空管设备机房供配电系统谐波分析与治理

摘 要：空管设备机房非线性负载产生大量的谐波电流，这些谐波电流会引起空管机房供配电系统的电压和电流畸变率高、功率因数降低，线路损耗增加、对通信线路和设备产生电磁干扰等现象。通过分析某空管设备机房供配电系统中存在的谐波问题，并结合相关计算和加装有源滤波器前后测试数据来说明空管机房供配电系统在经过谐波治理后谐波电流明显减小、输入功率因数提高，对提升电能供电质量、减轻供电线路的损耗、提升供电设备的有效利用率有显著作用。

关键词：空管；设备机房；供配电；谐波分析与治理

1 空管设备机房供配电系统谐波产生的原因

理想的供配电系统中，电流和电压波形都是标准的正弦波。但是在实际的供配电系统，存在着大量的非线性负载，当电流通过这些非线性负载时就会产生非正弦电流 ，造成电路中的电流和电压畸变 ，称为谐波。空管设备机房的供配电系统中存在着大量的非线性负载，如服务器、磁盘阵列、直流电源和UPS等。

2 空管设备机房供配电系統谐波的危害

谐波的大量出现会对空管设备机房供配电系统带来以下危害：

1）谐波对空管设备机房供配电系统的前端供电系统中的组件产生了附加的谐波损耗 ，降低电力变压器和柴油发电机等设备的使用效率 ，过量的三次谐波电流流过中线时 ，还会导致线路过热甚至引起火灾等事故。

2）增加空管设备机房前端供电线路的损耗，降低线路的寿命。谐波电流一方面会在供电线路产生谐波压降，另一方面还会增加供电线路的损耗。

3）谐波会引起空管设备机房前端供电系统各别局部的并联或串联谐振 ，从而使谐波放大 ，导致供电安全性下降、发电机不能带载、UPS系统在油机发电供电时不能与发电机输出频率同步而引起蓄电池组过放电等危险情况。

4）谐波频率很高，可能会引起电磁干扰，对空管的通信线路和设备会产生影响。

3 谐波治理方法

谐波治理方法主要有两大类：1）无源滤波器，在谐波源处设置无源的单调谐及高通滤波器吸收谐波电流，此外还可以对无功功率进行补偿。2）有源滤波器，在谐波源处设置并联或串联的有源滤波器，可以补偿或隔离谐波，并联型的有源滤波器还能完成无功补偿。

无源滤波器具有成本低、技术成熟等优点但同时具有只能对特定谐波进行滤波、滤波器参数影响滤波性能、滤波特性和电网参数相关、可能会发生与系统阻抗串并联谐振等缺点。

有源滤波器工作原理是提供给谐波电流或谐波电压一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网络。与无源滤波器相比，有源电力滤波器理论上可以拥有无穷多个谐振频率，具有以下优点：1）滤波性能不受系统阻抗的影响2）与系统阻抗不会发生串联或并联谐振3）动态治理，治理效果不会受系统结构影响4）迅速响应谐波的变化5）电网相关参数变化，谐波补偿的特性不受影响6）具备多种补偿功能。

4 空管设备机房供配电系统谐波分析和治理

4.1 空管设备机房供配电系统配置

某空管设备机房供配电系统配置如下：

1）中压配电系统（10KV）为二路市电分段母线供电方式，设置有联络柜。

2）低配配电系统由2套2000KVA低压配电系统组成，通过联络柜形成单母分段供电方式。同时配置2台1200KW的柴油发电机组（并机系统）作为市电停电后的后备电源保障。

3）UPS供配电系统：配置4台容量为400kVA的12脉冲整流UPS，每2台（1+1）UPS组成一套并机系统，每台UPS配置120只12V180Ah电池，四台合计480只。UPS1系统由UPS1-1和UPS1-2两台并机组成一组供电系统，两台互为冗余；UPS2系统由UPS2-1和UPS2-2两台并机组成另一组供电系统，两台互为冗余。常运行时每组UPS 各带一半负荷，当任意一组UPS 故障或线路故障时，该组UPS 的全部负荷自动切换由另一组UPS 所带。

4.2 谐波分析

空管设备机房主要的谐波源来自于直流电源、服务器、磁盘阵列和UPS等，其中最大的谐波来源为UPS系统。

本套系统要求单台UPS可以带全部负载，因此最大负荷为400KVA。

UPS输入输出参数：输入电压Vin=380V， 视在功率 Sout=400KVA，输入功率因数 PFin=0.9，输入电流谐波总畸变率THDi=8

%， 输出功率因数PFout=0.9，满载时UPS效率为η=93.5%。

4.3 谐波治理

根据空管机房供配电系统的安全性和重要性同时又因为有源电力滤波器具有滤波性能不受系统阻抗的影响、动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化、具备多种补偿功能，同时可以对无功功率进行补偿、谐波补偿特性不受电网频率变化的影响等诸多优点。因此选择有源电力滤波器对空管机房供配电系统进行谐波治理。

UPS输入端含有的总谐波电流为51.8A，同时考虑10%的裕量，选择三相四线额定电压400V额定容量为60A的有源滤波器。

假设所有的谐波得到补偿，那么计算如下：

5 结语

1）谐波治理后总输入电流无明显变化。

2）谐波治理后，输入功率因数有了一定的提高，UPS前端供电线路的损耗变小，发热现象减少。

3）谐波电流明显减小，提高电力变压器和柴油发电机等设备的使用效率。按照研究数据：谐波电流下降到5%以内时，柴油发电机组配置容量只需要达到负载容量的1.2-1.5倍。

综上，谐波治理后节能效果不是特别明显，但它对提高电能供电质量，减轻供电线路的损耗有一定作用，同时可较大幅度提高供电设备的有效利用率，延长电源设备的使用寿命，提高供电可靠性。因此空管机房供配电系统进行谐波综合治理有着很重大的意义。

参考文献：

[1] 舒鼎臣.空管系统设施设备机房的供电[J].空中交通管理，2010（3）：20-23.

[2] 能源部电力司.GB/T 14549-93 电能质量 公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.

作者简介：

徐伟，民航重庆空管分局，工程师，重庆江北机场扩建指挥部。