智能建筑中的電能質量問題及其監測

陳尊發

摘要：近年來，智能建筑向智能建筑群、智能街區、智能城市迅速發展，成為新的經濟增長點。智能建筑也成為一個地區、一座城市、一個國家經濟和科技實力的象征。但是，智能建筑中大量的非線性負荷形成的諧波源，產生諧波和無功功率，對配電系統造成污染，使電能質量下降，給智能建筑中的電氣設備、電子設備及樓宇智能化系統帶來了嚴重危害以及不良影響。本文對智能建筑中的電能質量問題及其監測進行了闡述，并以某小區配電系統為例，對其進行了電能質量測試。通過數據分析，為建設智能校區的工程規劃提供了建議。

關鍵詞：智能建筑；電能質量；監測

隨著智能建筑以及智能小區的迅速發展，若治理不力，這種污染將愈來愈重，將成為公用電網的主要污染源。這些負荷可以分為兩類：一類是含有開關電源的非線性負荷（電壓型諧波源屬容性負載），如：個人計算機、打印機、電信設施、含電子鎮流器的照明燈具、電視機、樓宇智能化設施等；另一類是呈電感性非線性負荷，如含電感鎮流器的照明燈具等。這兩類非線性負荷構成了智能建筑的主要諧波源

一、智能建筑中的電能質量問題

1.交- 直-交變頻調速裝置具有節省電能20%-50%的優點，廣泛應用于變頻空調、風機、水泵等電動機的變頻調速。變頻裝置一般采用晶閘管或大功率晶體管線路制成，這種電路在輸入周期的部分時間提取脈沖式電流，因而在電源線上產生的諧波電流比同功率的旋轉電機所產生的諧波電流大的多。諧波電流主要是由元器件的非線性、波形的破碎及晶閘管、晶體管、二級管等半導體器件的反向尖峰電流所造成。我們對電梯、恒壓供水、通風設備專用回路進行了檢測。從檢測結果可以看出，變頻調速裝置的諧波電流主要是5 次和7 次諧波，其次是11 次以后的高次諧波。家用變頻空調由于具有快速制冷、舒適性好、超低溫制熱、快速除霜、電壓適應性好等優點受到人們的廣泛歡迎。再加上具有節約電能、降低加速器運動部件的磨損等優點，變頻空調基本取代了傳統空調。

2.三相UPS 對電能質量的影響。在一些重要的建筑供電負荷以及一些對持續供電有特殊要求的用電設備，廣泛采用UPS 電源保證供電的持續性。UPS電源是一種典型的電力電子整流逆變裝置，在工作中由于控制方式簡單，因此在持續供電的同時，也產生了大量的諧波電流。是UPS設備在不同負荷率下的專用電路諧波實測數據中不難看出5、7 次諧波超標嚴重。

3.照明用電的電量約占全社會總用電量的10%，晚間高峰負荷時，照明用電負荷約占各電網總負荷的20%左右，照明負荷的性質對低壓公共電網安全運行和供電質量的影響很大。照明光源大體上可分兩大類，第一類是熱輻射光源，包括白熾燈和各種類型的鹵鎢燈，碘鎢燈。它們是純電阻線性負載，對電網無不良影響；第二類是氣體放電光源，包括熒光燈、緊湊型節能燈、高壓鈉燈、高壓汞燈、金屬鹵化物燈、霓虹燈等。它們是氣體電弧放電性負載，由于用作限流、穩弧的鎮流器技術性能不好，他們已經成為低壓公用電網的主要諧波源。照明設備量多且分散，在電網中所占負荷比重又很高，所以危害很大。

二、智能建筑中的電能質量監測

智能建筑是隨著計算機技術和信息通信技術的發展應運而生的一種新的建筑形式。現代智能建筑包含樓宇自控系統、綜合布線系統、視頻監控系統、電力監控系統等子系統。其中電力監控系統對建筑物內的高低壓配電設備進行統一監視和管理，是智能建筑的重要組成部分，為配電系統的可靠性、安全性、連續性以及提高電能使用效率提供保障。

1.在線監測。在電力監控系統前端選擇合理的監測點，配備具有電能質量監測功能的智能裝置，用于連續監測變配電系統的諧波、三相不平衡度、電壓波動、中性線電流、電壓擾動等。通過智能化電力監控軟件的電能質量分析功能，將電量變化趨勢、諧波等以圖形或表格的形式直觀地顯示出來。當電能質量指標越限時，及時發出提示或報警信息。當發生電壓擾動時，及時捕捉電壓暫降等暫態電能質量事件，并對發生故障的部分進行錄波、故障記錄，為故障分析提供可靠的數據。這樣一方面可以提前發現故障隱患，并加以預防，從而避免設備出現故障以及由此而引起的停電；另一方面，當出現故障時，能盡快發現問題，迅速判斷故障點以及故障原因，給維護人員提供有效的信息，從而及時恢復供電。該系統能專業

