关于现代交通建筑中引发电能质量问题的思考

论坛会演讲内容关于现代交通建筑中引发的电能质量问题的思考邵民杰1主要内容1．概述2．谐波产生的危害及治理3.

电压骤降产生的危害及治理2•

1．概述•

近年来，随着城市化发展进程的不断加快，城市建筑包括交通建筑的建设也进入持续发展时期，交通建筑包括机场、铁路、港口、汽车、城市轨道交通、磁浮车站等建筑，交通建筑的主要特点就是旅客、货邮吞吐量大，建筑物使用功能性强，电能负荷需求大，对电能的质量有较高的要求，特别是大型机场、铁路等现代交通建筑业3•

电能是现代社会中使用最广泛的能源，电能质量关系到各行各业及人们工作生活的正常用电，关系到国民经济发展的总体效益•

目前电能质量越来越受到现代新技术行业的重视，而现代交通建筑中的如：机场、高速铁路、地铁、磁浮等所涉及到的技术就越来越重视电能质量，良好的电能质量是保证电力设施和用电设备安全、可靠、高效运行的基础。42．谐波产生的危害及治理•

现代交通建筑业中产生谐波的设备越来越多，电气化铁道会向公共电网注入大量的谐波，大量使用的变频器、不间断电源、EPS装置、开关电源、变频电源、计算机、照明调光设备、电子整流器、节能灯、电梯驱动器、变压器、铁芯电抗器、可控硅控制装置等也成为主要的谐波源。•

所谓谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率（50Hz）的整数倍。在电网中如有大量非线性电气设备运行着，其电压、电流波形已不是标准的正弦波形，而是有不同程度畸变的非正弦波5通常谐波电压和谐波电流含量分别由下式表示：UI=U2hHh=

2=I2hHh=

2此外表征电压、电流波形畸变程度的总谐波畸变率，是用周期性电气量中的谐波含量与其基波分量有效值之比，用百分数表示。电压、电流总谐波畸变率分别表示为：THDU=

UH

/

U1THDI=

IH

/

I

16•

谐波的存在是对电网环境的污染，其对电力系统和用电设备及周边的通信系统产生较大的危害，主要表现在以下几个方面：•

增加电力设施负荷，降低系统的功率因数，降低用电设备的使用效率，增加电能损失。•

影响电气设备的正常运行。•

谐波使电网的电压与电流波形发生畸变，影响电能质量，使电网中的设备遭受损害。•

引起电网谐振。•

3的倍数次谐波电流会导致配电线路中的N线过载，使线缆过热，破坏绝缘。•

谐波会改变继电保护性能，导致继电保护，特别是微机综合保护器误动作，造成供电故障。•

谐波会干扰正常的通信系统及控制系统，引起信号的丢失等7•由于现代交通建筑中各种非线性设备的大量采用，产生了较多的谐波，因此如何把谐波分量降低到限定的范围内是保证电能质量稳定的一项重要任务。•以往设计建造的一些交通建筑中，曾发生过由于不注意谐波的存在及其危害从而导致工程在正常运行中出现过保护开关误动作，线缆发热绝缘受损，控制器控制程序失灵，计算机设备不能正常工作等情况。•国内也曾发生过某机场由于大量的谐波干扰，而导致供电系统较大面积故障的极端事件，给用户造成了不小的损失。8•

常用的减少谐波的基本技术措施主要包括：–

将非线性负荷单独或成组放置在配电系统的上游，以远离敏感负荷；–

建立隔离电源，通过隔离变压器为非线性负荷供电；–

采用Dyd结线的三圈变压器，阻止5次和7次谐波向上游电网扩散；–

加装电抗器来抑制谐波，减小其对电网的影响；–

选择合适的接地方式如TN-S系统等。•

除了我们常用的基本技术措施外，还可采用专门的措施用于抑制谐波的危害主要方式可有两种：•

一是对可能产生的谐波源设备进行限制或进行改进，使改进后的设备产生的谐波限定在规定的范围内，•

另一种是装设谐波补偿装置来对出现的谐波进行有效补偿9•其主要方法常有：•装设无源滤波器•传统的抑制高次谐波的方法，是采用LC无源滤波器。其主要优点是结构较简单，投入及运行成本较低，在较宽的频率范围内呈现为低阻抗，可抑制多个频率的谐波，在吸收高次谐波的同时又可进行无功功率补偿，能够改善负载的功率因数。•装设有源滤波器•有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，它的应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。10•通常其具有以下特点：•A．实现动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有快速的响应；•B．可同时对谐波和无功功率进行补偿；且补偿无功功率的大小可做到连续调节；•C．即使补偿对象电流过大，有源滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；•D．受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；•E．能跟踪电网频率变化，补偿性能不受电网频率变化的影响；•F．即可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中补偿。11•

3

电压骤降产生的危害及治理•

所谓电压骤降也称电压暂降(voltage

sag

or

voltage

dip)

