谐波干扰下建筑电气10kV低压配电系统设计与实现
李秀珍 孙志城
摘 要： 在对建筑物当前和远期用电负荷准确评估的基础上，设计一种建筑电气10 kV低压配电系统。基于用电负荷的评估和整个建筑的布局，合理地设计低压配电系统的硬件部分；对低压配电系统中存在的谐波干扰进行检测，并针对主要谐波源及其特點，制定防范和处理措施；基于建筑电气10 kV低压配电系统硬件系统设计，制定系统的软件设计流程。实验证明了提出的系统设计能够有效地控制和减少短路及其他电气故障的发生，稳定可靠。
关键词： 谐波干扰； 低压配电； 系统设计； 用电负荷评估
中图分类号： TN011+.92?34； TB21 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0164?04
Abstract： On the basis of accurate assessment of the current and long?term building electrical load， a 10 kV low?voltage power distribution system for building electric equipments was designed. According to the assessment of electric load and layout of the whole building， the hardware unit of the low?voltage power distribution system was designed reasonably. The harmonic interference existing in the low?voltage power distribution system is detected. Aiming at the main harmonic source and its characteristics， the precaution and treatment measures are formulated. The design flow of the system software is formulated on the basis of the hardware system design of 10 kV low?voltage power distribution system for the building electric equipments. The experimental results show that the designed system can control and reduce the situations of short circuit and other electrical faults effectively， and is stable and reliable.
Keywords： harmonic interference； low?voltage power distribution； system design； electrical load assessment
0 引 言
低压配电系统[1?2]负责整个建筑物的电力供应[3?4]，建筑物的低压配电系统设计是否合理、有效，将直接影响整栋建筑用电系统和设备能否正常运行[5?6]。本文在对建筑物当前和远期用电负荷准确评估的基础上，设计了一种建筑电气10 kV低压配电系统。
基于对整栋建筑用电负荷的评估和系统布局的评价，合理地设计硬件系统。但由于建筑物中办公、照明、空调等用电器的大量存在导致非线性负荷的过度使用而产生谐波，影响供电系统安全。对低压配电系统中存在的谐波干扰进行检测，并针对主要谐波源及其特点，制定防范措施。基于建筑电气10 kV低压配电系统硬件系统的设计，完成系统的软件流程的设计。实验证明了提出的系统设计能够有效地减少短路和其他故障的发生、性能稳定可靠。
1 建筑电气10 kV低压配电系统的设计与实现
1.1 建筑物总用电负荷的评估
对建筑物低压配电系统进行设计之初，首先要评估整个建筑物当前和远期的用电负荷，使低压配电系统设计和整个建筑物的负荷相匹配。配电系统能力设计不足，不能满足供电需要；反之，又会造成资源和能源的浪费。整个建筑物的保障负荷包括：不间断交流系统、照明系统、直流系统、专用空调、数据终端用电设备等。当前的用电负荷预估表，如表1所示。
依据中远期的规划，未来需要扩充办公区域、增加网络交换设备、增加机房及空调等，如表2所示。
表2 建筑物未来用电负荷预期
通过对建筑物当前负荷的预估和未来用电负荷的预期，总用电负荷为1 072 kV·A，可以设计和使用10 kV的低压配电系统。
1.2 建筑电气10 kV低压配电系统的硬件系统设计
建筑电气10 kV低压配电硬件系统的设计及分布，是整个低压配电系统设计的核心和软件系统运行的载体，因此硬件系统设计的合理性至关重要。建筑电气10 kV低压配电硬件系统设计包括电源系统设计（含市电电源、应急电源和UPS电源）、变配电所的布置、配电设备的选用等。图1为建筑电气10 kV低压配电系统电路示意图。建筑电气10 kV低压配电系统的电源可靠性要求较高。系统内的市电电源应与应急电源能够保持自动切换，对于机房空调、办公照明等设备中的负荷应采用放射式双回路配电，电源的负荷在设备中应能够自由地进行切换。
