要求，采用放射式與樹干式相結(jié)合的方式，對于單臺容量較大的負(fù)荷或重要負(fù)荷放射式供電；對于照明及一般負(fù)荷采用樹干式與放射式相結(jié)合的供電方式。

另外，由于舞臺燈光調(diào)光設(shè)備中晶閘管的使用產(chǎn)生諧波的干擾，勢必對舞臺燈光、音響系統(tǒng)等電聲設(shè)備產(chǎn)生影響，這也直接影響到整場演出的效果。同樣，在演出時(shí)，舞臺機(jī)械設(shè)備的頻繁啟動(dòng)，將引起電源電壓的波動(dòng)，然而舞臺燈光設(shè)備對電源電壓的波動(dòng)非常敏感（規(guī)范要求變壓器低壓出線的波動(dòng)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(zhuǎn)播設(shè)備宜由不同的變壓器供電；舞臺燈光、舞臺機(jī)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(diào)光設(shè)備，可控硅調(diào)光設(shè)備在使用過程中，將使電源波形非正弦化，造成多項(xiàng)奇次諧波分量較大。實(shí)驗(yàn)表明，采用Y/Y0接線方式的電源變壓器，在三相對稱滿負(fù)荷下，可控硅觸發(fā)導(dǎo)通角在90°時(shí)波形畸變率高達(dá)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(dá)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(gòu)成通路，零序磁通相互抵消，使3次諧波產(chǎn)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(yùn)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(dāng)正弦波電壓施加在非線性電路上時(shí)，電流就變成非正弦波，非正弦波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。對非正弦波進(jìn)行傅立葉級數(shù)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(fù)載大部分是非線性的，如UPS、整流器、變頻器、電梯、空調(diào)、節(jié)能燈（熒光燈）、復(fù)印機(jī)、電弧爐、焊接設(shè)備等等，這些非線性負(fù)載會產(chǎn)生大量的諧波電流并注入到電網(wǎng)中，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變，這種諧波“污染”會對電網(wǎng)和用戶產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。

4.1 諧波對供電設(shè)備的危害

由于諧波的存在，在電力變壓器、電纜、發(fā)電機(jī)及電力電容等設(shè)備上產(chǎn)生明顯的集膚效應(yīng)，使得電力變壓器、發(fā)電機(jī)等鐵磁設(shè)備損耗明顯增大，產(chǎn)生過熱，絕緣提前老化；電力電容器無功補(bǔ)償裝置無法正常投切，電力電容器介質(zhì)損耗增大、過熱、甚至擊穿。

4.2 諧波對用電設(shè)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(jīng)不再是純凈的正弦波，因此，凡用電設(shè)備不論自身是線性負(fù)載還是非線性負(fù)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(fù)載受到干擾，計(jì)算機(jī)出錯(cuò)、死機(jī)，造成數(shù)據(jù)丟失、計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備出現(xiàn)異常故障；負(fù)載電路中產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，數(shù)據(jù)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(hù)裝置異常動(dòng)作, 開關(guān)誤跳閘；伺服電機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)，異步交流電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，噪聲增大，甚至嚴(yán)重過流燒毀電機(jī)等?？傊?，諧波將造成不必要的能源損耗，縮短設(shè)備使用壽命，使系統(tǒng)安全性降低，敏感設(shè)備精確度下降，數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生故障甚至數(shù)據(jù)丟失，存在安全隱患。

劇場建筑中，舞臺照明設(shè)備大量使用，一般功率在500kVA~1200kVA之間，其中90%的負(fù)荷是可控硅調(diào)光設(shè)備，其他是氣體放電光源燈設(shè)備。舞臺照明設(shè)備在工作時(shí)將產(chǎn)生大量諧波電流，對電網(wǎng)產(chǎn)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(jìn)行諧波測試數(shù)據(jù)報(bào)告：

表2 硅整流設(shè)備負(fù)荷率在40%時(shí)所測數(shù)據(jù)

電流諧波畸變

表3 硅整流設(shè)備負(fù)荷率在50%時(shí)所測數(shù)據(jù)

負(fù)荷在50%時(shí)電流諧波畸變率

通過以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在負(fù)載率為40%～50%時(shí)（為大劇院正常演出時(shí)常見的負(fù)載率），系統(tǒng)中的諧波畸變率達(dá)到48%～53%，諧波含量已嚴(yán)重超標(biāo)，并且中性線電流過大，達(dá)到約150A，而此時(shí)的相線電流約50A。燈光硅控設(shè)備產(chǎn)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(zāi)的安全隱患；且易造成系統(tǒng)保護(hù)裝置誤動(dòng)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(jìn)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(shè)備的交流側(cè)，由電感、電容等元件構(gòu)成LC諧振回路，當(dāng)LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí)，對相應(yīng)頻率諧波電流進(jìn)行分流，提供被動(dòng)式諧波電流旁路通道，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。由于具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，且能解決系統(tǒng)諧波問題，可以達(dá)到國家電力部門標(biāo)準(zhǔn)。故無源濾波是目前采用的安全無功補(bǔ)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(chǎn)生一個(gè)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(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)；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(xiǎn)；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(shù)的不斷發(fā)展，有源濾波技術(shù)作為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用范圍也將從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的方向發(fā)展。

通過分析，為有效抑制諧波電流，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素，在劇場建筑電氣設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用集中設(shè)置無源濾波和就地設(shè)置有源濾波相結(jié)合的方式。
就地設(shè)置有源濾波器適用于諧波源設(shè)備相對集中且設(shè)備功率較大的場所，如劇場的舞臺燈光調(diào)光配電機(jī)房內(nèi)，舞臺音響、同聲翻譯的電聲設(shè)備旁等。通過就地設(shè)置濾波器，能有效消除此類非線性設(shè)備產(chǎn)生的諧波對其供電電網(wǎng)的反饋，減少其對相鄰配電網(wǎng)上其他設(shè)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(shù)，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(shè)置濾波方式，主要以在變電所變壓器低壓側(cè)設(shè)置為主。若在變壓器低壓側(cè)集中設(shè)置有源濾波，由于總的設(shè)備容量較大，投資較大，一般僅適用于某些照明類或諧波嚴(yán)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(jīng)濟(jì)實(shí)用的應(yīng)用是在樓內(nèi)已就地設(shè)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(fù)荷又小的非線性設(shè)備，如電子系統(tǒng)熒光燈、電腦、辦公自動(dòng)化設(shè)備、小容量的變頻裝置等（注：這些設(shè)備產(chǎn)生的3次、5次諧波較多）采取在電容器柜內(nèi)串接對應(yīng)的電抗器來進(jìn)行抑制。

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