安科瑞 鮑靜君

　　摘要：高速公路行業(yè)機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行,，依靠供配電系統(tǒng)提供的電能支持,。隨著機(jī)電系統(tǒng)建設(shè)的逐步完善，高速公路供配電系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為電力供電系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，因此對(duì)高速公路供配電系統(tǒng)的質(zhì)量檢測(cè)顯得尤為重要,。高速公路機(jī)電系統(tǒng)中的變壓器,、照明燈具、不間斷電源等機(jī)電產(chǎn)品以及一些非線(xiàn)性負(fù)載在產(chǎn)生諧波的同時(shí)也會(huì)降低功率因數(shù),，諧波的產(chǎn)生會(huì)對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響,，功率因數(shù)低會(huì)導(dǎo)致電能的損耗，從而使高速公路的運(yùn)維面臨很大問(wèn)題,。本文根據(jù)高速公路的現(xiàn)狀,，分析高速公路負(fù)載的特性、諧波產(chǎn)生的原因以及電能質(zhì)量需求,，并提出來(lái)相應(yīng)的系統(tǒng)解決方案,。

　　關(guān)鍵詞：高速公路行業(yè)；機(jī)電系統(tǒng),；電能質(zhì)量,；諧波危害及治理；系統(tǒng)解決方案

　　0.引言

　　近年來(lái),，隨著高速公路的飛速發(fā)展,，高速公路機(jī)電設(shè)備也日益增加(如變壓器、隧道燈具,，機(jī)電產(chǎn)品和不間斷電源不斷增加),，對(duì)這些設(shè)備的日常使用、工作壽命和維護(hù)更換都提出了更高的要求,，這樣對(duì)他們的供電系統(tǒng)也提出了要求,，而供電系統(tǒng)主要由變壓器(典型配置為10kV/400V型的降壓變壓器)、柴油發(fā)電機(jī)和不間斷電源組成,。其中不間斷電源(包括UPS,、EPS)為機(jī)電設(shè)備提供了供電的高可靠性，但由于其非線(xiàn)性特性,，產(chǎn)生諧波污染,，其中高次諧波對(duì)機(jī)電設(shè)備中的通信傳輸設(shè)備和高性能服務(wù)器等都有很大的干擾;低次諧波會(huì)降低變壓器設(shè)備和線(xiàn)路的使用壽命，且諧波電流對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生很大功耗; 并且隧道燈具和機(jī)電產(chǎn)品等設(shè)備也產(chǎn)生諧波污染,；同時(shí)這些負(fù)載有一部分屬于感性負(fù)載,，會(huì)降低功率因數(shù)，因此對(duì)高速公路供電系統(tǒng)進(jìn)行全面的電能質(zhì)量治理,，才能滿(mǎn)足機(jī)電設(shè)備使用的要求,。

　　1.高速公路行業(yè)負(fù)載分類(lèi)和特性

　　1.1高速公路行業(yè)負(fù)載分類(lèi)

　　高速公路用電設(shè)備除少數(shù)電阻性負(fù)載外，有一部分用電設(shè)備屬于感性用電負(fù)載,，例如高壓鈉燈,、變壓器等設(shè)備,。其余大部分設(shè)備為非線(xiàn)性負(fù)載，例如計(jì)算機(jī),、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,、收費(fèi)車(chē)道設(shè)備、攝像機(jī),、可變情報(bào)板,、各類(lèi)檢測(cè)器以及LED照明燈等。

　　高速公路供配電系統(tǒng)是采用集中或相對(duì)集中供電所用電源從發(fā)電廠(chǎng)或從附近地區(qū)的高壓電網(wǎng)引出10kW或35kW高壓送至高速公路的變電所,，用低壓變壓器產(chǎn)生220V或380V的供電電壓,，然后再由低壓配電屏及輸電線(xiàn)送至有關(guān)用電設(shè)備。當(dāng)市電停電或出現(xiàn)故障不能正常供電時(shí),則由自備柴油發(fā)電設(shè)備發(fā)電供電,。

