探讨双碳战略下金融建筑终端电能质量综合治理措施

林 兰

（广东省建工设计院有限公司 广州 510010）

关键字：金融建筑；电能质量治理；谐波；无功补偿；三相电压不平衡；节能

1 工程概况

广州某银行大楼建筑面积约12.5 万m2，建筑高度为180 m，地上39 层，地下4 层。办公大楼地下室-4～（-1）层主要功能为商业、商务会议、银行营业网点、餐厅、设备用房、停车库等；地上裙楼主要功能为大堂、商业、办公、数据中心等。

因该金融建筑设施运行失常时会在大范围内造成金融秩序紊乱、对公众的生活造成严重影响，对国民经济造成较大损失，故本项目的金融设施等级为一级。

2 金融建筑用电负荷特征分析

金融建筑相较一般建筑，智能化、自动化设备众多，且大多为非线性负荷，如荧光灯、LED 设备、开关式电源、计算机、打印机、UPS、中央空调、电梯、风机等。该金融建筑的负荷特性统计如表1所示。

表1 某金融建筑用电负荷特性统计Tab.1 Statistics of Power Load Characteristics of a Financial Building

通过表1 数据分析，金融建筑用电负荷的主要特征总结如下：

⑴金融建筑内有大量单相用电设备，如照明灯具、现代办公设备、充电桩等。［1］这些设备数量众多，但容量都不大，其总量可以占到建筑总用电量的35%～50%。［2］采用单相供电时负荷不均衡和系统三相阻抗不对称容易造成三相电压不平衡，使得中线电流过大、中性点偏移、某相电压过大。

⑵金融建筑内用电设备大多为非线性设备，这类设备会带来谐波含有率高，功率因数低等问题。［3］金融建筑内有大量计算机、UPS 等信息设备，它们会引起以3次谐波为主的特征谐波。该谐波会在中性线上叠加，使中性线电流过大导致线缆发热，中性线选择不当是会造成过热甚至烧断中性线，存在安全隐患，甚至引发电气火灾。关于中性线过流，在《民用建筑电气设计标准》第7.6.7 条5 款也特别强调了，［4］多相回路中，当相电流中的谐波含量致使在中性导体中的电流预期超过导体载流量时，应对该中性导体进行过负荷检测及保护，过负荷检测及保护应与通过中性线的电流特性相协调，并应分断相导体而不必分断中性导体。其次是LED及变频设备引起的5、7、11、13次谐波，与3次谐波合计占据了总谐波量的90%以上。据统计，这些谐波造成的电压总谐波畸变率可高达9%，低压侧电流总谐波畸变率可高达50%，远超现行国家标准《电能质量公共电网谐波》允许值。

⑶金融建筑内大多数用电设备对电能质量要求都很高，特别是直接服务于金融业务的各种设备及其场所的金融设施。《金融建筑电气设计规范：JGJ 284—2012》［5］第11.2.1条中特别提出：金融建筑电源进户处的电能质量应符合现行国家标准《电能质量公共电网谐波：GB/T 14549—1993》的规定。当不符合规定时，应在其金融设施专用回路上采取电源净化措施。文献［5］第4.3.3 条提出：二级及以上金融设施的专用变压器低压侧总开关及其主要出线开关，应监测三相电流、电压、功率因数、有功功率、无功功率、总谐波含量、21 次及以下各次谐波电流分量等电气参数，以便于监控配电回路供电情况及分析故障原因。

