莊冀：通信局房電力節能和諧波治理

中國移動通信上海有限公司傳輸動力維護中心動力維護部 經理 莊冀:

 　我今天匯報的題目是“通信局房電力節能和諧波治理”。
   　 眾所周知，能源已經成為了我國的經濟發展和戰略發展之一，在“十一五”的規劃當中，節能降耗已經成為了我們國家的發展戰略，也明確提出了2010年，萬元GDP能耗由2005年的1.22噸標準煤下降到0.90噸標準煤左右。十七大精神，也提出了加強能源資源節約和生態環境保護。還有節能減排會議闡述了中國能源戰略的基本方針，即堅持資源開發與節約并重，把節約放在首位，進一步加強節能減排工作。上海市政府《上海市節能減排工作實施方案》提出“十一五”期間節能下降到30%。    

    　電能是由其他能源轉換產生可轉化為機械能、熱能等的形態。在電網中，電能是以電壓電流的表現形式作功，其單位消耗的電功率為P=W/T（KWH）。用電設備在對負載進行有效作功（Po）的同時，也有一部分無效作功損耗，二者之和才是總的有功功率（Pn），這就是用電設備的效率，這是其一，另外，由于大多數電器設備為感性負載，將產生電壓電流的不同相位，從相關電壓、電流或功率量三角形的看起來，實際有功功率P要小于裝置總的視在功率S，還有一部分為無功功率，相移動率因數是專門表示這一電能的數量關系的重要電器參數，容性負載情況類型，但常常用來補償感性無功功率，廣義上的功率因數Pf=P/S還應包括波形畸形變造成的附加電能等。

  　通信局房的節能措施分幾個方面。
   　 變壓器：轉換能量效能較高的設備，但也存在空載損耗、負載損耗和熱損耗。節能主要措施是降低上述損耗。諧波與這些損耗密切相關。
    　電力線路：線損是電力損耗的重要原因，低壓尤甚。節能主要措施是治理電網諧波和低功率因數，從而減少線路電壓損耗。
    　油機：高次諧波電流直接反給發電機，在發電機的繞組中引起感應電流，使之發熱產生損耗，導致輸出功率降低。

  　下面我們討論一下諧波是如何產生的。從電網的角度上具有非線性阻抗特性的用電設備用電的結果產生的諧波。功率平衡的觀點，負載本身不產生電能量，諧波功率是基波功率轉化而來的。
    　諧波的存在對于電網是一種污染，它會給周邊的通信系統和周邊的系統帶來損害。諧波還會使電力元件附加損耗加大，設備過熱。含有電容器的設備受影響最為嚴重，甚至可能導致設備損壞以及電容器爆炸等事故。影響電器設備的正常運行，導致繼電保護拒動或誤動，電器測量儀表計量不準確，精密電子設備會被嚴重干擾甚至燒毀。在通信系統中，諧波還會對臨近的通訊系統產生干擾，輕則產生噪聲，降低通信質量，計算機無法正常工作，重則導致信息丟失，使系統崩潰。
    　以下就以某一局房為例，具體說明諧波治理在工程中的應用。上海移動某通信局房中發現與兩套UPS聯絡的電容補償拒運行異常。隨即對電容柜受電端進行測量，測得的電流為雙羊角波形是明顯的諧波波形圖，電壓波形也有毛刺。同時，檢測到電容受電端接受4到5次、7次、11次、13次諧波。初步認定是由于電路中的高次諧波導致。
    　究其原因，發現該局房的UPS采用了6脈沖整流器技術，對于應用UPS上線的配電系統，該整流器是一個會引起諧波失真的非線性負載。對其交流層電流作傅里葉級數展開，可知電流中含6K+1次諧波，即5、7、11、13等各次諧波，這與實測中檢測到電容受電端接收到5次、7次、11次、13次諧波相吻合。由此判斷諧波電流是由UPS中的整流裝置產生的。同時通過分析判斷，電容組不能正常工作的主要原因是由于在不同諧波下的諧振而引起的過負荷造成的。
   　 對該局房內電網進行進一步測試，實測結果進一步驗證了上述對故障原因的分析。測試點選取的變壓器低壓母線，分別在無功補償柜投入和無功補償柜切除情況下測試。
    　由此得出結論，UPS的整流裝置是該系統的諧波源，系統共振問題，無功補償投入后5、7、11、13、17次諧波被不同程度的放大，電壓電流波形畸變十分嚴重，超過國際規定限值，進而造成流過電容的電流超過正常運行允許值。