　　隧道變電所重要負(fù)荷一般為應(yīng)急照明設(shè)施,、通風(fēng)及照明控制設(shè)施、緊急呼叫設(shè)施以及部分消防設(shè)備等,。隧道都處在比較偏遠(yuǎn)的地段,，采用鄉(xiāng)電比較多，由于鄉(xiāng)電本身就不穩(wěn)定,，經(jīng)常面臨著停電的風(fēng)險(xiǎn),，一般采用EPS應(yīng)急電源。如所帶負(fù)載有設(shè)備對(duì)電壓要求高的可由UPS供電,。

　　收費(fèi)站變電所重要負(fù)荷一般為通信系統(tǒng),、收費(fèi)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等,。常設(shè)有UPS為操作機(jī)構(gòu),、監(jiān)控設(shè)備、測(cè)控單元及ATS供電,。

　　服務(wù)區(qū)變電所重要負(fù)荷一般為外場(chǎng)監(jiān)控,、通信系統(tǒng)、生活水泵,、消火栓泵、綜合樓照明,、場(chǎng)區(qū)照明等,。

　　1.2高速公路行業(yè)負(fù)載特性

　　（1）單相設(shè)備多,，采用單相供電容易造成三相負(fù)載不平衡,，中性點(diǎn)偏移，且三相相差不對(duì)稱(chēng),。

　?。?）絕大多數(shù)用電設(shè)備為非線(xiàn)性負(fù)載,，一類(lèi)是呈電容性的非線(xiàn)性負(fù)荷(含有開(kāi)關(guān)電源的設(shè)備)。另一類(lèi)是呈電感性非線(xiàn)性負(fù)荷(含電感鎮(zhèn)流器的照明燈具等),。

　?。?）非線(xiàn)性負(fù)載的大量存在直接導(dǎo)致電流諧波畸變率增大，從而造成無(wú)功功率增大,、功率因數(shù)降低,。傳統(tǒng)的電容補(bǔ)償技術(shù)不能有效地提高功率因數(shù)。

　?。?）所有使用到直流電壓的電氣產(chǎn)品,，其電源供應(yīng)器的最前面一般大都會(huì)使用橋式整流電路，橋式整流電路會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波,，對(duì)電路系統(tǒng)的元器件造成損傷,。

　　2.高速公路行業(yè)諧波源分析

　　2.1變壓器諧波

　　變壓器具有非線(xiàn)性電感是有它本身的結(jié)構(gòu)決定的，由于變壓器磁路是非線(xiàn)性的,，所以其勵(lì)磁電流也是非線(xiàn)性的,。正常情況下電網(wǎng)電壓可以近似看成正弦電壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓加在變壓器原邊繞組兩端后,，產(chǎn)生的勵(lì)磁電流會(huì)使鐵芯產(chǎn)生磁通Φ,，因?yàn)榇怕肥欠蔷€(xiàn)性的，所以當(dāng)勵(lì)磁電流為尖頂波時(shí),，才會(huì)產(chǎn)生正弦磁通,，當(dāng)勵(lì)磁電流為正弦波時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生平頂波的磁通,。但勵(lì)磁電流不論是平頂波還是尖頂波,，都會(huì)含有奇次諧波，其中的3次諧波含量是最大的,。如果磁通為尖頂波,，那副邊的相電壓就會(huì)是非正弦的，輸出電壓就會(huì)含有諧波量,。如果勵(lì)磁電流為尖頂波,，那受電端的變壓器原邊電流就會(huì)含有諧波。

　　變壓器的諧波含量除了與本身結(jié)構(gòu)有關(guān)外,，還與變壓器的工作狀態(tài)有關(guān),。在額定電壓下正常工作時(shí)，鐵芯的諧波含量是很小的,。在額定的負(fù)載情況下,，電流含有的勵(lì)磁電流只有5%左右，其波形近似正弦波,。而在變壓器輕載或者空載的時(shí)候,，鐵心就會(huì)在飽和區(qū)工作,，非正弦勵(lì)磁電流會(huì)導(dǎo)致變壓器原邊繞組的漏感產(chǎn)生壓降，這將使得變壓器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中含有諧波分量,。當(dāng)變壓器進(jìn)行空載合閘時(shí),，會(huì)有很大的勵(lì)磁電流出現(xiàn)，此勵(lì)磁電流的大小是由剩磁大小,、合閘初相角和鐵心材料三者決定的,。