电源切换采用自动转换开关，低压配电系统输入端市电电源与自备应急电源切换采用自动转换开关，需考虑使用条件和周围环境引起的容量损失。
建筑物设置独立式 10 kV总配电所，发电机房和设备机房要特别注意通风和稳定控制和消防要求，建筑电气10 kV的变电所布置如图2所示。
低压配电系统配电设备的选择包含低压配电柜、断路器、浪涌保护器、无功补偿设备等。低压配电柜分为抽屉式柜型和固定式柜型，如图3所示。抽屉式低压配电柜[7]主要用于电机对回路的控制，方便快捷。固定式低压配电柜[8]组装零部件少，结构简单，能够很好地控制成本。抽屉柜低压配电柜把接触器、断路器等一起分离，更换部件灵活快捷，但有时会影响柜体的耐用度。
固定式低压配电柜主要用于配电回路和一些大功率的控制回路。对于回路较多的情况，抽屉式配电柜的使用和维护更为方便。本文的10 kV低压配电系统设计的配电柜采用抽屉式设计。
断路器是低压配电系统的主要安全部件，断路器质量等级和容量大小与系统安全紧密相关。框架断路器的分断水平很高，可保障断开电源的中性线电流对低压配电系统的损坏，主进线及联络开关均要采用四级断路器。图4为断路器电路系统示意图。
浪涌保护器是建筑电气10 kV低压配电系统的电源防雷器，其雷电通流量不应低于 50 kA。为了降低系统损耗、提高供电质量，需要安装无功补偿柜。无功补偿柜一般选择变压器容量的40%。建筑电气10 kV低压配电硬件系统的设计包括电源系统、变电所及低压变电设备的选用。但在低压配电系统运行过程中，建筑物中大量非线性负荷的使用，会产生谐波，严重影响供电系统安全，因此必须对低压配电系统中存在的谐波干扰进行检测和滤除。
1.3 谐波干扰的检测与滤除
建筑物里的关键谐波源设备有照明系统的荧光灯镇流器、节能灯；打印、复印及绘画设备；电梯、空调软启动器、变频器等。其中照明系统和办公设备是关键的谐波源，照明设备的电流互相重叠，像节能灯照明会形成 20%以上的3次谐波，办公设备也会产生很高的谐波畸变率，其他设备的谐波含量一般也在 10%～20%。
由于大量非线性设备的存在，使建筑物低压配电系统谐波畸变严重，因此要在低压配电系统的硬件系统中加入滤波器进行去谐波处理。低压配电系统主要采用三相四线有源电力滤波器来对谐波进行检测和滤除。首先对负荷产生的谐波电流含量进行现场测试，采用叠加的方法计算了由多个非线性负荷相乘的谐波电流；在辨别各样非线性负荷的谐波电流含量后，对不一样的谐波源间的各次谐波实行叠加，能先把当中前两个谐波源形成的谐波实行叠加；然后再和第三个谐波源叠加治理。两个谐波源的某次谐波电流为[I21k+I22k+λkI21kI22k]，其中[I1k]为首次谐波源第k次电流，[I22k]为第二次谐波源的第k次电流等，[λk]为滤波系数，其取值范围依据k的变化而变化，需要滤除的谐波总电流有效值为[I′]：
根据[I′]来确定不同的滤波电流和修正系数，实现对谐波的滤除。
1.4 建筑电气10 kV低压配电系统的软件工作流程
完成对建筑电气10 kV低压配电硬件系统的设计并增加有源电力滤波器后，基于硬件系统来设计低压配电系统的软件系统。低压配电系统的软件流程包括网络搭建、参数选定、网络检测、电网计算、系统评价及显示结果等，具体的软件流程图，如图5所示。
首先来搭建低压配电网，需要明确是否对网络容量实行自动选型。若选取自动选型的方式，那么系统自动依据负载容量决定变压器容量；若选取的是手动选型的方式，由用户决定网络容量。然后实行网络参数及设备参数的选取，结果如表3及表4所示。
电网检查程序是由计算机系统完成的，其检查步骤如图6所示。此步骤很容易产生错误，要详细的检测各项关键内容，保证电网运行的准确性。需要计算的内容包括：计算电流负荷、选择导体、计算电压降、计算短路电流等，计算的详细步骤如图7所示。电网计算完后，自动对电气选型。可以查看断路器选择性。
计算流程结束后，低压配电系统会对整个系统运行进行评价，并将相关的数据信息存储于数据库。本文设计了一种建筑电气10 kV低压配电系统。首先对整个建筑用电负荷进行评估，在检测和滤除谐波干扰的同时，合理地完成低压配电硬件系统和软件流程的设计。
2 实验结果与分析
以安装本文系统设计的某建筑物为例，针对建筑电气10 kV低压系统有效性，进行了跟踪测试和实验。实验证明本文设计的系统在控制短路次数，及整个系统的稳定性方面对比安装本系统之前有较大幅度的改善。
从表5统计的短路次数可以看出，安装本文系统后建筑物短路次数大幅减少。对安装本低压配电系统前后各一年时间，整个建筑物各种形式的电路系统故障情况进行统计和对比，分别拟合成曲线如图8所示。通过實验数据证明了提出的系统设计能够更好地控制故障率、稳定有效。
3 结 语
本文通过对某建筑物用电负荷的评估，设计了一种建筑电气10 kV低压配电系统。在检测和滤除谐波干扰的同时，合理地完成了低压配电硬件系统和软件流程的设计，实验证明本文系统设计达到了较好的预期效果。
参考文献
[1] 雍静，娄方桥，王一平，等.低压配电系统单相非线性负荷的谐波衰减效应研究[J].中国电机工程学报，2011，31（13）：55?62.
