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(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(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)；電能質(zhì)量監(jiān)測；電能質(zhì)量治理；系統(tǒng)解決方案

1、行業(yè)概述

1.1背景

  據(jù)交通運輸部統(tǒng)計，2015-2019年，我國高速公路建設(shè)投資額持續(xù)提升，2019年，全國高速公路建設(shè)完成投資11504億元，按照可比口徑，同比增長14.5%。2020年全國高速公路完成13479億元，增長17.2%。2020年，中國高速公路里程16.44萬公里，增加1.14萬公里；高速公路車道里程72.31萬公里，增加5.36萬公里。國家高速公路里程11.30萬公里，增加0.44萬公里。

1.2 負載分析

高速公路用電設(shè)備除少數(shù)電阻性負載外，有一部分用電設(shè)備屬于感性用電負載，例如高壓鈉燈、變壓器等設(shè)備。其余大部分設(shè)備為非線性負載，例如計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、收費車道設(shè)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(guān)用電設(shè)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(shè)備發(fā)電供電。

l 隧道變電所重要負荷一般為應(yīng)急照明設(shè)施、通風及照明控制設(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(yīng)急電源。如所帶負載有設(shè)備對電壓要求高的可由UPS供電。

l 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(shè)有UPS為操作機構(gòu)、監(jiān)控設(shè)備、測控單元及ATS供電。

l 服務(wù)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。

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，配電變壓器一般都為是小容量變壓器，譬如200kVA、300kVA、500kVA等。補償容量一般都比較小。對于有UPS的配電系統(tǒng)，也會適當增加有源濾波裝置。另外，隨著新能源汽車的增加，服務(wù)區(qū)充電樁數(shù)量也在增加，也會對整個供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2、高速公路諧波源分析

2.1變壓器

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(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照明燈具

①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。

②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。現(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。

③LED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，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(shè)備

現(xiàn)在的高速公路中的機電設(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)和可變標志顯示系統(tǒng)等) ，其產(chǎn)生諧波的原理與電視的很相似。控制系統(tǒng)整機運行時與顯示設(shè)備單獨運行時相比，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大。

2.4 UPS等不間斷電源

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

高速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：

l 供電可靠性要求高；

l 供電范圍大造成運維管理困難；

l 隧道內(nèi)控制設(shè)備種類多，頻次高；

l 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主要特征

l 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；

l 變壓器容量小，負荷輕；

l 主要關(guān)注電能質(zhì)量問題是無功補償問題，負載設(shè)備中主要諧波源為UPS，但諧波含量較小；

l 補償設(shè)備更推薦SVG，SVG補償精度高，能適應(yīng)高速公司輕載的特性。且SVG自動化免維護，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

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(wù)等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創(chuàng)造價值。

4.2參考標準

GB/T 14549-1993 《電能質(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波》

GB/T 15543-2008 《電能質(zhì)量：三相電壓允許不平衡度》

GB/T 12325-2008 《電能質(zhì)量：供電電壓允許偏差》

GB/T 12326-2008 《電能質(zhì)量：電壓波動和閃變》

GB/T 18481-2001 《電能質(zhì)量：暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》

GB/T 15945-2008 《電能質(zhì)量：電力系統(tǒng)頻率允許偏差》

GB 17625.1-2012 《電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值》

GB/T 15576-2020 《低壓成套無功功率補償裝置》

JB/T 11067-2011  《低壓有源電力濾波裝置》

GB/T 3859.2-2013 《半導(dǎo)體變流器應(yīng)用導(dǎo)則》

GB/T 24337-2009  《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)間諧波》

GB/T 19862-2016  《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》

GB 51348-2019    《民用建筑電氣設(shè)計標準》

GB/Z17625.6-2003 《電磁兼容限值對額定電流大于16A的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流的限制》

GB/Z 18039.5-2003 《電磁兼容環(huán)境公用供電系統(tǒng)低頻傳導(dǎo)騷擾及信號傳輸?shù)碾姶怒h(huán)境》

GB/T 7251.8-2020  《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第8部分:智能型成套設(shè)備通用技術(shù)要求》

4.3方案特點

l 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，為用戶提供遠程在線服務(wù)；

l 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；

l 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；

l 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；

l 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)的安全可靠保駕護航。

4.4方案價值

l 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(shè)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。

l 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(shè)備故障率的目的。

5、電能質(zhì)量監(jiān)測與治理產(chǎn)品選型

5.1電能質(zhì)量產(chǎn)品配置圖

5.2電能質(zhì)量產(chǎn)品配置表

5.2方案選型

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(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(shè)備的性能以及降低能耗的目的。