諧波干擾下建筑電氣10kV低壓配電系統設計與實現

李秀珍　孫志城

摘 要： 在對建筑物當前和遠期用電負荷準確評估的基礎上，設計一種建筑電氣10 kV低壓配電系統。基于用電負荷的評估和整個建筑的布局，合理地設計低壓配電系統的硬件部分；對低壓配電系統中存在的諧波干擾進行檢測，并針對主要諧波源及其特點，制定防范和處理措施；基于建筑電氣10 kV低壓配電系統硬件系統設計，制定系統的軟件設計流程。實驗證明了提出的系統設計能夠有效地控制和減少短路及其他電氣故障的發生，穩定可靠。

關鍵詞： 諧波干擾； 低壓配電； 系統設計； 用電負荷評估

中圖分類號： TN011+.92?34； TB21 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0164?04

Abstract： On the basis of accurate assessment of the current and long?term building electrical load， a 10 kV low?voltage power distribution system for building electric equipments was designed. According to the assessment of electric load and layout of the whole building， the hardware unit of the low?voltage power distribution system was designed reasonably. The harmonic interference existing in the low?voltage power distribution system is detected. Aiming at the main harmonic source and its characteristics， the precaution and treatment measures are formulated. The design flow of the system software is formulated on the basis of the hardware system design of 10 kV low?voltage power distribution system for the building electric equipments. The experimental results show that the designed system can control and reduce the situations of short circuit and other electrical faults effectively， and is stable and reliable.

Keywords： harmonic interference； low?voltage power distribution； system design； electrical load assessment

0 引 言

低壓配電系統[1?2]負責整個建筑物的電力供應[3?4]，建筑物的低壓配電系統設計是否合理、有效，將直接影響整棟建筑用電系統和設備能否正常運行[5?6]。本文在對建筑物當前和遠期用電負荷準確評估的基礎上，設計了一種建筑電氣10 kV低壓配電系統。

基于對整棟建筑用電負荷的評估和系統布局的評價，合理地設計硬件系統。但由于建筑物中辦公、照明、空調等用電器的大量存在導致非線性負荷的過度使用而產生諧波，影響供電系統安全。對低壓配電系統中存在的諧波干擾進行檢測，并針對主要諧波源及其特點，制定防范措施。基于建筑電氣10 kV低壓配電系統硬件系統的設計，完成系統的軟件流程的設計。實驗證明了提出的系統設計能夠有效地減少短路和其他故障的發生、性能穩定可靠。

1 建筑電氣10 kV低壓配電系統的設計與實現

1.1 建筑物總用電負荷的評估

對建筑物低壓配電系統進行設計之初，首先要評估整個建筑物當前和遠期的用電負荷，使低壓配電系統設計和整個建筑物的負荷相匹配。配電系統能力設計不足，不能滿足供電需要；反之，又會造成資源和能源的浪費。整個建筑物的保障負荷包括：不間斷交流系統、照明系統、直流系統、專用空調、數據終端用電設備等。當前的用電負荷預估表，如表1所示。

依據中遠期的規劃，未來需要擴充辦公區域、增加網絡交換設備、增加機房及空調等，如表2所示。

表2 建筑物未來用電負荷預期

通過對建筑物當前負荷的預估和未來用電負荷的預期，總用電負荷為1 072 kV·A，可以設計和使用10 kV的低壓配電系統。

1.2 建筑電氣10 kV低壓配電系統的硬件系統設計

建筑電氣10 kV低壓配電硬件系統的設計及分布，是整個低壓配電系統設計的核心和軟件系統運行的載體，因此硬件系統設計的合理性至關重要。建筑電氣10 kV低壓配電硬件系統設計包括電源系統設計（含市電電源、應急電源和UPS電源）、變配電所的布置、配電設備的選用等。圖1為建筑電氣10 kV低壓配電系統電路示意圖。建筑電氣10 kV低壓配電系統的電源可靠性要求較高。系統內的市電電源應與應急電源能夠保持自動切換，對于機房空調、辦公照明等設備中的負荷應采用放射式雙回路配電，電源的負荷在設備中應能夠自由地進行切換。

電源切換采用自動轉換開關，低壓配電系統輸入端市電電源與自備應急電源切換采用自動轉換開關，需考慮使用條件和周圍環境引起的容量損失。

建筑物設置獨立式 10 kV總配電所，發電機房和設備機房要特別注意通風和穩定控制和消防要求，建筑電氣10 kV的變電所布置如圖2所示。

低壓配電系統配電設備的選擇包含低壓配電柜、斷路器、浪涌保護器、無功補償設備等。低壓配電柜分為抽屜式柜型和固定式柜型，如圖3所示。抽屜式低壓配電柜[7]主要用于電機對回路的控制，方便快捷。固定式低壓配電柜[8]組裝零部件少，結構簡單，能夠很好地控制成本。抽屜柜低壓配電柜把接觸器、斷路器等一起分離，更換部件靈活快捷，但有時會影響柜體的耐用度。