[2] 刘国林，陈刚.智能低压配电系统国内外发展概况[J].电器与能效管理技术，1998（2）：3?7.
[3] 杨成德.低压配电系统接地和接零保护[J].电气应用，2000（7）：23?26.
[4] 王厚余.低压配电系统接地故障保护讲座：第十六讲隔离变压器供电和特低电压供电中的接地问题[J].电世界，2003（5）：39?40.
[5] 陈宇飞.中低压配电系统无功补偿优化分析[J].电力设备，2007，8（8）：37?40.
[6] 叶书明.针对高层建筑电气设计中低压配电系统安全性分析[J].民营科技，2014（8）：19.
[7] 谢正新.抽屉式配电柜故障检修测试的装置与技术分析[J].电子世界，2014（8）：222.
[8] 朱海杰，李海兵，朱爱春，等.固定式智能交流低压配电柜：中国，CN203456774U[P].2014?02?26.
摘 要： 在对建筑物当前和远期用电负荷准确评估的基础上，设计一种建筑电气10 kV低压配电系统。基于用电负荷的评估和整个建筑的布局，合理地设计低压配电系统的硬件部分；对低压配电系统中存在的谐波干扰进行检测，并针对主要谐波源及其特點，制定防范和处理措施；基于建筑电气10 kV低压配电系统硬件系统设计，制定系统的软件设计流程。实验证明了提出的系统设计能够有效地控制和减少短路及其他电气故障的发生，稳定可靠。
关键词： 谐波干扰； 低压配电； 系统设计； 用电负荷评估
中图分类号： TN011+.92?34； TB21 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0164?04
Abstract： On the basis of accurate assessment of the current and long?term building electrical load， a 10 kV low?voltage power distribution system for building electric equipments was designed. According to the assessment of electric load and layout of the whole building， the hardware unit of the low?voltage power distribution system was designed reasonably. The harmonic interference existing in the low?voltage power distribution system is detected. Aiming at the main harmonic source and its characteristics， the precaution and treatment measures are formulated. The design flow of the system software is formulated on the basis of the hardware system design of 10 kV low?voltage power distribution system for the building electric equipments. The experimental results show that the designed system can control and reduce the situations of short circuit and other electrical faults effectively， and is stable and reliable.