3 电能质量影响因素及危害

3.1 三相电压不平衡

三相电压不平衡的主要产生原因有供电时负荷不均衡和系统三相阻抗不对称。三相电压不平衡的危害主要如下：

⑴对变压器：可能导致变压器容量就不能充分利用或变压器局部过热。［6］有长期研究发现，当变压器额定负荷电流不平衡度为10%时，其绝缘寿命会缩短约16%。

⑵对继电保护和自动装置：可能会引起作用于负序电流的保护和自动装置误动作，威肋电力系统的安全运行；此外还可能会降低负序启动元件的灵敏度，影响其可靠性。

⑶对线路：会产生附加损耗，增大线路损耗，导致输电线路电压降增加；负序电流还会增大对通讯系统的干扰，影响通讯系统质量。

⑷对计算机等电子设备：在低压配电系统（三相四线制）中，三相不平衡会引起中性导体上出现不平衡电流，产生零电位漂移、电噪声干扰，导致电子设备无法正常工作。

⑸此外，三相电压不平衡对同步电动机、异步电动机、换流装置等均有较大危害。

3.2 谐波

在交流电网中，由于许多非线性电气设备投入运行，大量谐波的存在，导致其电压、电流波形为不同程度畸变的非正弦波。叠加了3次谐波的电压波形示意图如图1 所示，可以看出波形已经失真变为双头波形式，实际情况中再叠加其他次谐波后情况会更加恶劣。

图1 基波叠加3次谐波示意图Fig.1 Schematic Diagram of Fundamental Superimposed Third Harmonic

谐波的危害十分严重，尤其在金融建筑这种用电设备繁多的场所。谐波会增加供电、用电设备的额外附加损耗，降低设备的利用率和经济效益。谐波的危害主要如下：

⑴对电容器：谐波会产生串联或并联谐振，熔断电容器熔丝或损坏电容器。［7］

⑵对变压器：谐波电压会增大变压器的磁滞和涡流损耗增加、绝缘材料承受的电气应力，谐波电流会增大变压器的铜耗。对负荷供给不平衡的变压器，负荷电流中含有直流分量会提高变压器磁路的饱和度，大大增加交流励磁电流的谐波分量。

⑶对输配电线：线路感抗随频率升高而增加，导体的直径越大，谐波频率下的感抗增大越明显，谐波产生的附加损耗也越大。

⑷对用电设备：电压波形中的谐波可能会对电视机图像、画面及亮度产生影响，同时引起机内元器件过热；可能会使荧光灯等气体放电灯产生谐振过热，甚至损坏；谐波电压含量过大会对计算机电源产生不利影响，甚至会造成计算错误或程序出格。［8］

⑸此外，谐波对旋转电机、测量和计量仪表、断路器和消弧线圈、继电保护和自动装置、通信等均有较大危害。

3.3 无功补偿

在低压配电系统中，大量的感性负荷导致自然功率因数比较低。若不提高系统功率因数，将会产生下述不良影响：

⑴低于额定功率因数运行时，将会降低发电机有功功率输出。

⑵降低变输电设施的供电能力。

⑶使网络电力损耗增加。

⑷线路的电压降与功率因数成反比，功率因数越低，电压降越大，会不利于用电设备的运行。

3.4 其他

三相电压不平衡、谐波、无功补偿是影响电能质量基本项，此外还有电压偏差、频率偏差、波形畸变、供电中断、电压波动和闪变、暂时和稳态过电、电压暂降与短时电压中断压等。

4 电能质量治理措施探讨

4.1 三相电压不平衡

在低压配电用户侧安装三相负荷不平衡自动调节装置，使三相电压尽量平衡，优化电能质量。目前大多数三相负荷不平衡治理装置均可与无功补偿、谐波治理整合到一起，形成综合电能治理治理装置，这也是未来发展的趋势。

4.2 谐波

谐波治理产品主要有：有源滤波器和无源滤波器。传统的无源滤波器仅能滤除固定次数的谐波，滤波作用在65%左右，且容易引起振荡，但无源滤波器的优点是结构简单，技术成熟，造价较低，针对某固定次数的谐波效果良好。［9］有源滤波器是可以对谐波进行动态治理的新型电力电子装置，可动态滤除各次谐波，滤波作用可达95%左右，系统阻抗不影响谐波电流的补偿效果，但造价相对较高。可根据工程实际需要进行选择。

4.3 无功补偿

一般供电部门对用电户的功率因数考核指标都为0.9 以上，注意避免过补偿。现实中低压配电系统中存在大量感性负载，导致功率因数偏低，进行无功补偿是非常必要的。通过无功补偿提高功率因数可以降低线路损失及电压损失，提高电能利用率。