　　2.2 燈具諧波

　　節(jié)能燈是非線(xiàn)性的照明燈，它內(nèi)部帶有電容濾波的電子鎮(zhèn)流器,，由于低成本,，所以燈具內(nèi)部采取的改善電能質(zhì)量的手段有限，這類(lèi)負(fù)荷就會(huì)產(chǎn)生很高含量的奇次諧波電流,，其中3次和其倍數(shù)的諧波電流作用在中性線(xiàn)阻抗和系統(tǒng)阻抗上就會(huì)使電力系統(tǒng)的電壓每一個(gè)半周正弦波的50°發(fā)生凹陷,，使電壓產(chǎn)生畸變，這類(lèi)照明燈的功率因數(shù)通常只有0.55左右,。由于這類(lèi)燈具的諧波含量很大,，在隧道燈大量開(kāi)啟時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流,，對(duì)隧道供電造成影響,。單個(gè)燈容量雖然不大，但是數(shù)量眾多,，所產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響,。節(jié)能燈諧波電流畸變率非常大。它們的諧波電流都是以奇次諧波為主,，3次諧波的值最高,。

　　高壓氣體放電燈是利用汞、鈉等金屬鹵化物的汽化來(lái)發(fā)光,，在放電時(shí)會(huì)有負(fù)電阻特性,。高壓氣體放 電燈的發(fā)光強(qiáng)度大，它們產(chǎn)生的諧波以3,、5,、7次諧波為主，且諧波電流會(huì)隨著燈具容量的增大而增大?，F(xiàn)行的利用節(jié)能器來(lái)調(diào)節(jié)高壓氣體放電燈的發(fā)光強(qiáng)度,，無(wú)非是使用可控硅、IGBT和GTO等電力電子器件來(lái)切斷一部分正弦電流或者降低工作電壓等方法,，所以該電路也產(chǎn)生諧波電流電壓。

　　LED燈,。近幾年,，LED 發(fā)展迅速,，在高速公路隧道照明系統(tǒng)中的使用量猛增，具有良好發(fā)展前景和 照明優(yōu)勢(shì),。LED的照明驅(qū)動(dòng)電源電路結(jié)構(gòu)有很多種,，常用的主要有三種:無(wú)功率因數(shù)校正(簡(jiǎn)易型)、有源2017年4期(總第148期)297功率因數(shù)校正(如BOOST式的)和無(wú)源功率因數(shù)校正(逐流式),。其中無(wú)功率因數(shù)校正的電路結(jié)構(gòu)會(huì)使得輸入電流含有非常高的諧波成分,，并且會(huì)使得輸入電壓畸變率變高。有源功率因數(shù)校正的電路結(jié)構(gòu)對(duì)功率因數(shù)的校正,會(huì)使輸入電流的正弦波形比較理想,，諧波含量很低,。無(wú)源功率因數(shù)校正的電路結(jié)構(gòu)特性處于前兩者之間，它的輸入電流波形較為理想,，諧波成分含量較低,，并且它成本低，所以采用這個(gè)校正電路架構(gòu)會(huì)比較多,。