Keywords： harmonic interference； low?voltage power distribution； system design； electrical load assessment
0 引 言
低压配电系统[1?2]负责整个建筑物的电力供应[3?4]，建筑物的低压配电系统设计是否合理、有效，将直接影响整栋建筑用电系统和设备能否正常运行[5?6]。本文在对建筑物当前和远期用电负荷准确评估的基础上，设计了一种建筑电气10 kV低压配电系统。
基于对整栋建筑用电负荷的评估和系统布局的评价，合理地设计硬件系统。但由于建筑物中办公、照明、空调等用电器的大量存在导致非线性负荷的过度使用而产生谐波，影响供电系统安全。对低压配电系统中存在的谐波干扰进行检测，并针对主要谐波源及其特点，制定防范措施。基于建筑电气10 kV低压配电系统硬件系统的设计，完成系统的软件流程的设计。实验证明了提出的系统设计能够有效地减少短路和其他故障的发生、性能稳定可靠。
1 建筑电气10 kV低压配电系统的设计与实现
1.1 建筑物总用电负荷的评估
对建筑物低压配电系统进行设计之初，首先要评估整个建筑物当前和远期的用电负荷，使低压配电系统设计和整个建筑物的负荷相匹配。配电系统能力设计不足，不能满足供电需要；反之，又会造成资源和能源的浪费。整个建筑物的保障负荷包括：不间断交流系统、照明系统、直流系统、专用空调、数据终端用电设备等。当前的用电负荷预估表，如表1所示。
依据中远期的规划，未来需要扩充办公区域、增加网络交换设备、增加机房及空调等，如表2所示。
表2 建筑物未来用电负荷预期
通过对建筑物当前负荷的预估和未来用电负荷的预期，总用电负荷为1 072 kV·A，可以设计和使用10 kV的低压配电系统。
1.2 建筑电气10 kV低压配电系统的硬件系统设计
建筑电气10 kV低压配电硬件系统的设计及分布，是整个低压配电系统设计的核心和软件系统运行的载体，因此硬件系统设计的合理性至关重要。建筑电气10 kV低压配电硬件系统设计包括电源系统设计（含市电电源、应急电源和UPS电源）、变配电所的布置、配电设备的选用等。图1为建筑电气10 kV低压配电系统电路示意图。建筑电气10 kV低压配电系统的电源可靠性要求较高。系统内的市电电源应与应急电源能够保持自动切换，对于机房空调、办公照明等设备中的负荷应采用放射式双回路配电，电源的负荷在设备中应能够自由地进行切换。
电源切换采用自动转换开关，低压配电系统输入端市电电源与自备应急电源切换采用自动转换开关，需考虑使用条件和周围环境引起的容量损失。
建筑物设置独立式 10 kV总配电所，发电机房和设备机房要特别注意通风和稳定控制和消防要求，建筑电气10 kV的变电所布置如图2所示。
低压配电系统配电设备的选择包含低压配电柜、断路器、浪涌保护器、无功补偿设备等。低压配电柜分为抽屉式柜型和固定式柜型，如图3所示。抽屉式低压配电柜[7]主要用于电机对回路的控制，方便快捷。固定式低压配电柜[8]组装零部件少，结构简单，能够很好地控制成本。抽屉柜低压配电柜把接触器、断路器等一起分离，更换部件灵活快捷，但有时会影响柜体的耐用度。
固定式低压配电柜主要用于配电回路和一些大功率的控制回路。对于回路较多的情况，抽屉式配电柜的使用和维护更为方便。本文的10 kV低压配电系统设计的配电柜采用抽屉式设计。
断路器是低压配电系统的主要安全部件，断路器质量等级和容量大小与系统安全紧密相关。框架断路器的分断水平很高，可保障断开电源的中性线电流对低压配电系统的损坏，主进线及联络开关均要采用四级断路器。图4为断路器电路系统示意图。
浪涌保护器是建筑电气10 kV低压配电系统的电源防雷器，其雷电通流量不应低于 50 kA。为了降低系统损耗、提高供电质量，需要安装无功补偿柜。无功补偿柜一般选择变压器容量的40%。建筑电气10 kV低压配电硬件系统的设计包括电源系统、变电所及低压变电设备的选用。但在低压配电系统运行过程中，建筑物中大量非线性负荷的使用，会产生谐波，严重影响供电系统安全，因此必须对低压配电系统中存在的谐波干扰进行检测和滤除。
1.3 谐波干扰的检测与滤除
