建筑节能之公共建筑电能质量分析研究

建筑节能之公共建筑电能质量分析研究
韩利红胡琥田昕
摘要：随着工业化、城市化进程加快，能源消耗迅速增加，建筑节能已成为建设行业节能领域研究的重要内容之一。但随着现代化用电设备的不断更新，对供配电系统的电能质量提出了更高的要求，同时，对电能质量所引起的能耗仍然没有得到足够的重视。本文通过一个具体的公共建筑电能质量检测分析案例，说明电能质量的检测、计量和分析在建筑节能中起到的重要作用。
关键字：建筑节能；电能质量；能耗分析
引言
伴随着全球气候和环境变化的压力与挑战，人类越来越认识到建筑及其运行对环境的巨大影响。由此掀起了一场世界范围内关于发展“绿色建筑”的高潮。与此同时，信息和网络时代开创的智能系统，更有助于人类建设一个舒适，高效，安全的生活和工作环境。但随着工业化、城市化进程加快，能源消耗迅速增加，资源环境约束和经济快速增长的矛盾，已成为当前经济社会发展面临的严峻挑战。我国是能源稀缺国家，节能减排是我国的一项基本国策和战略决策，而建筑业是人类迄今对自然资源、能源消耗最大的行业之一。随着城市化进程的加快，城市环境受到威胁，如何在建立符合可持续发展观，节约能源、适应生态和气候状态的人居环境的同时，能够节能能源，实现可持续发展，应该是目前建筑业关注的焦点。因此，建筑节能已成为建设行业发展的重要方向，如何在建筑领域内解决好节能问题，对于我国经济持续发展有着十分重要的意义。
多年来，我国已开展了相当规模的建筑节能工作，主要采取先易后难、先城市后农村、先新建后改建、先住宅后公建、从北向南逐步推进的策略。但是到目前为止，建筑节能仍然停留在试点、示范的层面上，尚未扩大到整体，其原因多种多样，如建筑节能开发成本较高；建筑节能的材料、工艺技术未形成体系；国家对建筑节能的规范还没有列入强制执行的范畴；建筑节能缺乏必要的资金支持等。另一方面，对于建筑节能，普遍关注的是新建建筑物的节能问题如何解决，而对已建建筑的电能质量的检测、计量、分析及其造成的巨大损耗问题没有得到足够的重视，这也成为我国建筑节能发展缓慢的重要原因之一。
一问题提出
电能质量一般是指电压或电流的幅值，频率，波形等参数与标准值的偏差。过去，电力系统中许多机电设备都能在上述参量相对较大的变化范围内正常地工作。但是在近五到十年，随着现代科学技术的发展，各种新型、高效、多功能的商务用电设备不断更新，使得诸如商务写字楼这类典型公共建筑中基于电力电子装置的非线性负荷的应用越来越广泛，引起电能质量问题的因素也逐渐增多，对同样快速普及的各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备的安全可靠运行带来严重威胁。另一方面，随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机，微处理器控制的用电设备和电力电子设备在系统中的大量使用，这些设备对来自系统的干扰比机电设备更为敏感，对电能质量的要求也更高。一旦出现电能质量问题，轻则加大电能损耗、引起设备故障，重则导致整个系统的崩溃，可能由此带来的巨大的经济损失和负面的社会影响。同时，这些设备自身也可能是引起电能质量问题的因素，对其他相邻用电设备的正常工作及能耗造成不良影响。
针对这一问题，对耗电设备电能质量进行实际检测，获得相关有效数据，对电能质量进行综合分析，找出问题，提出相应法的解决方案，对系统进行改进改良，从而从根本上解决能耗过高和系统用电质量问题。
商务写字楼是典型的公共建筑之一，其中大量使用的开关式电源、公共照明系统中荧光照明、计算机、打印机、复印机、调光灯等负荷正逐渐成为配电系统中主要的谐波和波动源之一。下面，由一个实际案例入手，来分析商务写字楼的常见电能质量问题。下面通过一个典型案例，分析了商务写字楼的常见电能质量问题、危害及探讨了相关问题的一般解决方案。
二问题分析
某大酒店写字楼由3路10kV电源供电，每个办公室内基本配有UPS，主要对室内的计算机等办公自动化设备进行不间断供电，UPS采用AC-DC-AC在线式拓扑，容量为1～2kW。
该系统全部采用电缆供电，有三台主变压器，容量均为1000kVA，额定电压为10kV/0.4kV，额定电流为57.7A/1443A，接地电阻大约1.2～1.3Ω。变压器和线路所装设的保护有速断保护、过流保护和欠压保护。其中速断保护是主保护，动作时间为0.35s。系统主要采用电容器组作为无功容量的补偿装置，有15kVar和30kVar两种，其中15kVar的电容器的额定电压为400V，额定电流为21.7A。
由于该用户是比较重要用户，采用三回路供电，所以供电可靠率极高，当供电电源发生故障时，另外的两回电源采用倒闸自投的方式迅速投入供电，动作时间为0.7s。
长期以来，用户中性线电流偏大，带负荷运行时可达400A左右，其中三次谐波含量很大。
低压系统主接线如下图1所示。