是指供电电压有效值的突然快速下降或几乎完全损失，然后又回升至正常值附近•

电压骤降一般采用保留电压和持续时间来说明•

国际电工委员会（IEC）将其定义为供电电压有效值快速下降到其额定值的90％～1％，而后又快速恢复到额定值的90％以上•

持续时间为10ms到数拾秒不等12电

压

下

降

低至90%及以下即

视

为

暂

降电压恢复达到90%以上即视为暂降结束三相电压中最低的降幅即视为暂降的降幅13•

电压骤降是电能质量中出现的常见问题，造成电压骤降的原因很多•

相对于完全断电现象，电压骤降发生的几率要远高于完全断电情况•

电压骤降对许多用户特别是民用建筑用户的影响很小，有的甚至也觉察不出它的发生•

一些对电压骤降非常敏感的用户及设施（例如：半导体行业、数字电子控制设备、IT产业设备企业等）一旦发生电压骤降，有时所带来的损失将是巨大的•

据统计，在欧洲和美国，电力部门与用户对电压骤降的关注程度甚至要比对其它有关电能质量问题的关注程度强得多14•

敏感电力用户开始认识到一味地要求电力公司从供电侧提高供电可靠性对解决电压骤降问题意义并不大•

逐步地转而将焦点放到设备生产商和用电设备上•

目前，国外针对电压骤降问题的解决策略通常为：•

按照电能质量的国际标准和行业标准，逐步由原来要求从供电侧来解决问题，转变成深入到生产设备来解决问题•

理论上来说，在任何一级设备上治理都可以达到改善电能质量的目的，但是所花费的硬件费用与时间却不同15①

电力公司解决②

整个企业解决③

解决整条生产线④

解决敏感设备⑤

解决敏感设备控制部分16•

虽然对于公共、民用建筑而言，对电压骤降的发生并不敏感•

我们的电气设计中也并未刻意地要求去如何应对、防止电压骤降的现象•

但是对于一些比较重要的，对供电质量有较高要求的公共建筑，忽略电压骤降的存在及造成的影响，确实会给用电设施及运行管理带来不同程度的危害17公共交通建筑中所面临的电压骤降问题18•

国内某国际机场航站楼

：签于机场的重要性，整个机场航站楼的供电可靠性要求非常高•

从多年来的实际运行情况看，供电的可靠性及保证率是很高的，极少发生供电完全中断的情况•

与此高可靠性情况相反，由供电电网上出现的电压骤降的现象平均每年会发生10~20次•

而航站楼一旦发生电压骤降的现象，对楼内设施影响较大的要数对电压骤降非常敏感的电子信息系统、数据处理设施、行李处理系统以及自动扶梯、自动人行步道等•

电子信息系统、数据处理等设施的电源前端都配置了UPS装置，免受了电压骤降的危害•

行李处理系统的传运设备，自动扶梯、自动人行步道等由于供电侧并无任何防电压骤降的措施，所以易遭受不同程度的影响19电压骤降的治理对策•

由于不同用电设备对电压骤降的容忍度不同，而目前全球电力行业在运营中尚无法完全避免电压骤降的发生•

对于一些对电压质量要求较严格，电压骤降造成影响大的设施近年来各先进国家的重要用户大多从自身考虑进行必要的预防和治理措施，以提高对电压骤降的容忍度•

就目前，既然电压骤降的治理，单从电力供应的源头上去考虑已是无法完全实现或者所花费的成本也不允许这样做•

有效的方法只能是用户从自身设备或局部配电系统去进行末端治理，这样所花费的代价及带来的效果要远优于单从电力系统源头上去进行治理20•对于自动扶梯，自动人行步道，最具成本效益的方法是在选择这些设施时注意要求设备商能尽量减少自动扶梯，自动人行步道因突发电压骤降引起跳闸时而出现的强烈颠簸，确保乘客安全•为完全避免这些故障的发生，可采取措施进行治理。•采用动态电压调节器（DVR），它的使用可有效保护由于电压骤降、骤升引起的设备运行故障，提高效率，减少故障及维护成本。21•

DVR装置主要是用于修正电压骤降、相角误差、三相不平衡和电压骤升，并提供连续的电压调节22•

对于有效防止电压骤降，除了采用上述的DVR装置外，亦可采用不间断电源UPS

装置提供稳频稳压输出，在市电异常时保持对负载的不间断稳定供电•

两者在初期投资、运行成本、维护等方面有差异•

采用UPS

方案占地面积较大，维护和运行成本较高•

国际上针对电压骤降治理的方案已开始较广泛使用无需蓄电池且具有高性能的带负荷动态电压补偿的DVR装置23小结•

电能质量及供电可靠性一直是用户和电气设计师所关注的问题•

因为其直接影响供电系统及设备的正常运行，特别是对于诸如现代大型交通建筑等对电能质量较为敏感的项目。•

而电能质量中有关谐波