智能建筑中的电能质量问题及其监测

陈尊发

摘要：近年来，智能建筑向智能建筑群、智能街区、智能城市迅速发展，成为新的经济增长点。智能建筑也成为一个地区、一座城市、一个国家经济和科技实力的象征。但是，智能建筑中大量的非线性负荷形成的谐波源，产生谐波和无功功率，对配电系统造成污染，使电能质量下降，给智能建筑中的电气设备、电子设备及楼宇智能化系统带来了严重危害以及不良影响。本文对智能建筑中的电能质量问题及其监测进行了阐述，并以某小区配电系统为例，对其进行了电能质量测试。通过数据分析，为建设智能校区的工程规划提供了建议。

关键词：智能建筑；电能质量；监测

随着智能建筑以及智能小区的迅速发展，若治理不力，这种污染将愈来愈重，将成为公用电网的主要污染源。这些负荷可以分为两类：一类是含有开关电源的非线性负荷（电压型谐波源属容性负载），如：个人计算机、打印机、电信设施、含电子镇流器的照明灯具、电视机、楼宇智能化设施等；另一类是呈电感性非线性负荷，如含电感镇流器的照明灯具等。这两类非线性负荷构成了智能建筑的主要谐波源

一、智能建筑中的电能质量问题

1.交- 直-交变频调速装置具有节省电能20%-50%的优点，广泛应用于变频空调、风机、水泵等电动机的变频调速。变频装置一般采用晶闸管或大功率晶体管线路制成，这种电路在输入周期的部分时间提取脉冲式电流，因而在电源线上产生的谐波电流比同功率的旋转电机所产生的谐波电流大的多。谐波电流主要是由元器件的非线性、波形的破碎及晶闸管、晶体管、二级管等半导体器件的反向尖峰电流所造成。我们对电梯、恒压供水、通风设备专用回路进行了检测。从检测结果可以看出，变频调速装置的谐波电流主要是5 次和7 次谐波，其次是11 次以后的高次谐波。家用变频空调由于具有快速制冷、舒适性好、超低温制热、快速除霜、电压适应性好等优点受到人们的广泛欢迎。再加上具有节约电能、降低加速器运动部件的磨损等优点，变频空调基本取代了传统空调。

2.三相UPS 对电能质量的影响。在一些重要的建筑供电负荷以及一些对持续供电有特殊要求的用电设备，广泛采用UPS 电源保证供电的持续性。UPS电源是一种典型的电力电子整流逆变装置，在工作中由于控制方式简单，因此在持续供电的同时，也产生了大量的谐波电流。是UPS设备在不同负荷率下的专用电路谐波实测数据中不难看出5、7 次谐波超标严重。

3.照明用电的电量约占全社会总用电量的10%，晚间高峰负荷时，照明用电负荷约占各电网总负荷的20%左右，照明负荷的性质对低压公共电网安全运行和供电质量的影响很大。照明光源大体上可分两大类，第一类是热辐射光源，包括白炽灯和各种类型的卤钨灯，碘钨灯。它们是纯电阻线性负载，对电网无不良影响；第二类是气体放电光源，包括荧光灯、紧凑型节能灯、高压钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯、霓虹灯等。它们是气体电弧放电性负载，由于用作限流、稳弧的镇流器技术性能不好，他们已经成为低压公用电网的主要谐波源。照明设备量多且分散，在电网中所占负荷比重又很高，所以危害很大。

二、智能建筑中的电能质量监测

智能建筑是随着计算机技术和信息通信技术的发展应运而生的一种新的建筑形式。现代智能建筑包含楼宇自控系统、综合布线系统、视频监控系统、电力监控系统等子系统。其中電力监控系统对建筑物内的高低压配电设备进行统一监视和管理，是智能建筑的重要组成部分，为配电系统的可靠性、安全性、连续性以及提高电能使用效率提供保障。

