机场航站楼低压配电系统谐波处理设计分析与研究

2020-05-12杨忱

中国设备工程 2020年9期

杨忱

（北京首都机场动力能源有限公司，北京 100621）

在新时期背景下，人们的生活质量不断提升，越来越多的人会选择飞机作为交通出行的工具，究其原因，主要是飞机具有速度快且运行稳定的特点。由于机场航站楼内存在大量的电气设备，这些设备在运行过程中会产生谐波电流。与此同时，还存在强电系统、弱电系统，故高压和低压等级并存，从而导致谐波污染成为影响空运发展的重要因素。在此背景下，研究机场航站楼低压配电系统谐波处理问题，具有十分重要的意义。

1 某机场航站楼低压配电系统谐波来源分析

某机场航站楼低压配电系统由以下部分组成：（1）20 台400Hz 的电源；（2）多个最大容量为200kVA 的UPS；（3）其他电子设备，比如，计算机、通信设备等；（4）电机调速设备。这些负荷大都为非线性负荷，故谐波会因此而产生，再加上这些设备具有非常大的容量，且数量众多，故产生的影响非常严重。

2 谐波的危害

谐波产生的危害不容忽视，以机场航站楼低压配电系统为例，其所产生的危害包括以下几点：（1）电机过热；（2）变压器输出功率下降；（3）电力电缆寿命下降；（4）开关熄弧失败；（5）继电保护动作和电子仪表失去原有的作用；（6）并联无功补偿装置会在谐波的影响下无法正常工作，所产生的电压接近临界值，如图1 所示。

根据图2 得到以下等式：

图1 并联无功补偿装置

图2 并联电容器集中无功补偿

由于并联电容器是集中无功补偿的主要场所，通过结合公式（2）得知，在谐波的影响下，电容器起到了放大谐波的作用，甚至会与变压器形成并联谐波，并联电容器也会因此而损坏。

在机场航站楼低压配电系统中，谐波即使在高压侧输入，并联电容器同样会对其进行放大处理，与此同时，谐波还会与变压器串联，继而形成串联谐振。

3 机场航站楼低压配电系统谐波治理方案

通过上述分析可知，机场航站楼低压配电系统谐波会对设备和系统造成严重的影响，鉴于此，提出了以下几种治理低压配电系统谐波的方案。

3.1 选择合适的谐波治理设备

现阶段，市面上流通的谐波治理设备主要包括两类，分别为有源电力滤波器和无源滤波器。

（1）有源电力滤波器。这种电力滤波器，具有更强的谐波治理效果，其优势更为显著，究其原因，主要是有源电力滤波器是在无源滤波器基础上发展形成的，属于一种全新的滤波器。其工作原理与谐波发生器较为类似，采取一定的手段，在电网中注入与谐波量大致相同的谐波电流，所注入的谐波电流，可以被全面把控，具体包括电流频率、电流幅值以及电流相位等，在进行负载谐波检测时，被注入电网中的谐波电流就会抵消系统中原有的谐波电流，治理谐波的目标会因此而达成。

目前，常用的有源电力滤波器为两种：一种是并联装置；另一种是串联装置，二者治理谐波的方向不同，其中，串联型装置在治理谐波电压问题时较为适用，而并联装置在治理谐波电流问题时较为适用。二者具有大致相同的谐波治理原理，并联装置在检测负载电流时，会通过计算方法的使用，对谐波电流进行计算，然后，会向电网注入与计算结果相同的电流，从而实现治理谐波电流的目的。有源电力滤波器的优势主要包括以下几点：①具有非常快的相应速度，能够在极短的时间内，对负荷谐波量的变化进行响应，可以对大部分情况下的补偿需要进行满足。②系统阻抗不会对其运行造成干扰，故具有十分稳定的补偿能力。③很少与系统发生谐振。④具有灵活的补偿方式，不仅可以对变化的谐波进行补偿，还能对变化的无功进行补偿。

