大型购物中心低压配电系统电能质量检测评估方法探讨

史贵风, 尚 博, 徐献清

[1.上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200062;2.瑞安市新泰电力设计有限公司, 浙江 瑞安 325200]

0 引 言

随着城市的发展,城市土地资源高度集约化,以大型购物中心为载体的新型城市商业综合体应运而生。商业综合体是由多个使用功能不同的建筑空间(如商铺、游乐设施、办公区、超市、影院等)组合而成的建筑群,其特点在于功能聚合、节约用地、缩短交通距离、提高工作效率、发挥投资效益等。由于大多市区已不能够找出足够大(一般占地5万m2以上)的地块,因此很多新型城市商业综合体最大的选址可能是在城郊结合部[1]。

大型购物中心作为载体,汇聚人流、物流、信息数据流,是现代城市发展的特征产物,其在低压供配电要求、用电需求上与以往用电户相比,呈现更多新型的特征(用电量集中、用电负荷种类繁多、用电负荷分布呈离散性、用电时间呈周期性、低压配电系统电能质量潜在问题突出)。面对这些新型用电特征,需要采取科学的监测、预警、检测评估、技术分析等手段,综合保障大型购物中心电力系统平稳、高效运行。因此,研究大型购物中心低压配电系统用电负荷分布情况以及线路潜在的电能质量问题具有重要的意义。

1 购物中心电能质量问题特点

1.1 供配电系统特点

大型购物中心多数位于城郊结合部,一般独立设置配电系统,通常按照所在区域电网架构并经供电部门批准确定供电电压等级。按国家电网标准及用电特点,大型购物中心供电系统电压等级一般为35 kV、10 kV、400 V/230 V,高压供电优先考虑10 kV电源,通常在大型购物中心设置开闭站、高/低压变电所。配电变压器一般选10/0.4 kV,最常见的几种容量规格为2 500 kVA、2 000 kVA、1 600 kVA,采用同规格两组变压器并行运行,必要时供电方式可互换。大型购物中心典型配电系统如图1所示。

图1 大型购物中心典型配电系统

大型购物中心供电环节的电能质量主要取决于市电10 kV电网的供电质量,可根据实际需要在10 kV电网端设置电能质量监测点。

1.2 负荷特点

大型购物中心负荷种类繁多,按照用电负荷的不同类别一般分为两个等级:① 一级负荷,采用两个电源同时供电,重点保障对象包括消防系统设备、各弱电系统控制室电源(中控室、信息数据中心等)、污水泵、主要客梯电力、应急照明、大块公共区域照明、会议室、主要通道照明、主要设备用房备用照明、障碍照明等重要设备;② 二级负荷,即供电系统达到当正常供电线路、设备出现故障时或正常供电电源发生故障停电时,供电系统不至于中断该负荷供电(或中断供电后能够很快恢复对该负荷供电)即可,包括次要客梯、扶梯电力、生活热水系统水泵、冷却塔、空调、锅炉电力等。

某大型购物中心不同业态供电指标分布如表1所示。

表1 某大型购物中心不同业态供电指标分布

大型购物中心空调机组庞大、通风设备、照明(LED灯)和电梯设备多,这些设备中大部分都含有变频模块、整流逆变器件以及功率交换单元,均属于典型的非线性负载设备,产生的谐波流入配电系统,污染自身配电网,不仅会对无功功率补偿设备造成潜在影响,还会影响其他各类电气设备的正常运行,降低系统效率,增加整体电力成本。

综上,大型购物中心非线性负载具有数量多、种类多、分布分散、谐波污染大,尤其是3次谐波含量较大等特点[2]。谐波含量大,尤其是过量谐波电流的存在是低压配电系统中元件受损、火灾发生的一大诱因。另外,高次谐波电流还会通过变压器影响上级其他配电线路系统的安全;零序谐波电流会产生叠加效应,引发中性线电流过大,线路过载过热,从而引发火灾。

2 检测评估方法

通过对大型购物中心供配电系统的负荷进行全方位的调查研究,尤其是针对多种用电负荷的分布情况、功率大小(设计供电功率、实际用电功率)、供电等级等进行详尽的分析,可以为制订电能质量检测评估方法提供依据,使检测评估的结果更科学、准确地反映购物中心配电系统的整体运行情况。检测评估方法主要包含如下6部分。

2.1 检测参数

针对大型购物中心低压配电系统的特点,主要检测的电能质量参数有谐波、电压不平衡度、频率偏差、供电电压偏差、电压波动和闪变等。

2.1.1 谐波

谐波包含谐波电压和谐波电流,通常用谐波电压含有率HRUh和谐波电流含有率HRIh来作为衡量系统谐波含有情况的指标。检测主要依据标准GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》[3]。

(1)

(2)

式中:Uh——第h次谐波电压(方均根值);

U1——基波电压(方均根值);

Ih——第h次谐波电流(方均根值);

I1——基波电流(方均根值)。

大型购物中心低压配电系统谐波问题主要以谐波电流为主,一般3次、5次、7次谐波含量较高,不同的负荷线路来检测,会出现单次或组合次数谐波电流含量超标的现象,需要综合评估。谐波电流含量IH:一般检测19次以内的谐波情况。

(3)