　　2.3 機(jī)電設(shè)備諧波

　　現(xiàn)在的高速公路中的機(jī)電設(shè)備使用量非常大,，大量的顯示用設(shè)備(如監(jiān)控控制系統(tǒng)和可變標(biāo)志顯示系統(tǒng)等)，其產(chǎn)生諧波的原理與電視的很相似,?？刂葡到y(tǒng)整機(jī)運(yùn)行時(shí)與顯示設(shè)備單獨(dú)運(yùn)行時(shí)相比，其3～11次諧波電流畸變率會(huì)稍微下降,，而13,15,、17次諧波電流畸變率會(huì)稍微上升。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的諧波畸變率較高,，并且其諧波電流與顯示設(shè)備 諧波電流相位重合,，這會(huì)共同增大諧波電流。當(dāng)控制系統(tǒng)使用量很大時(shí),，其諧波會(huì)與正在使用的其他電氣 設(shè)備的諧波疊加,，控制系統(tǒng)的諧波影響就會(huì)迅速擴(kuò)大。

　　2.4 不間斷電源諧波

　　不間斷電源主要由整流電路,、逆變電路,、控制電路、充電電路,、電池組,、旁路系統(tǒng)組成。其中不間斷電源產(chǎn)生諧波的主要原因是由于其內(nèi)部使用整流設(shè)備而產(chǎn)生的,，其產(chǎn)生的諧波與整流設(shè)備的脈沖數(shù)(也就是可控硅,、IGBT或者GTO的個(gè)數(shù))有關(guān)，目前的不間斷電源常見(jiàn)的脈沖數(shù)是六脈沖和十二脈沖,，對(duì)于六脈沖的不間斷電源其主要的諧波以5,7次諧波為主,，對(duì)于十二脈沖的不間斷電源其主要的諧波階次為11,、13次。

　　3.高速公路行業(yè)電能質(zhì)量治理需求分析及主要特征

　　3.1需求分析

　　公路變電所包括隧道變電所,、服務(wù)區(qū)變電所,、收費(fèi)站變電所、沿線(xiàn)箱式變電站,、互通樞紐等區(qū)域,。同時(shí)由于綠色交通的推進(jìn)以及擴(kuò)容調(diào)整，目前高速公路變電所呈現(xiàn)帶狀分布供配電所數(shù)量多,、距離長(zhǎng)且位置分散,、橋隧比高等特點(diǎn)。也正是由于這些特點(diǎn),，高速公路配電系統(tǒng)面臨了如下痛點(diǎn)：

　　(1)供電可靠性要求高,；

　　(2)供電范圍大造成運(yùn)維管理困難；

　　(3)隧道內(nèi)控制設(shè)備種類(lèi)多,，頻次高,；

　　(4)長(zhǎng)期處于山區(qū)或鄉(xiāng)村存在高風(fēng)險(xiǎn)又缺乏專(zhuān)業(yè)人員。

　　3.2高速公路行業(yè)電能質(zhì)量主要特征：

　 （1）國(guó)家持續(xù)重點(diǎn)建設(shè)發(fā)展的行業(yè),，配電管理逐漸智能化,、自動(dòng)化，對(duì)電能質(zhì)量要求高,，對(duì)配電設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性要求高,。

　 （2）變壓器容量小，負(fù)荷輕,。

　 （3）主要關(guān)注電能質(zhì)量問(wèn)題是無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題,，負(fù)載設(shè)備中主要諧波源為UPS，但諧波含量較小,。

　 （4）補(bǔ)償設(shè)備更推薦SVG,，SVG補(bǔ)償精度高，能適應(yīng)高速公司輕載的特性,。且SVG自動(dòng)化免維護(hù),，壽命長(zhǎng)，沒(méi)有電容補(bǔ)償故障率高這些問(wèn)題,。

　　4.高速公路行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案

　　4.1解決方案

　　通過(guò)上述對(duì)高速公路行業(yè)各方面的分析得出配電穩(wěn)定性可靠性對(duì)于高速公路配電系統(tǒng)越來(lái)越重要,，對(duì)配電的電能質(zhì)量要求也越來(lái)越高。但是高速公路供配電系統(tǒng)負(fù)荷分布較為分散,，負(fù)荷一般都是日常用電的輕負(fù)荷,，同時(shí)部分負(fù)荷是感性負(fù)荷，因此需要一個(gè)系統(tǒng)的解決方案來(lái)提高高速公路行業(yè)電能質(zhì)量的監(jiān)管和電能的質(zhì)量。安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案可滿(mǎn)足電力監(jiān)控管理,、運(yùn)維與電能質(zhì)量治理等方面的需求,，致力于為高速公路行業(yè)用戶(hù)提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品,、系統(tǒng)、服務(wù)等不同方面來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的需要,，為用戶(hù)創(chuàng)造價(jià)值,。

