有源滤波器在剧院建筑中的应用

2015-03-22上海天华建筑设计有限公司上海200235

现代建筑电气 2015年10期

陈涛(上海天华建筑设计有限公司, 上海 200235)

有源滤波器在剧院建筑中的应用

陈涛
(上海天华建筑设计有限公司, 上海 200235)

剧院建筑中大量使用晶闸管调光设备等非线性设备产生谐波,对电网、用电设备、线路电缆等造成一定的影响。结合某剧院建筑供电系统中有源滤波器的应用情况,介绍了谐波的产生及对舞台、灯光音响的危害,阐述了有源滤波器进行谐波治理后的效果评估情况,说明有源滤波器在艺术中心,剧院等场所的使用意义。

剧院建筑; 晶闸管调光设备; 谐波; 有源滤波器

0 引言

晶闸管调光器是目前舞台照明、环境照明领域的主流设备,是一种典型的非线性电气设备。采用晶闸管技术对照明系统进行控制,以控制晶闸管的导通角来对输入电压进行斩波,从而改变输出电压以实现输出电流恒定的目的。晶闸管调光器具有电压调节速度快、精度高、可分时段实时调整、体积小、重量轻、成本低等特点,在剧场场所广泛使用,必然出现大量谐波,形成对电网系统的谐波污染。

1 剧院建筑供电系统谐波的来源和危害

剧院供电系统的剧场灯光系统、调光设备以及舞台机械变频设备等非线性设备产生大量的电力谐波,是剧院建筑供电系统中的主要谐波源。

剧院供电系统的舞台灯光系统、调光设备以及舞台机械变频设备等非线性设备产生大量的谐波电流将往低阻抗供电端流动,形成对供电系统的干扰,同时产生的谐波电流与系统阻抗的作用形成谐波电压,对调光设备、电视转播、调音台电源、舞台设备自动控制电源等重要电子设备产生危害,主要表现在以下几个方面:

(1) 剧院舞台机械电子控制设备、电视转播与通信设备等极易受到电能谐波的干扰,导致失灵、死机、声音与图像严重失真等后果与事故。对于舞台灯光晶闸管调光系统,电能谐波超限将干扰晶闸管组件的触发控制的同步,甚至导致同步失败。

(2) 电力高次谐波严重干扰电声学系统的正常功能,特别是人体听力对17次以上高次谐波具有高敏感度,电声系统设备必须考虑对高次谐波干扰的消除。

(3) 电力谐波易导致电网与补偿电容器发生并联或串联谐振,使谐波放大,使谐波电流放大几倍或十几倍,造成过电流,引起补偿电容器和与之相连的电抗器、电阻器等设备损坏。

(4) 谐波增大设备及线路损耗,由于谐波使系统中的设备产生附加谐波损耗,降低电网、输电及用电设备的使用效率,增加电网线损和用电量;在调光系统由于大量采用两相设备,致使产生大量的3次及3N次谐波在中性线上叠加引起中性线过流(通常为相线电流的1.5～2.5倍,最大可达到相线电流的3倍),大量的3次及3N次谐波流过中性线时,引起零序保护动作,变压器跳闸,造成停电,甚至会使线路电缆过热、绝缘老化、寿命缩短或因过热发生火灾。

(5) 谐波将使继电保护和自动装置出现误动作,并使仪表和电能计量出现较大误差;谐波对其他系统及电力用户危害也很大，使通信系统无法正常工作;影响电子设备工作精度,使精密机械加工的产品质量降低;设备寿命缩短,通信设备工况变坏等。剧院配电系统电能谐波如表1所示。

表1 剧院配电系统电能谐波

2 谐波评估标准

为了限制谐波污染,保障公用电网的安全运行,IEEE和我国从不同角度出发推出了相应的谐波标准。我国于1993年颁布了标准GB/T 14549—1993《电能质量——公用电网谐波》,把电网中的电压总谐波畸变率及各次谐波含有率控制在允许的范围内,以保证供电质量,使接入电网中用户的各种用电器免受谐波的危害,保持正常工作。公用电网谐波电压(相电压)限值如表2所示。注入电网公共连接点的谐波电流允许值如表3所示。

表2 公用电网谐波电压(相电压)限值

评估谐波电压是以电压总谐波畸变率是否超过上述标准为依据,谐波电压治理目标就是要小于表3中的限值。

表3 注入电网公共连接点的谐波电流允许值 A

谐波电流主要考核用户向供电系统公共连接点注入谐波电流分量(方均根值)不应超过规定的允许值。IEEE 519:1992针对机场、医院等重要负荷,规定奇次谐波的电流畸变率不大于10%。对于剧院负荷,采用国际标准IEEE 519:1992来评判。

3 APF在剧院的配电系统中应用

剧院内布置有大量晶闸管调光设备、舞台机械设备等,对这些变化频繁的谐波发生源需在其配电系统相关节点采取相应谐波治理措施,以减少电力谐波对电气系统和设备的干扰,改善有关电子设备运行的电磁环境。