目前低压无功补偿设备主要以投切电容器补偿（FC 补偿）和静止无功发生器（SVC、SVG 补偿）为主，FC是传统的并联电容器补偿方式，SVC是早期的静止无功补偿装置，SVG 是SVC 的替代产品，是基于电力电子技术的无功补偿装置，可以对系统变化的无功以及负序进行连续快速的补偿，可以克服传统的无功补偿器响应速度慢、补偿效果不精确等缺点，其价格也较高。

4.4 集中治理与终端治理的优劣分析

传统的电能质量治理方案大多采用集中治理的方式。［10］一般是在变配电房变压器低压侧母线或低压电源总进线柜处集中设置无功补偿及有源滤波装置。目前此类产品有很多，有常规无功补偿及有源滤波装置、静止无功补偿装置、动态无功补偿装置、混合动态消谐补偿装置、混合动态滤波补偿装置等可供选择。不过由于治理位置处于配电系统首端，只能满足上游电网公司或考核目标对接入点电能质量的要求，对下游建筑内部的用电环境没有任何改善。

终端治理的方案则是考虑在源头处就地处理，阻断污染源，减少其扩散影响范围，从根源改善用电环境。可以根据不同用电设备的特性，在设备末端配电箱或层配电箱设置合适的电能质量终端治理设备。

5 金融建筑电能质量治理措施的设计方案

鉴于金融建筑对电能质量的高要求，为了确保电能质量各指标均能严格满足要求，本项目的电能质量治理方案采用了集中治理与终端治理相结合的方式，治理原则是对大功率或者较重要的谐波源负载进行就地治理，分散谐波源负载采用集中治理模式。该方案主要由以下3个部分组成：

⑴在变配电房变压器低压侧母线上集中设置动态无功补偿装置，与终端电气综合治理保护器件形成互补。动态无功补偿装置能对系统变化的无功进行连续快速的补偿，具有反应速度快、补偿效果精确、不易与电网发生并联谐振等优点。

⑵在照明配电总箱（荧光灯及LED 设备）及变频水泵、变频空调、变频电梯等设备配电总箱处装设终端电气综合治理保护器件，对其产生的谐波、无功功率、三相不平衡等电能质量问题就地治理，从而保证此类负载产生的电能质量问题对大楼配电系统的影响在安全可控范围内。

⑶在重要金融设施末端配电箱处装设终端电气综合治理保护器件，主要是针对金融建筑内的精密设备及计算机组等重要用电负载产生的谐波及三相不平衡进行有效的就地补偿。本项目采用的终端电气综合治理保护器件增加中性线保护功能，针对中性线进行治理，可以有效降低中性线电流至安全值，减少线路和设备发热，提高供电安全性。

6 电能质量治理后最终运行效果

本项目通过上述技术措施的运用，使电能质量得到了极大的提升，最终实际运行达到的效果如下：

⑴三相电压不平衡，负序电压不平衡度≤1.3%，短时不超过2.6%。

⑵谐波，在变压器低压侧滤除95%以上的谐波，电压总谐波畸变率≤5%。

⑶功率因数补偿至大于0.95。

经治理后该项目的电能质量满足国家规范及供电部门考核指标，同时满足相关用电设备安全运行条件，获得业主及相关部门的好评。电能质量治理前后数据对比如表2所示。

表2 电能质量治理前后数据对比Tab.2 Data Comparison before and after Power Quality Control

7 结语

当今社会科技日新月异，这些基于电力电子技术的产品给我们带来惊喜、便利舒适的工作环境的同时，也影响着电力系统的电能质量。当下，在双碳战略的背景下、在限电节能的国家号召面前，除了选择能耗低、性能高的电气产品，还可以在电能质量治理这一领域深耕，净化用电环境，提高电能质量、提高电能利用率及可靠性，减少非必要损耗，推进节能减排，为实现碳中和、碳达峰做出积极贡献。