　　4.2方案特點(diǎn)

　 （1）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)可在終端為用戶(hù)提供電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能外,，亦可通過(guò)接入AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效管理平臺(tái),，為用戶(hù)提供遠(yuǎn)程在線(xiàn)服務(wù)；

　 （2）專(zhuān)業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè),，測(cè)量精度高,、測(cè)得準(zhǔn)，符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn),；

　 （3）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理裝置整體設(shè)計(jì),，通過(guò)上位平臺(tái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制；

　 （4）根據(jù)高速公路行業(yè)特點(diǎn)制定合理電能質(zhì)量治理策略,；

　 （5）電能質(zhì)量有源治理設(shè)備采用DSP+FPGA的控制架構(gòu),、模組式高功率IGBT的輸出方式，為電網(wǎng)的安全可靠保駕護(hù)航,；

　 （6)電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同：配電監(jiān)控管理與運(yùn)維,、電能分析與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)共享融通，為企業(yè)電能供給與消費(fèi)提供控制手段,。

　　4.3方案價(jià)值

　　(1)全面監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量,，保障供電可靠性,對(duì)供電回路的電氣參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，確保設(shè)備用電符合標(biāo)準(zhǔn)要求,。微秒級(jí)故障錄波與SOE告警能夠及時(shí)記錄故障發(fā)生時(shí)全部數(shù)據(jù)信息,，支持開(kāi)展故障追蹤與問(wèn)題定位。

　　(2)完整電能質(zhì)量治理,結(jié)合高速公路行業(yè)供配電系統(tǒng)的特點(diǎn)以及配電設(shè)備負(fù)載的特性,，通過(guò)集中治理的模式,，更經(jīng)濟(jì)和高效的滿(mǎn)足無(wú)功和諧波的治理需求，達(dá)到提高高速公路行業(yè)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量,，降低設(shè)備故障率的目的,。

　　5.安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理產(chǎn)品選型

　　由于高速公路行業(yè)負(fù)載較為分散，通過(guò)集中治理的方式,，對(duì)高速公路行業(yè)配電系統(tǒng)所涉及到的UPS,、LED燈、機(jī)電等設(shè)備產(chǎn)生的諧波統(tǒng)一治理，減少諧波對(duì)電網(wǎng)側(cè)的危害和影響,；對(duì)非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的功率因數(shù)問(wèn)題,，也在高速公路配電房?jī)?nèi)裝設(shè)相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，確保無(wú)功功率因數(shù)達(dá)到國(guó)標(biāo)要求值,，避免罰款,。同時(shí)也可對(duì)整個(gè)低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，其中包含諧波分析,、波形采樣,、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測(cè)等,，其集中治理的產(chǎn)品選型見(jiàn)表2,。

　　表2電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)及集中治理產(chǎn)品選型表

　　6.結(jié)論

　　自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)高等級(jí)公路得到迅猛發(fā)展,。與此同時(shí),，高速公路的擴(kuò)容與升級(jí)對(duì)高速公路行業(yè)配電需求也越來(lái)越高，人們對(duì)配電的電能質(zhì)量也是越來(lái)越重視,。本文通過(guò)分析目前高速公路沿線(xiàn)用電設(shè)施的特點(diǎn)和性能,、諧波源的特性、治理需求以及痛點(diǎn),，并針對(duì)高速公路所面臨的電能質(zhì)量問(wèn)題,，在相應(yīng)配電系統(tǒng)配置合理的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案，以監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù),、實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償無(wú)功功率和抑制諧波,，減少線(xiàn)路損耗的目的，從而起到提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,，保障設(shè)備的性能以及降低能耗的目的,。