  　諧波的治理。上海通信動力運維部門立即提出對該局房配電系統進行諧波治理。為此，首先對諧波治理技術做了深入了解。諧波控制消除的方法一般從兩方面考慮，一是主動型，從裝置本身出發，采用不產生諧波的設備裝置，二是被動型，外加濾波器。對已建的局房只能采取被動型消諧技術，故以下著重介紹被動型方法。
   　 一，無源濾波器。無源濾波器應用無源元件適當組合，通過LC選頻網絡，對某一頻率的諧波提供低阻抗通路。利用在諧振頻率下，感抗與容抗相互抵消，只剩下電阻的阻尼作用，因而形成對諧波頻率的低阻抗通道。
   　 無源濾波的優點是簡單、控制方式較易實現，成本低，技術成熟，運行可靠。缺點是只能抑制固定的幾次諧波，其濾波特性受系統阻抗和運行狀態影響，易與系統發生并聯諧振導致諧波放大而使LC濾波器因過載而燒毀，無源濾波器具體應用時應注意。
   　 第三步就是容量，一般應先熟悉諧波源性質，對諧波源滿載時的諧波電流進行估算。進而有源濾波器安裝位置，對安裝點的諧波電流進行估算。同時結合電網實測數據機工程投資，最后確定優質而經濟的方案。本工程中因該系統目前負載已基本飽和，不再有擴容的需要。
    　這個圖中可以看到，治理前的電壓電波是不正常的，而治理后都是正常的波。從該表也可以看到，治理前后電流均方根值下降了13.3%，視在功率下降14.6%，無功功率下降59.4%，但由于有源濾波器本身的功率能耗，有功功率上升3.5%。此外，功率因數提高到0.96以上。
    　電能質量，反饋至公用電網的諧波合格，滿足國際和電力部門綠色環保的要求。三相電流、電壓均方根值下降，濾波效果明顯，系統的安全運行系數提高。供電質量明顯改善，消除了安全隱患。
    　我們再來看節能的效果。減少了諧波產生的有功功率損失及其引起的額外損。擴大了電網可用容量。消除了由諧波電流產生的諧波功率而造成的經濟損失。優化了通信電源系統，增加變壓器有效容量，從而可增加變壓器相應帶載能力，為今后系統擴容提供了良好的平臺，并可減少變壓器擴容所需的投資。
    　我們看經濟效益，本次的投資是在70萬左右。而由于變壓器的適載功率得到了有效地提高，無形當中變壓器得到了擴容，擴容是在48萬，由于它的帶載的能力提高，可以使得它總的費用是在70萬左右。所以，當年可以收回投資，同時因為采用了有源諧波的濾波器，還可以節省電費。現在的比例是在5%左右，這是和配置是有關的。設備及線路減少發熱，延長壽命，提高效率。保障了通信電源系統的安全和穩定性。

  　接下來我們進行一下展望。
    　實施諧波治理措施是今后的趨勢，尚未有具體的制約手段，已有部分電網嚴格審查，發展趨勢是供電部門將對諧波進行整治。我們在新聞當中看到了能源法將在本月要出一個草案，里面提到了能源節約的問題。
    　諧波治療將會有更普遍的應用，不僅是國策的要求而且是電力運營部門的要求，保證局房電能質量的要求。當前的任務將節能工作放在優先地位，學習和借鑒國內外先進經驗，建設節能型社會，化解能源對經濟發展的制約。同時，作為上海移動將秉承“正德厚生  臻于至善”的核心價值觀，上海移動將從我做起，從現在做起，節約能源，保障供電質量，杜絕安全隱患。