安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：高速公路行業(yè)機電系統(tǒng)的運行，依靠供配電系統(tǒng)提供的電能支持。隨著機電系統(tǒng)建設的逐步完善，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)的一個重要分支，因此對高速公路供配電系統(tǒng)的質(zhì)量檢測顯得尤為重要。高速公路機電系統(tǒng)中的變壓器、照明燈具、不間斷電源等機電產(chǎn)品以及一些非線性負載在產(chǎn)生諧波的同時也會降低功率因數(shù)，諧波的產(chǎn)生會對整個供電系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，功率因數(shù)低會導致電能的損耗，從而使高速公路的運維面臨很大問題。本文根據(jù)高速公路的現(xiàn)狀，分析高速公路負載的特性、諧波產(chǎn)生的原因以及電能質(zhì)量需求，并提出來相應的系統(tǒng)解決方案。

關鍵詞：高速公路行業(yè)；機電系統(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，隨著高速公路的飛速發(fā)展，高速公路機電設備也日益增加(如變壓器、隧道燈具，機電產(chǎn)品和不間斷電源不斷增加)，對這些設備的日常使用、工作壽命和維護更換都提出了更高的要求，這樣對他們的供電系統(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)電機和不間斷電源組成。其中不間斷電源(包括UPS、EPS)為機電設備提供了供電的高可靠性，但由于其非線性特性，產(chǎn)生諧波污染，其中高次諧波對機電設備中的通信傳輸設備和高性能服務器等都有很大的干擾;低次諧波會降低變壓器設備和線路的使用壽命，且諧波電流對供電系統(tǒng)產(chǎn)生很大功耗; 并且隧道燈具和機電產(chǎn)品等設備也產(chǎn)生諧波污染；同時這些負載有一部分屬于感性負載，會降低功率因數(shù)，因此對高速公路供電系統(tǒng)進行全面的電能質(zhì)量治理，才能滿足機電設備使用的要求。

1.高速公路行業(yè)負載分類和特性

1.1高速公路行業(yè)負載分類

高速公路用電設備除少數(shù)電阻性負載外，有一部分用電設備屬于感性用電負載，例如高壓鈉燈、變壓器等設備。其余大部分設備為非線性負載，例如計算機、網(wǎng)絡設備、收費車道設備、攝像機、可變情報板、各類檢測器以及LED照明燈等。

高速公路供配電系統(tǒng)是采用集中或相對集中供電所用電源從發(fā)電廠或從附近地區(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送至有關用電設備。當市電停電或出現(xiàn)故障不能正常供電時,則由自備柴油發(fā)電設備發(fā)電供電。

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

收費站變電所重要負荷一般為通信系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。常設有UPS為操作機構(gòu)、監(jiān)控設備、測控單元及ATS供電。

服務區(qū)變電所重要負荷一般為外場監(jiān)控、通信系統(tǒng)、生活水泵、消火栓泵、綜合樓照明、場區(qū)照明等。

1.2高速公路行業(yè)負載特性

（1）單相設備多，采用單相供電容易造成三相負載不平衡，中性點偏移，且三相相差不對稱。

（2）絕大多數(shù)用電設備為非線性負載，一類是呈電容性的非線性負荷(含有開關電源的設備)。另一類是呈電感性非線性負荷(含電感鎮(zhèn)流器的照明燈具等)。

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

（4）所有使用到直流電壓的電氣產(chǎn)品，其電源供應器的最前面一般大都會使用橋式整流電路，橋式整流電路會產(chǎn)生大量的奇次諧波，對電路系統(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性的，所以其勵磁電流也是非線性的。正常情況下電網(wǎng)電壓可以近似看成正弦電壓，當電網(wǎng)電壓加在變壓器原邊繞組兩端后，產(chǎn)生的勵磁電流會使鐵芯產(chǎn)生磁通Φ，因為磁路是非線性的，所以當勵磁電流為尖頂波時，才會產(chǎn)生正弦磁通，當勵磁電流為正弦波時，才會產(chǎn)生平頂波的磁通。但勵磁電流不論是平頂波還是尖頂波，都會含有奇次諧波，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是非正弦的，輸出電壓就會含有諧波量。如果勵磁電流為尖頂波，那受電端的變壓器原邊電流就會含有諧波。

變壓器的諧波含量除了與本身結(jié)構(gòu)有關外，還與變壓器的工作狀態(tài)有關。在額定電壓下正常工作時，鐵芯的諧波含量是很小的。在額定的負載情況下，電流含有的勵磁電流只有5%左右，其波形近似正弦波。而在變壓器輕載或者空載的時候，鐵心就會在飽和區(qū)工作，非正弦勵磁電流會導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電動勢中含有諧波分量。當變壓器進行空載合閘時，會有很大的勵磁電流出現(xiàn)，此勵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，這類負荷就會產(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阻抗和系統(tǒng)阻抗上就會使電力系統(tǒng)的電壓每一個半周正弦波的50°發(fā)生凹陷，使電壓產(chǎn)生畸變，這類照明燈的功率因數(shù)通常只有0.55左右。由于這類燈具的諧波含量很大，在隧道燈大量開啟時，會產(chǎn)生大量的諧波電流，對隧道供電造成影響。單個燈容量雖然不大，但是數(shù)量眾多，所產(chǎn)生的諧波會對電能質(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發(fā)光，在放電時會有負電阻特性。高壓氣體放 電燈的發(fā)光強度大，它們產(chǎn)生的諧波以3、5、7次諧波為主，且諧波電流會隨著燈具容量的增大而增大?，F(xiàn)行的利用節(jié)能器來調(diào)節(jié)高壓氣體放電燈的發(fā)光強度，無非是使用可控硅、IGBT和GTO等電力電子器件來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。LED的照明驅(qū)動電源電路結(jié)構(gòu)有很多種，常用的主要有三種:無功率因數(shù)校正(簡易型)、有源2017年4期(總第148期)297功率因數(shù)校正(如BOOST式的)和無源功率因數(shù)校正(逐流式)。其中無功率因數(shù)校正的電路結(jié)構(gòu)會使得輸入電流含有非常高的諧波成分，并且會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)對功率因數(shù)的校正 ，會使輸入電流的正弦波形比較理想，諧波含量很低。無源功率因數(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，所以采用這個校正電路架構(gòu)會比較多。

