安科瑞 鮑靜君

　　摘要：高速公路行業(yè)機(jī)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(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(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)品以及一些非線性負(fù)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(dǎo)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(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，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，但由于其非線性特性，產(chǎn)生諧波污染，其中高次諧波對機(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;低次諧波會降低變壓器設(shè)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(jī)電產(chǎn)品等設(shè)備也產(chǎn)生諧波污染；同時這些負(fù)載有一部分屬于感性負(fù)載，會降低功率因數(shù)，因此對高速公路供電系統(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)載分類和特性

　　1.1高速公路行業(yè)負(fù)載分類

　　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)備為非線性負(fù)載，例如計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、收費車道設(shè)備、攝像機(jī)、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(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,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，一般采用EPS應(yīng)急電源。如所帶負(fù)載有設(shè)備對電壓要求高的可由UPS供電。

　　收費站變電所重要負(fù)荷一般為通信系統(tǒng)、收費系統(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(fù)載特性

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

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

　?。?）非線性負(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(dāng)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(dāng)勵磁電流為尖頂波時，才會產(chǎn)生正弦磁通，當(dāng)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(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，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(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)電動勢中含有諧波分量。當(dāng)變壓器進(jìn)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(fù)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(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(qiáng)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(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)運行時與顯示設(shè)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(shè)備 諧波電流相位重合，這會共同增大諧波電流。當(dāng)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(shè)備的諧波疊加，控制系統(tǒng)的諧波影響就會迅速擴(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的個數(shù))有關(guān)，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

　　公路變電所包括隧道變電所、服務(wù)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(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(shè)備種類多，頻次高；

　　(4)長期處于山區(qū)或鄉(xiāng)村存在高風(fēng)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(shè)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(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)量問題是無功補(bǔ)償問題，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自動化免維護(hù)，壽命長，沒有電容補(bǔ)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(fù)荷分布較為分散，負(fù)荷一般都是日常用電的輕負(fù)荷，同時部分負(fù)荷是感性負(fù)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(wù)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(shè)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(yuǎn)程在線服務(wù)；

　 （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(zhǔn)，符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)；

　 （3）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置整體設(shè)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(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(jìn)行全面監(jiān)測，確保設(shè)備用電符合標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備負(fù)載的特性，通過集中治理的模式，更經(jīng)濟(jì)和高效的滿足無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(jī)電等設(shè)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(fù)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(shè)相應(yīng)的無功補(bǔ)償裝置，確保無功功率因數(shù)達(dá)到國標(biāo)要求值，避免罰款。同時也可對整個低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)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(kuò)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(shè)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(yīng)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(bǔ)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(jì)運行，保障設(shè)備的性能以及降低能耗的目的。