固定式低壓配電柜主要用于配電回路和一些大功率的控制回路。對于回路較多的情況，抽屜式配電柜的使用和維護更為方便。本文的10 kV低壓配電系統設計的配電柜采用抽屜式設計。

斷路器是低壓配電系統的主要安全部件，斷路器質量等級和容量大小與系統安全緊密相關。框架斷路器的分斷水平很高，可保障斷開電源的中性線電流對低壓配電系統的損壞，主進線及聯絡開關均要采用四級斷路器。圖4為斷路器電路系統示意圖。

浪涌保護器是建筑電氣10 kV低壓配電系統的電源防雷器，其雷電通流量不應低于 50 kA。為了降低系統損耗、提高供電質量，需要安裝無功補償柜。無功補償柜一般選擇變壓器容量的40%。建筑電氣10 kV低壓配電硬件系統的設計包括電源系統、變電所及低壓變電設備的選用。但在低壓配電系統運行過程中，建筑物中大量非線性負荷的使用，會產生諧波，嚴重影響供電系統安全，因此必須對低壓配電系統中存在的諧波干擾進行檢測和濾除。

1.3 諧波干擾的檢測與濾除

建筑物里的關鍵諧波源設備有照明系統的熒光燈鎮流器、節能燈；打印、復印及繪畫設備；電梯、空調軟啟動器、變頻器等。其中照明系統和辦公設備是關鍵的諧波源，照明設備的電流互相重疊，像節能燈照明會形成 20%以上的3次諧波，辦公設備也會產生很高的諧波畸變率，其他設備的諧波含量一般也在 10%～20%。

由于大量非線性設備的存在，使建筑物低壓配電系統諧波畸變嚴重，因此要在低壓配電系統的硬件系統中加入濾波器進行去諧波處理。低壓配電系統主要采用三相四線有源電力濾波器來對諧波進行檢測和濾除。首先對負荷產生的諧波電流含量進行現場測試，采用疊加的方法計算了由多個非線性負荷相乘的諧波電流；在辨別各樣非線性負荷的諧波電流含量后，對不一樣的諧波源間的各次諧波實行疊加，能先把當中前兩個諧波源形成的諧波實行疊加；然后再和第三個諧波源疊加治理。兩個諧波源的某次諧波電流為[I21k+I22k+λkI21kI22k]，其中[I1k]為首次諧波源第k次電流，[I22k]為第二次諧波源的第k次電流等，[λk]為濾波系數，其取值范圍依據k的變化而變化，需要濾除的諧波總電流有效值為[I′]：

根據[I′]來確定不同的濾波電流和修正系數，實現對諧波的濾除。

1.4 建筑電氣10 kV低壓配電系統的軟件工作流程

完成對建筑電氣10 kV低壓配電硬件系統的設計并增加有源電力濾波器后，基于硬件系統來設計低壓配電系統的軟件系統。低壓配電系統的軟件流程包括網絡搭建、參數選定、網絡檢測、電網計算、系統評價及顯示結果等，具體的軟件流程圖，如圖5所示。

首先來搭建低壓配電網，需要明確是否對網絡容量實行自動選型。若選取自動選型的方式，那么系統自動依據負載容量決定變壓器容量；若選取的是手動選型的方式，由用戶決定網絡容量。然后實行網絡參數及設備參數的選取，結果如表3及表4所示。

電網檢查程序是由計算機系統完成的，其檢查步驟如圖6所示。此步驟很容易產生錯誤，要詳細的檢測各項關鍵內容，保證電網運行的準確性。需要計算的內容包括：計算電流負荷、選擇導體、計算電壓降、計算短路電流等，計算的詳細步驟如圖7所示。電網計算完后，自動對電氣選型。可以查看斷路器選擇性。

計算流程結束后，低壓配電系統會對整個系統運行進行評價，并將相關的數據信息存儲于數據庫。本文設計了一種建筑電氣10 kV低壓配電系統。首先對整個建筑用電負荷進行評估，在檢測和濾除諧波干擾的同時，合理地完成低壓配電硬件系統和軟件流程的設計。

2 實驗結果與分析

以安裝本文系統設計的某建筑物為例，針對建筑電氣10 kV低壓系統有效性，進行了跟蹤測試和實驗。實驗證明本文設計的系統在控制短路次數，及整個系統的穩定性方面對比安裝本系統之前有較大幅度的改善。

從表5統計的短路次數可以看出，安裝本文系統后建筑物短路次數大幅減少。對安裝本低壓配電系統前后各一年時間，整個建筑物各種形式的電路系統故障情況進行統計和對比，分別擬合成曲線如圖8所示。通過實驗數據證明了提出的系統設計能夠更好地控制故障率、穩定有效。

3 結 語

本文通過對某建筑物用電負荷的評估，設計了一種建筑電氣10 kV低壓配電系統。在檢測和濾除諧波干擾的同時，合理地完成了低壓配電硬件系統和軟件流程的設計，實驗證明本文系統設計達到了較好的預期效果。

參考文獻

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