（2）无源滤波器。无源滤波器又可以被称为LC滤波器，属于一种集电容、电阻和电感于一体经设计而构成的滤波电路，可以对一次或多次谐波进行滤除，串联电感和电容的结构是最常用的无源滤波器结构。无源滤波器由多个部分组成，分别是电阻、电容和电抗。通过对电容电阻固有阻抗特性的使用，可以根据谐波频率的不同，提供不同的阻抗的通道，这样一来，就会与电网阻抗形成分流的关系，滤波器因此成了特定频率谐波的流入目的地，以此达成治理谐波的目的。这种治理方式具有使用方式简单且成本低廉的优势，但与此同时，也存在一些不足，具体表现为无源滤波器在系统阻抗的影响下，其滤波效果会不断下降，故很难达成预期的治理目的。再加上无源元件容易与电网阻抗产生作用，导致谐振发生，谐波会在谐振的作用下被放大，从而影响电力系统的稳定性。

（3）谐波治理设备的选择。通过上述分析可知，有源与无源滤波器相比，其优势更为显著，并且，无源滤波器在治理谐波时，可能会与低压配电系统产生其他作用，不利于低压配电系统的安全，而有源电力滤波器的动态特性显著，通过对注入电流的有效把控，能够避免系统过补偿问题的产生，因此，与机场航站楼低压配电系统谐波治理需要相符，因此，建议机场航展楼在治理谐波时，选择有源电力滤波器。

3.2 谐波治理方式

目前，常用的谐波治理方式包括就地补偿、集中补偿和支路补偿。但基于机场航站楼低压配电系统的特点，适用于其中谐波治理方式为集中补偿。

（1）集中补偿方式。集中补偿方式，就是将谐波补偿装置加装到用户用电系统和电网连接点处，通常情况下，变压器低压侧是主要安装位置。以某项目为例，对其应用效果进行分析。①项目案例。在社会经济高速发展的背景下，单晶硅这种高科技资源受到了人们的高度关注，其生产工艺较为简单，主要包括熔融加热和直流加热，这两种加热方式虽然采用的设备不同，但均采用了半导体可控整流方式，正因如此，在实际加热过程中，产生的谐波数量十分巨大，对电网造成的谐波污染不容忽视，在这些谐波的影响下，电力系统中的电气设备很难发挥作用，系统无功补偿也受到了影响，导致低压配电系统在供电过程中，损失了大量的电能。②治理方案。针对谐波问题，工作人员在了解谐波产生原因之后，通过集中补偿方式的使用，在补偿和负载之间安装了有源滤波器，以实现对系统谐波完全滤除的目的。此外，在谐波完全滤除后，无功补偿装置正常工作，保证了电力系统运行的质量。③结论。通过有源电力滤波器的合理使用，改善了低压配电系统的质量，使谐波得到了有效质量。

（2）就地补偿方式。就地补偿方式是指在谐波源交流进线处安装滤波器，然后，对滤波器的就近补偿谐波进行利用，对低压配电系统中的谐波进行滤除，以保证系统的安全。接下来，以某项目为例，对治理方案进行分析。①项目案例。某服装加工厂应用了大容量的电脑织机和UPS，这是低压配电系统的主要负载，因为UPS 属于非线性负载，故在运行过程中产生了大量的谐波电流，低压配电系统也在谐波的影响下被污染。②治理方案。技术人员通过试验的方式，明确了谐波出现的原因，故决定采用就地补偿方式滤除谐波。③治理效果。应用就地补偿方式后，谐波总由28.9%下降到了7%，谐波滤除率高达78%以上。

（3）机场航航站楼低压配电系统谐波治理方式。机场航站楼低压配电系统谐波治理，与常规治理方式存在显著的差别，工作人员应该将下述几点内容作为谐波治理重点。①对谐波污染进行控制，避免其影响低压配电系统的正常运行；②对因为谐波而引起的火灾事故进行控制或消除；③对飞机航站楼低压配电系统对上级电网造成的污染进行控制。

由于机场航站楼对通信、信号等负荷安全提出了非常高的要求，如果采用集中补偿方式，虽然可以对电网谐波污染进行规避，并降低火灾发生的概率，却难以消除谐波源对重要负载的影响。因此，建议机场航站楼选择就地补偿，这样一来，方能实现对谐波危害的控制。但这种补偿方式，使用成本较高，且设计难度和工作量大，为控制成本，机场航站楼应选择集中补偿方式和重要负载分类的谐波治理方式。