1.在线监测。在电力监控系统前端选择合理的监测点，配备具有电能质量监测功能的智能装置，用于连续监测变配电系统的谐波、三相不平衡度、电压波动、中性线电流、电压扰动等。通过智能化电力监控软件的电能质量分析功能，将电量变化趋势、谐波等以图形或表格的形式直观地显示出来。当电能质量指标越限时，及时发出提示或报警信息。当发生电压扰动时，及时捕捉电压暂降等暂态电能质量事件，并对发生故障的部分进行录波、故障记录，为故障分析提供可靠的数据。这样一方面可以提前发现故障隐患，并加以预防，从而避免设备出现故障以及由此而引起的停电；另一方面，当出现故障时，能尽快发现问题，迅速判断故障点以及故障原因，给维护人员提供有效的信息，从而及时恢复供电。该系统能专业

化地满足现代电能管理的要求，提供电能质量的完整数据，帮助用户分析和控制配电系统，从而提高系统在电力监控、电能质量、供电可靠性等方面的可用性，为办公自动化和高质量生活服务。

2.专项监测。对于需要掌握电能质量情况，又不需要在线监测或不具备在线监测条件的场合，或临时反映有电能质量出现异常，需要进行改造前后的技术比对验证时，利用便携式电能质量监测仪就可以实现电能质量检测的特定目的。便携式电能质量监测仪具有使用方便、灵活的优点，可以有效地为用户节省投资。商业区、建筑群的配电点的电能质量检测，可以根据重要程度每隔一个月、一季度或半年检测一次。但是使用便携式电能质量监测仪进行定期或专项检测，由于每次的测试时间短，难以捕捉到暂态事件和极端现象，无法获取全面的电能质量数据，一般只适用于测试谐波、三相不平衡等稳态电能质量数据。

三、实例分析

1.某小区由于建设智能型小区的需要，为了解其供电情况，采用便携式电能质量监测仪对其两台变压器出线端进行了为期三天的电能质量专项检测。根据测试数据，得出电能质量综合报表（见表）。

2.从测试结果分析可知：

（1）两台变压器的三相电压比较正常，相电压幅值在230-240V内浮动，符合国标规定的±10 %要求。2#变压器电压幅值略高于1#变压器。两台变压器的频率较理想，均为50 Hz，符合国标规定的频率偏差不超过±2 %的要求。两台变压器的三相电压不平衡度均在2 %以下，符合国标要求。1#变压器的电压不平衡度略大于2#变压器。

（2）380V低压系统的电压总谐波畸变率（THD）的限值为5.0 %，奇次谐波含有率的限值为4.0%。1#变压器的电压总谐波畸变率严重超标，三相电压THD都在7 %以上。从单次谐波含有率来看，主要是电压3次谐波含有率超标，其他各次谐波含有率均符合国标要求；2#变压器的电压总谐波畸变率正常，约为0.4 %，符合国标要求，主要是5次、7次谐波。由于小区中的机房、宿舍楼等的计算机负荷、各种节能灯具较多，所以谐波问题较严重。在380V系统中，谐波会使配电变压器的绕组、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，影响变压器的使用寿命；无功补偿电容器因谐波影响，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，引起数据丢失及元件损坏；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。根据监测数据分析，建议供电管理科在工程规划时考虑对1#变压器出现的谐波严重超标现象进行治理。

四、电能质量问题解决方法

针对智能建筑中常见的谐波、不平衡现象等引起的各种电能质量问题，可采用如下解决方案：

1.采用有源或者无源滤波器，吸收电网中的谐波电流，减少谐波。增加系统容量。通过提高供电系统的短路容量，减小谐波源对其他用电设备的影响。增大中性线截面，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。改善系统的三相不平衡。通过找出因电源电压、线路阻抗、负荷特性因素导致的三相不平衡原因，并加以消除，如合理设计单相负载的安装位置等。该方案可以有效减小系统中零序谐波的产生，有利于设备的正常用电，减小损耗。

2.合理使用UPS。对重要的、敏感的负载使用UPS，可以有效地减少电能质量问题对负载运行的影响。

智能建筑中的电能质量问题是一个不容忽视的问题。解决电能质量问题，首先要提高认识、增强技术手段，有必要对城市智能建筑中的非线性负荷进行电能质量监测，以获取电能质量方面的典型数据，从而了解产生问题的根源，分析得出主要结论，并针对主要问题及时实施必要的技术解决方法，改善和提高电能质量。

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