高校諧波源設備的諧波測試分析及治理方案

摘要：在高校實驗教學過程中所使用的科學儀器包含大量諧波源設備，針對理工科類院校的諧波源測試情況，具體分析高校電力系統的諧波特性并預估諧波所造成的的影響，提出諧波治理方案，方案采用安科瑞電氣股份有限公司的有源電力濾波器產品，為高校的建筑電氣設計提供優化方案和參考依據。

關鍵詞：高校；諧波；有源電力濾波器；建筑電氣

1 前言

在現代社會中由于越來越多的非線性負載設備接入電網，向電網注入大量的諧波電流，使得公共接入點的電壓畸變，導致電網的電流畸變，電能質量惡化。諧波的存在必然會使變壓器的損耗增加，也會造成無功補償的電容器諧振、干擾敏感的電子設備、引起電動機震動和繼電器誤動作。現在諧波造成的危害開始逐漸被人們重視，并且希望通過采取相應的措施來治理電網中的諧波^[1-2]。

在治理諧波時，必須確定諧波源的存在以及分析其諧波特性，這是采取正確治理方案的關鍵。典型的非線性負載等常見諧波源的特性已經為人們所熟悉，并能進行針對性的抑制和治理。但是在高校的實驗樓、教學樓電網系統中出現的諧波情況比較特殊，例如很多在通常的民用建筑內較少遇到的諧波源設備和大量的敏感設備需要“干凈”（不能包含諧波）的電網環境以保障系統的正常運行^[3-4]。針對上述原因，本文通過對某理工科高校的幾類典型的實驗室設備諧波特性進行分析，給出諧波治理方案以及相關的治理諧波的產品,本文采用安科瑞電氣股份有限公司所生產的型號為ANAPF50-400/B三相四線制有源電力濾波器來治理某高校的諧波負載。

2 典型的實驗室設備諧波特性

某理工科高校實驗室包括自動化系的嵌入式系統實驗室、工程物理系的加速器實驗室、生物醫學系的核磁共振譜儀實驗室和材料系的燒結實驗室^[5]。下面圖1、圖2、圖3、圖4分別列出了各個實驗室的典型諧波波形。根據這四個典型的諧波波形可以知道：

一、在嵌入式系統實驗室中，三相的電流波形為整流電路特征，電容充電過程才有電流，有明顯的畸變。通過FFT可以看出3次、5次和7次諧波的THDi含量都很高。其中3次諧波畸變率78%，5次為49%，7次為28%，總諧波畸變率高達95.6%，但實驗室消耗的功率較低，最高的B相電流為16A，考慮到建筑的供電變壓器容量較大，系統阻抗較小，所以電壓畸變率較低，并未超過標準限值。另一個需要注意的現象是中性線電流，當僅存在基波電流時，在中性線上會流過三相不平衡電流，各相基波電流相互抵消后的數值肯定小于最大相的單相基波電流。但是3次諧波是零序諧波，導致諧波電流在中性線疊加，以電流畸變率78%為參考，中性線上的電流是相線電流的2倍以上，鑒于進線斷路器為三極斷路器，不檢測中性線電流，即使中性線電流超過導體允許載流量，斷路器也不會動作，這可能造成中性線超溫、絕緣老化，發生接地故障，導致中斷供電甚至發生電氣火災。

二、在加速器實驗室中，電流 C相的峰值系數（CF）為4.74。而且半波不對稱會導致出現偶次諧波和直流分量。從電流的FFT可以看出3次諧波畸變率59.5%，5次為53%，7次為47.1%，總諧波畸變率高達99.2%。加速器的諧波含量較大，需要對其進行治理，可采用安科瑞電氣的有源濾波器消除諧波干擾。

三、在核磁共振譜儀實驗室中，從電流波形可以知道設備僅接在A相，電流波形呈現出磁飽和的非線性特性，通過對電流波形的FFT分析可以知道包含3次和5次諧波。3次諧波畸變率30.8%，5次為11.4%，7次僅2.7%，總諧波率為33.3%，需要對諧波進行治理。

四、在燒結爐實驗室中，電網系統中包含偶次諧波和直流分量，從電流的FFT可以知道電流存在5次諧波和少量偶次諧波，3次諧波畸變率7.6%，5次為20.9%，7次僅3.2%，總諧波畸變率為28.1%，系統的總諧波電流13A，但是系統的無功功率較大，導致系統功率因數為0.33，此時需要補償無功部分。

圖1 嵌入式系統實驗室諧波測試結果

圖2 加速器實驗室電流諧波

圖3 核磁共振譜儀諧波

圖4 燒結實驗室諧波

針對上述高校實驗室的典型諧波特征可以總結出需要的有源濾波器的產品具有治理諧波、補償無功、調整三相不平衡的功能。根據市場上的APF產品，安科瑞電氣股份有限公司所生產的APF產品具有上述三項功能，可以完美的解決上述諧波、無功和三相不平衡的問題。

3 高校實驗室諧波治理方案

采用安科瑞公司型號為ANAPF50-400/B的三相四線制有源電力濾波器，使用就地治理的方法在每個實驗室的配電柜處并入ANAPF，如圖5所示對每個實驗室的饋線處進行電流采樣，方法為采何處補何處。

圖5 安科瑞的ANAPF就地補償方案

下面給出安科瑞所生產的ANAPF（有源電力濾波器）的主要技術指標以及ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單如表1、表2所示。

表1 安科瑞ANAPF（有源電力濾波器）主要技術指標

表2 安科瑞ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單

該高校使用安科瑞的ANAPF50-400/B的三相四線制有源電力濾波器就地治理了燒結實驗室后，得到如圖6所示完美的正弦波，ABC三相THDi含量分別為2.9%、2.8%、3.4%表明治理效果理想。

圖6 燒結實驗室治理后的電流波形

4 結束語

本文通過波形和畸變率等參數分析了高校實驗室電力系統出現諧波電流的原因及諧波特征，給出了治理諧波的治理方案。雖然高校實驗設備多樣，諧波產生和變化有很大的隨機性和復雜性，但是通過分析其負載特性，還是可以粗略判斷其諧波類型，然后結合測試得到的頻譜數據對諧波進行精確分析，給出相應的治理措施。實際對燒結實驗室采用安科瑞的ANAPF后表明治理諧波效果理想，解決了諧波問題。

參考文獻

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[4] 相城江.調諧濾波器裝置的應用[J].智能建筑電氣技術，2010(3):80-83.

[4] 王磊，潘敏.高校實驗設備的諧波測試分析[J].智能建筑電氣技術，2013(4):16-19.

作者簡介：

余靜，女，本科，武漢安科瑞電氣有限公司工程師，主要研究方向為智能電力監控與電能管理系統，技術交流：15827180236  QQ：423647716 郵箱：ACRELYUJING@163.com