建筑物里的关键谐波源设备有照明系统的荧光灯镇流器、节能灯；打印、复印及绘画设备；电梯、空调软启动器、变频器等。其中照明系统和办公设备是关键的谐波源，照明设备的电流互相重叠，像节能灯照明会形成 20%以上的3次谐波，办公设备也会产生很高的谐波畸变率，其他设备的谐波含量一般也在 10%～20%。
由于大量非线性设备的存在，使建筑物低压配电系统谐波畸变严重，因此要在低压配电系统的硬件系统中加入滤波器进行去谐波处理。低压配电系统主要采用三相四线有源电力滤波器来对谐波进行检测和滤除。首先对负荷产生的谐波电流含量进行现场测试，采用叠加的方法计算了由多个非线性负荷相乘的谐波电流；在辨别各样非线性负荷的谐波电流含量后，对不一样的谐波源间的各次谐波实行叠加，能先把当中前两个谐波源形成的谐波实行叠加；然后再和第三个谐波源叠加治理。两个谐波源的某次谐波电流为[I21k+I22k+λkI21kI22k]，其中[I1k]为首次谐波源第k次电流，[I22k]为第二次谐波源的第k次电流等，[λk]为滤波系数，其取值范围依据k的变化而变化，需要滤除的谐波总电流有效值为[I′]：
根据[I′]来确定不同的滤波电流和修正系数，实现对谐波的滤除。
1.4 建筑电气10 kV低压配电系统的软件工作流程
完成对建筑电气10 kV低压配电硬件系统的设计并增加有源电力滤波器后，基于硬件系统来设计低压配电系统的软件系统。低压配电系统的软件流程包括网络搭建、参数选定、网络检测、电网计算、系统评价及显示结果等，具体的软件流程图，如图5所示。
首先来搭建低压配电网，需要明确是否对网络容量实行自动选型。若选取自动选型的方式，那么系统自动依据负载容量决定变压器容量；若选取的是手动选型的方式，由用户决定网络容量。然后实行网络参数及设备参数的选取，结果如表3及表4所示。
电网检查程序是由计算机系统完成的，其检查步骤如图6所示。此步骤很容易产生错误，要详细的检测各项关键内容，保证电网运行的准确性。需要计算的内容包括：计算电流负荷、选择导体、计算电压降、计算短路电流等，计算的详细步骤如图7所示。电网计算完后，自动对电气选型。可以查看断路器选择性。
计算流程结束后，低压配电系统会对整个系统运行进行评价，并将相关的数据信息存储于数据库。本文设计了一种建筑电气10 kV低压配电系统。首先对整个建筑用电负荷进行评估，在检测和滤除谐波干扰的同时，合理地完成低压配电硬件系统和软件流程的设计。
2 实验结果与分析
以安装本文系统设计的某建筑物为例，针对建筑电气10 kV低压系统有效性，进行了跟踪测试和实验。实验证明本文设计的系统在控制短路次数，及整个系统的稳定性方面对比安装本系统之前有较大幅度的改善。
从表5统计的短路次数可以看出，安装本文系统后建筑物短路次数大幅减少。对安装本低压配电系统前后各一年时间，整个建筑物各种形式的电路系统故障情况进行统计和对比，分别拟合成曲线如图8所示。通过實验数据证明了提出的系统设计能够更好地控制故障率、稳定有效。
3 结 语
本文通过对某建筑物用电负荷的评估，设计了一种建筑电气10 kV低压配电系统。在检测和滤除谐波干扰的同时，合理地完成了低压配电硬件系统和软件流程的设计，实验证明本文系统设计达到了较好的预期效果。
参考文献
[1] 雍静，娄方桥，王一平，等.低压配电系统单相非线性负荷的谐波衰减效应研究[J].中国电机工程学报，2011，31（13）：55?62.
[2] 刘国林，陈刚.智能低压配电系统国内外发展概况[J].电器与能效管理技术，1998（2）：3?7.
[3] 杨成德.低压配电系统接地和接零保护[J].电气应用，2000（7）：23?26.
[4] 王厚余.低压配电系统接地故障保护讲座：第十六讲隔离变压器供电和特低电压供电中的接地问题[J].电世界，2003（5）：39?40.
[5] 陈宇飞.中低压配电系统无功补偿优化分析[J].电力设备，2007，8（8）：37?40.
[6] 叶书明.针对高层建筑电气设计中低压配电系统安全性分析[J].民营科技，2014（8）：19.
[7] 谢正新.抽屉式配电柜故障检修测试的装置与技术分析[J].电子世界，2014（8）：222.
[8] 朱海杰，李海兵，朱爱春，等.固定式智能交流低压配电柜：中国，CN203456774U[P].2014?02?26.
