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(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)。

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

  （3）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(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)。

  （4）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(lì)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(lì)磁電流會(huì)使鐵芯產(chǎn)生磁通Φ，因?yàn)榇怕肥欠蔷€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。控制系統(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

  高速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。