3.1 APF的配置

某剧院建筑主要由大剧院、音乐厅和多功能厅三个剧场组成。三个剧场内配置有大量的、演出用的舞台灯光及其调光设备。具体配置如表4所示。

剧院舞台灯光配电柜系统图如图1所示。在舞台灯光配电室内安装了有源滤波器(ActivePower Filter,APF)。根据各个负荷容量的大小以及相应的谐波畸变率计算谐波电流,进行APF的配置,其中大剧院配置了1组600 A的APF,音乐厅配置了1组90 A的APF,多功能厅配置了1组240 A的APF。

表4 APF具体配置

图1 剧院舞台灯光配电柜系统图

3.2 谐波治理效果评估

安装APF设备后,在大剧院、音乐厅、多功能厅等配电房硅控室进线柜处使用专用的电能质量测试仪器进行检测,对比APF投入前后的测试数据。

3.2.1 大剧院

APF投入前后电流波形、电压参数、电流参数、电能参数如图2～图5所示。

由图2～图5可知:

(1) 电流波形明显改善,使用滤波器后电流波形呈正弦波形态。

(2) 电压畸变状况得到改善,谐波电压总畸变率从10%下降到4.20%。

(3) 电流畸变状况得到明显改善,谐波电流总畸变率从35%下降到7%。

(4) 功率因数有所提高,由投入前的0.96提高到0.99。

图2 APF投入前后电流波形

图3 APF投入前后电压参数

图4 APF投入前后电流参数

图5 APF投入前后电能参数

3.2.2 音乐厅

由APF投入前后的测试数据,可知:

(1) 电流波形明显改善,使用滤波器后电流波形呈正弦波形态。

(2) 电压畸变状况得到改善,谐波电压总畸变率从2.5%下降到1.4%。

(3) 电流畸变状况得到明显改善,谐波电流总畸变率从47%下降到8%。

(4) 功率因数有所提高,由投入前的0.76提高到0.92。

3.2.3 多功能厅

由APF投入前后的测试数据,可知:

(1) 电流波形明显改善,使用滤波器后电流波形呈正弦波形态。

(2) 电压畸变状况得到改善,谐波电压总畸变率从9.5%下降到3%。

(3) 电流畸变状况得到明显改善,谐波电流总畸变率从48%下降到9%。

(4) 功率因数有所提高,由投入前的0.72提高到0.96。

综合上述测试数据,可知治理后各场所的电压畸变率均小于5%,达到GB 14549—1993的要求;谐波电流有效值明显降低,电流畸变率明显降低达到10%以下,达到了IEEE 519:1992要求;改善功率因数明显,达到了预期的目标和效果。

3.3 节能效果

谐波治理消除谐波对电网和设备发热影响,降低无功的损耗,减少电能的消耗。针对能耗的评估,可以通过比对配电房硅控室进线柜视在功率的变化来衡量节能效果:

式中：Sb——APF投入前的视在平均功率;Sa——APF投入后的视在平均功率。

根据实测的数据,对三个场所进行节能效果计算。

大剧院晶闸管室进线柜节能效果:

音乐厅晶闸管室进线柜节能效果:

多功能厅晶闸管室进线柜节能效果:

4 结语

在剧院建筑中,采用APF对舞台灯光等设备产生的谐波进行实时、动态的治理,可降低配电系统中谐波电流畸变水平,将直接减少谐波带来的附加发热危害、有功功率损失及其引起的额外损失,降低配电系统中谐波电流畸变水平,提高配电系统中主要电源设备的负载能力与有效容量及配电系统功率因数。同时,也可延长用户变压器、电机、电缆、用电设备等的使用寿命,减少保护设备误动作的产生,降低设备维护费用,消除因高次谐波对电声系统的干扰。

另外,由于设计过程中对建筑物的谐波状况难以预计,故在前期的设计中采用预留必要的有源滤波设备空间,待工程投入运行后再做实测,根据实测的数据进行设备配置,以避免设备的大量投入,降低工程造价。

[1] GB/T 14549—1993 电能质量公用电网谐波[S].

[2] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京：中国电力出版社,2005.

[3] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2006.

Application of Active Power Filter in Theater Building

CHEN Tao

(Tianhua Architecture Planning & Engineering Co., Ltd., Shanghai 200235, China)

As the extensive use of SCR dimming equipment and other nonlinear devices,in theater project,a lot of harmonics are generated which have affected on the power grid,electrical equipments,and cable lines.Combined with the application of active power filter(APF) in the theater project,this paper described the generation of harmonics and its hazards to stage management,lighting and sound.By using of APF,the effect evaluations of harmonic elimination were elaborated.It shows the significant value of APF in arts center,theater and other buildings.

theater building; active power filter(APF); SCR dimmer equipment; harmonic