图1.某大酒店写字楼的系统主接线图
1 测量数据
　　本例中采用Fluke43B电能质量分析仪对供电系统其中一回线路出线进行了测量，典型波形如图2所示。其中，上部波形为AB相间的线电压，下部为中性线电流的波形，它们的频谱分析分别为图3、图4所示。

图2. 一回出线的线电压和中性线电流测量波形

图3. 线电压的频谱分析图4. 中性线电流的频谱分析
由图3可见，线电压有效值为391V，波形为完美的正弦波。电压总谐波畸变率仅为0.7%。
由上图的频谱分析可见，中性线电流中含有丰富的低次谐波。实测的各次谐波电流有效值分别为：基波41.8A，3次谐波121A，5次谐波11.8A，7次谐波5.9A，9次谐波5.2A，11次谐波2A，13次谐波0.8A等。若以基波为基准，电流总谐波畸变率为292.3%。以三次谐波为基准100%，则基波电流含有率34.5%， 5、7、9、11、13次谐波电流含有率分别为9.8%、4.9%、4.3%、1.7%、0.7%。
2 结果分析
被测写字楼的主要用电设备是各种节能灯具（荧光灯、高压气体放电灯、可控硅调光白炽灯等）、冰箱、电视机、录像机、计算机、激光打印机、充电器、UPS电源及各种仪器设备。这些设备大多数容量较小，在数十到数kW，但是数量很多，整体对谐波的影响很大，不容忽视。
在上述设备中，具有全波整流性质的负荷（如UPS等）造成的谐波影响最为严重。在电源电压峰值附近，电源对整流器电容充电，负荷从电源吸收的电流具有脉冲性质。由于接于同一电源的这类负荷吸取的脉冲电流中心轴线基本上一致，因此主要谐波电流几乎是同相位的叠加；另一方面，各相线的谐波电流中三次及其倍数次谐波具有零序分量性质，因此它们在中性线上的汇集叠加，使得中性线上的谐波电流非常大。案例中，电源线电流约400A时，中性线上三次谐波电流高达121A，就是有力的证明。
3 谐波问题的影响
谐波对商务写字楼用电设备寿命和线损的影响，是逐步积累其效应的慢过程。受谐波严重影响而产生的后果，一般也在一定时期后才暴露，因此容易使受害单位及其主管不能及早发现问题，直到严重后果发生。
本案例中，谐波的作用使得配电变压器的绕组、外层硅钢片、外壳、金属紧固零件的局部发热严重，降低变压器输出功率，还引起振动和噪声；无功补偿电容器因谐波关系，不能正常投入；未配置UPS的计算机会出现死机，自动重启现象，引起工作数据丢失及元件损坏；电话出现杂音；最为严重的隐患是中性线长期过流，导致导线局部温升过高，绝缘老化，可能引起火灾事故。
三解决方案
对于写字楼负荷的谐波问题，推荐的解决方案有以下几点：
1 加装无源滤波器
在大的谐波源附近或主要出线处安装若干单调谐及高通滤波器支路，以吸收谐波电流。这种方案可以有效减小谐波量；也可以同时考虑无功补偿问题。
2 改变谐波源的配置方式
具有谐波互补性的设备应集中安装，否则应适当分散或交错使用，适当限制谐波量大的工作方式。该方案可以减小谐波的影响，但对设备配置和工作方式有特殊要求。
3 改善三相不平衡度
找出因电源电压、线路阻抗、负荷特性因素导致的三相不平衡原因，加以消除。该方案可以有效减小3次谐波的产生；有利于设备的正常用电，减小损耗。
4 增加系统容量和中性线截面
提高供电系统的短路容量，可以减小谐波源对其他用电设备的影响；增大中性线截面，可以避免中性线长期过流导致的导线局部温升过高，绝缘老化现象，消除引起火灾事故的隐患。
5 采用有源滤波器
滤波效果比无源滤波器好，同时不必担心导致谐波放大问题。造价较高。
结语
目前，商务写字楼中各种基于电力电子装置的非线性负荷的应用越来越广泛，引起电能质量问题，并由此产生电能损耗的因素也逐渐增多，对各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备的安全可靠运行带来严重威胁。通过对一个具体写字楼供电系统电源出线的测量，分析得出该写字楼供电系统的电能质量问题主要是谐波，并进一步讨论了它的危害及一般解决方案。该写字楼经过此次电能质量检测，分析和查找原因，并根据推荐的解决方案，制订并实施了合理的改造措施，将电能损耗降低了37%，解决了电能质量的安全隐患问题，并在节能中获得了一定的经济效益。
参考文献:
[1] 程浩忠. 电能质量概论. 北京. 中国电力出版社，2008.
[2] 肖湘宁. 电能质量分析与控制. 北京. 中国电力出版社，2010.