2.1.2 电压不平衡度

电压不平衡度ε是指三相电力系统中三相电压不平衡的程度,指三相电压幅值差别或者相位偏差[4],用电压负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示。检测主要依据标准GB/T 15543—2008《电能质量 三相电压不平衡》。

(4)

式中:U-——负序电压有效值;

U+——正序电压有效值。

国家标准中电力系统公共连接点负序电压不平衡度正常时不得超过2%,短时不得超过4%;接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%,短时(3 s～1 min)不超过2.6%[4]。

2.1.3 频率偏差

频率偏差指在正常运行条件下,系统频率的实际值与标称值之差,检测主要依据国家标准GB/T 15945—2008《电能质量 电力系统频率偏差》。国家标准中要求,电力系统正常运行条件下频率偏差限值为±0.2 Hz,当系统容量较小时偏差限值可以放宽到±0.5 Hz[5]。

2.1.4 供电电压偏差

供电电压偏差是指供电系统在正常运行条件下,某节点的运行电压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分数,可表示为

(5)

式中:δu——供电电压偏差;

U——实际运行电压;

UN——某节点的系统标称电压。

供电电压偏差可以直接反映电压质量的好坏,检测主要依据标准GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》。国家标准中规定,10 kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的±7%,220 V单相供电电压允许偏差为+7%～-10%[6]。

2.1.5 电压波动和闪变

电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象称为电压波动,其周期大于工频周期。在1 min内测量各工频周期的电压有效值,与标称电压比较,可得电压波动值。

照明电源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应称为闪变,其变化较快,检测较难。检测主要依据标准GB/T 12326—2008《电能质量 电压波动和闪变》[7]。

一般,通过以下公式计算获得波动负荷单独引起的长时间闪变值:

(6)

式中:Plt1——波动负荷投入时的长时间闪变测量值;

Plt0——背景闪变值,是波动负荷退出时一段时期内的长时间闪变测量值;

Plt2——波动负荷单独引起的长时间闪变值。

2.2 检测点

大型购物中心低压配电系统电能质量检测点的选择一般遵循以下原则:

(1) 检测点要反映不同容量规格线路的运行情况。

(2) 优先选取等级较高负荷所在的线路为检测点。

(3) 同一线路中优先选取大功率负荷为检测点。

(4) 同一类别负荷中可选取某一个作为检测点。

(5) 检测点选取宜遵循先主线路后分支路。

某大型购物中心低压配电系统电能质量检测点选取示意图如图2所示。

图2 某大型购物中心低压配电系统电能质量检测点选取示意图

2.3 检测工况

当面对多种状态组合工作的负载情况时,需要考虑在不同工况下分别进行检测。如制冷站作为大型购物中心的常见大型负荷设备,一般处于同一条配电线路中,有多组制冷设备根据实际需要切换使用,具有单台运行、多台运行、间歇起停的工作特点,检测时需要根据实际运行情况模拟实际工况分别进行检测,得到检测数据后进行综合评估[8]。

2.4 检测周期

整个检测周期需要根据购物中心配电系统的线路情况、负载情况来制定,还需要考虑到购物中心同一天中白天与晚上、周末与工作日之间负荷工作情况显著不同的特点。单个检测参数的检测时间差异较大。下面列举谐波与电压不平衡度适用的检测时间周期。

2.4.1 谐波

检测时间窗口要求10(50 Hz系统)或12(60 Hz系统)个周波[8]。持续时间要求根据现场测试情况而定,至少大于1 min,累计10 min。

2.4.2 电压不平衡度

检测时间窗口要求10(50 Hz系统)或12(60 Hz系统)个周波。持续时间要求根据现场测试情况而定,对于电力系统的公共连接点,测量持续时间取168 h(1周),每个不平衡度的测量间隔可为1 min的整数倍;对于波动负荷,可取正常工作日24 h持续测量[4]。

2.5 检测仪器及数据

电能质量检测仪器一般选用符合IEC 61000-4-30:2008 A级标准要求的三相电能质量分析仪。某大型购物中心检测点实际测试线路示意图如图3所示。

图3 某大型购物中心检测点测试线路示意图

检测数据宜采用长时监测数据保存与瞬时数据图片保存的方式来记录,长时监测数据便于分析仪器进行定量分析,瞬时数据图片便于识别检测时的线路实际运行情况。某大型购物中心低压配电系统中各次谐波电流含量图谱如图4所示。某大型购物中心检测点瞬时检测数据如图5所示。

图4 某大型购物中心低压配电系统中各次谐波电流含量图谱

图5 某大型购物中心检测点瞬时检测数据

针对大型购物中心负荷种类繁多、离散分布等特点,上述检测数据记录方法具有很好的分析效果。

2.6 检测程序

购物中心低压配电系统电能质量检测流程如图6所示。

图6 购物中心低压配电系统电能质量检测流程

3 结 语

当前大型购物中心供用电系统普遍存在电能质量隐患,如谐波污染、功率因数偏低、中性线电流偏大等问题。大型购物中心要排查电能质量隐患、解决电能质量问题,要掌握科学、合理的电能质量检测评估方法。本文通过对大型购物中心供配电系统及其负荷特点的分析,提出大型购物中心低压配电系统电能质量检测评估方法,保障大型购物中心电力系统平稳、高效运行。