化地滿足現代電能管理的要求，提供電能質量的完整數據，幫助用戶分析和控制配電系統，從而提高系統在電力監控、電能質量、供電可靠性等方面的可用性，為辦公自動化和高質量生活服務。

2.專項監測。對于需要掌握電能質量情況，又不需要在線監測或不具備在線監測條件的場合，或臨時反映有電能質量出現異常，需要進行改造前后的技術比對驗證時，利用便攜式電能質量監測儀就可以實現電能質量檢測的特定目的。便攜式電能質量監測儀具有使用方便、靈活的優點，可以有效地為用戶節省投資。商業區、建筑群的配電點的電能質量檢測，可以根據重要程度每隔一個月、一季度或半年檢測一次。但是使用便攜式電能質量監測儀進行定期或專項檢測，由于每次的測試時間短，難以捕捉到暫態事件和極端現象，無法獲取全面的電能質量數據，一般只適用于測試諧波、三相不平衡等穩態電能質量數據。

三、實例分析

1.某小區由于建設智能型小區的需要，為了解其供電情況，采用便攜式電能質量監測儀對其兩臺變壓器出線端進行了為期三天的電能質量專項檢測。根據測試數據，得出電能質量綜合報表（見表）。

2.從測試結果分析可知：

（1）兩臺變壓器的三相電壓比較正常，相電壓幅值在230-240V內浮動，符合國標規定的±10 %要求。2#變壓器電壓幅值略高于1#變壓器。兩臺變壓器的頻率較理想，均為50 Hz，符合國標規定的頻率偏差不超過±2 %的要求。兩臺變壓器的三相電壓不平衡度均在2 %以下，符合國標要求。1#變壓器的電壓不平衡度略大于2#變壓器。

（2）380V低壓系統的電壓總諧波畸變率（THD）的限值為5.0 %，奇次諧波含有率的限值為4.0%。1#變壓器的電壓總諧波畸變率嚴重超標，三相電壓THD都在7 %以上。從單次諧波含有率來看，主要是電壓3次諧波含有率超標，其他各次諧波含有率均符合國標要求；2#變壓器的電壓總諧波畸變率正常，約為0.4 %，符合國標要求，主要是5次、7次諧波。由于小區中的機房、宿舍樓等的計算機負荷、各種節能燈具較多，所以諧波問題較嚴重。在380V系統中，諧波會使配電變壓器的繞組、外層硅鋼片、外殼、金屬緊固零件的局部發熱嚴重，降低變壓器輸出功率，還引起振動和噪聲，影響變壓器的使用壽命；無功補償電容器因諧波影響，不能正常投入；未配置UPS的計算機會出現死機、自動重啟現象，引起數據丟失及元件損壞；最為嚴重的隱患是中性線長期過流，導致導線局部溫升過高、絕緣老化，可能引起火災事故。根據監測數據分析，建議供電管理科在工程規劃時考慮對1#變壓器出現的諧波嚴重超標現象進行治理。

四、電能質量問題解決方法

針對智能建筑中常見的諧波、不平衡現象等引起的各種電能質量問題，可采用如下解決方案：

1.采用有源或者無源濾波器，吸收電網中的諧波電流，減少諧波。增加系統容量。通過提高供電系統的短路容量，減小諧波源對其他用電設備的影響。增大中性線截面，避免中性線長期過流導致的導線局部溫升過高，絕緣老化現象，消除引起火災事故的隱患。改善系統的三相不平衡。通過找出因電源電壓、線路阻抗、負荷特性因素導致的三相不平衡原因，并加以消除，如合理設計單相負載的安裝位置等。該方案可以有效減小系統中零序諧波的產生，有利于設備的正常用電，減小損耗。

2.合理使用UPS。對重要的、敏感的負載使用UPS，可以有效地減少電能質量問題對負載運行的影響。

智能建筑中的電能質量問題是一個不容忽視的問題。解決電能質量問題，首先要提高認識、增強技術手段，有必要對城市智能建筑中的非線性負荷進行電能質量監測，以獲取電能質量方面的典型數據，從而了解產生問題的根源，分析得出主要結論，并針對主要問題及時實施必要的技術解決方法，改善和提高電能質量。

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