2.3 機電設備諧波

現(xiàn)在的高速公路中的機電設備使用量非常大，大量的顯示用設備(如監(jiān)控控制系統(tǒng)和可變標志顯示系統(tǒng)等)，其產(chǎn)生諧波的原理與電視的很相似?？刂葡到y(tǒng)整機運行時與顯示設備單獨運行時相比，其3～11次諧波電流畸變率會稍微下降，而13,15、17次諧波電流畸變率會稍微上升。因為控制系統(tǒng)的諧波畸變率較高，并且其諧波電流與顯示設備 諧波電流相位重合，這會共同增大諧波電流。當控制系統(tǒng)使用量很大時，其諧波會與正在使用的其他電氣 設備的諧波疊加，控制系統(tǒng)的諧波影響就會迅速擴大。

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)部使用整流設備而產(chǎn)生的，其產(chǎn)生的諧波與整流設備的脈沖數(shù)(也就是可控硅、IGBT或者GTO的個數(shù))有關，目前的不間斷電源常見的脈沖數(shù)是六脈沖和十二脈沖，對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

高速公路變電所包括隧道變電所、服務區(qū)變電所、收費站變電所、沿線箱式變電站、互通樞紐等區(qū)域。同時由于綠色交通的推進以及擴容調(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、距離長且位置分散、橋隧比高等特點。也正是由于這些特點，高速公路配電系統(tǒng)面臨了如下痛點：

(1)供電可靠性要求高；

(2)供電范圍大造成運維管理困難；

(3)隧道內(nèi)控制設備種類多，頻次高；

(4)長期處于山區(qū)或鄉(xiāng)村存在高風險又缺乏專業(yè)人員。

3.2高速公路行業(yè)電能質(zhì)量主要特征：

（1）國家持續(xù)重點建設發(fā)展的行業(yè)，配電管理逐漸智能化、自動化，對電能質(zhì)量要求高，對配電設備穩(wěn)定性和可靠性要求高。

（2）變壓器容量小，負荷輕。

（3）主要關注電能質(zhì)量問題是無功補償問題，負載設備中主要諧波源為UPS，但諧波含量較小。

（4）補償設備更推薦SVG，SVG補償精度高，能適應高速公司輕載的特性。且SVG自動化免維護，壽命長，沒有電容補償故障率高這些問題。

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

4.1解決方案

通過上述對高速公路行業(yè)各方面的分析得出配電穩(wěn)定性可靠性對于高速公路配電系統(tǒng)越來越重要，對配電的電能質(zhì)量要求也越來越高。但是高速公路供配電系統(tǒng)負荷分布較為分散，負荷一般都是日常用電的輕負荷，同時部分負荷是感性負荷，因此需要一個系統(tǒng)的解決方案來提高高速公路行業(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)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為高速公路行業(yè)用戶提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創(chuàng)造價值。

4.2方案特點

（1）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)可在終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務；

（2）專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測：電能質(zhì)量實時在線監(jiān)測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；

（3）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置整體設計，通過上位平臺實現(xiàn)統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制；

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

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

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

4.3方案價值

(1)全面監(jiān)測電能質(zhì)量，保障供電可靠性,對供電回路的電氣參數(shù)進行全面監(jiān)測，確保設備用電符合標準要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時記錄故障發(fā)生時全部數(shù)據(jù)信息，支持開展故障追蹤與問題定位。

(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)的特點以及配電設備負載的特性，通過集中治理的模式，更經(jīng)濟和高效的滿足無功和諧波的治理需求，達到提高高速公路行業(yè)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，降低設備故障率的目的。

5.安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理產(chǎn)品選型

由于高速公路行業(yè)負載較為分散，通過集中治理的方式，對高速公路行業(yè)配電系統(tǒng)所涉及到的UPS、LED燈、機電等設備產(chǎn)生的諧波統(tǒng)一治理，減少諧波對電網(wǎng)側(cè)的危害和影響；對非線性負載產(chǎn)生的功率因數(shù)問題，也在高速公路配電房內(nèi)裝設相應的無功補償裝置，確保無功功率因數(shù)達到國標要求值，避免罰款。同時也可對整個低壓供配電系統(tǒng)進行電能質(zhì)量在線監(jiān)測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測等，其集中治理的產(chǎn)品選型見表2。

表2電能質(zhì)量監(jiān)測及集中治理產(chǎn)品選型表

6.結(jié)論

自改革開放以來，我國高等級公路得到迅猛發(fā)展。與此同時，高速公路的擴容與升級對高速公路行業(yè)配電需求也越來越高，人們對配電的電能質(zhì)量也是越來越重視。本文通過分析目前高速公路沿線用電設施的特點和性能、諧波源的特性、治理需求以及痛點，并針對高速公路所面臨的電能質(zhì)量問題，在相應配電系統(tǒng)配置合理的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案，以監(jiān)測電網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)、實現(xiàn)補償無功功率和抑制諧波，減少線路損耗的目的，從而起到提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行，保障設備的性能以及降低能耗的目的。