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绍兴某电信IDC机房谐波综合治理分析报告

 

1、绍兴城东母局配电系统现状
绍兴分公司城东母局主要承担着本地网全部 IDC 机房的设备负载和绍兴号百大楼负载。绍兴分公司城东母局是整个本地网最大的负载局站,它包含了本市绝大部分的大型 UPS 设备和专用空调设备及服务器设备。其供电系统配置方式如下:
(1)高压配电系统(10KV)为二路市电分段母线供电方式,设置有联络柜。
(2)低配配电系统由 2 套 1000KVA 低压配电系统组成,通过联络柜形成三锁两钥匙供电方式。夏季最大负载电流分别为 1000A(1#)和 950A(2#)左右。1#低压配电系统配置了 1 台 1600KW 油机作为备用电源,2#低压配电系统配置了 1 台 1000KW 辛普森柴油发电机组作为后备电源保障。
(3)  城东局在用的 UPS 电源系统共有 4 套,分别为 1#低压配电系统下挂的1 套艾默生 200kVA UPS 系统(2+1 并机)和 2 套艾默生 80kVA UPS 系统(1+1 并机);2#低压配电系统下个 1 套爱克赛 400kVA UPS 系统(1+并机)。
2、谐波治理前存在的主要问题及分析
由于城东局 IDC 机房所用的部分服务器品质差,很多都是简易组装的服务器,电源模块质量差,在运行过程中产生了大量的谐波,谐波污染已严重影响到了交流供电质量,表现为:
2.1 交流输入电压和电流畸变率严重超标
低配系统Ⅰ、Ⅱ段母线、UPS 进线端谐波污染十分严重,电能质量严重不合格:其中 UPS 进线端电压畸变率最大达到 5.5%,电流畸变率最大超过 25%。按照维护规程要求:电压波形正弦畸变率不大于 5%;《通信用不间断电源----UPS(YD/T1095---2000)》的行业标准规定输入电流谐波分为三类:1 类<5%,2 类 <15%,3 类<25% ,实测数据表明,实际输入电流谐波成分THDi 平均超过 30%,已经大大超过标准要求,谐波电流在中性线叠加,导致中性线电流过大,大于相线电流,导线发热严重。
谐波电流的危害:
谐波电流影响各种电气设备的正常工作。谐波对变压器、继电器、接触器、电动机以及发电机等电感性负荷的影响除引起附加损耗外,还会产生机械振动、噪声、过电压甚至谐振,使得这些感性器件局部严重过热。因为容性元件也是按照 50Hz 设计的,对高频率电流呈现低阻抗,会使这些元件过载损坏。对于空气开关的设备,当高频电流流经其过流或过热保护电路时,会导致空开跳闸保护。特别是对电力控制的继电保护装置,在高谐波状态下,会出现误动作,造成供电的不可靠性。
2.2 电容补偿柜无法正常投入使用致使功率因素偏低被电力局罚款
严重的谐波污染导致Ⅱ段母线电容补偿柜不能投入正常使用,经常发生电容器“炸毁”事故,导线发热严重。由于电容补偿柜不能正常投入使用,导致Ⅱ段母线功率因素严重偏低,功率因素只达到 0.82 左右,从 15 年 8 月起,绍兴用电管理所对电信企业的用电性质从非工业企业用电改为商业企业用电,根据商业用电的费用依据每月由于功率因数低于标准直接罚款多达 8 千元之上,从 15 年 8 月起到改造前已连续 6 个月被罚款,罚款金额支出已接近 5 万元。
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图:谐振放电击穿机柜的事故现象图
2.3 变压器、油机等电源设备有效容量得不到充分利用
目前两台变压器到夏季时的最大负载电流已达1000A(1#变)和950A (2号#)左右。变压器带载率接近70%,2号变油机负载已经接近60%,整治前测量数据表明,Ⅱ段母线配电系统总电流谐波高达17%。油机带载试验时有轻微震荡及啸叫声现象,变压器也有较大的噪声。柴油发电机组的内阻相对市电来说要大很多,非线性负载产生的谐波电流引起的电压畸变也会大很多,并造成油机输出电压失真严重,此外还会造成:
1.控制部分可能对失真严重的输出波形发生误判断,认为是过压、超频等原因,从而造成油机停机;
2.输出电压不稳,输出高压造成所带负载烧毁,导致备用发电机组不能正常带载,导致UPS 在油机发电时不能与频率同步而使电池放电并停机。对变压器而言,谐波电流可导致铜损和杂散损增加,特别是3 次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器,会在其绕组中形成环流,使绕组过热。对星形连接的变压器,当绕组中性点接地,当该侧电网中分布电容较大或者装有中性点地的并联电容器时,可能形成3 次谐波谐振,使变压器附加损耗增加。谐波过大会导致主要供电设备的安全性严重下降。
2.4 线路损耗增加,中心线电流大增,电缆发热情况加重,安全隐患突出
由于输电线路阻抗的频率特性,线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下,谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中,变压器和输电线路的损耗占了大部分,所以谐波使电网网损增大。中性线过热:在中性点直接接地的三相四线式供电系统中,当负荷产生3N次谐波电流时,中性线上将流过各相3N次谐波电流的和。如当时三相负荷不平衡时,中性线上流经的电流会更大。实际使用中我们发现一楼UPS输出中性线电流大于任何一相的相电流,造成中性线导线发热过高。解决办法:我们通过增加一根相同截面积的电缆来减轻过热现象(即中性线导线的截面增加到相线导线截面的200%)。老低配系统(艾默生UPS市电输入端)ATS柜电缆线发热典型案例:老低配系统ATS柜内两根240mm电缆原负载电流为560A左右,按照电缆负荷载流量表应该在可以承受范围内,由于谐波污染的存在导致电缆发热量非常大,电缆表面与接头处严重发烫,测得夏季最高温度达到80多度,温升超过50℃,电缆绝缘层已经发软,安全隐患突出。
解决办法:1、割接出部分负载;2、进行谐波治理。
3、治理前实测数据分析
3.1 治理前测试数据
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3.2 测试结论分析`
根据测试结果可以得出如下结论:
(1)可以看出,由于使用 6 脉冲整流装置,UPS 输入端的电流谐波畸变率很高,谐波主要为 5、7、11、13 次谐波,其中 5 次谐波特别大; 400KVA(1+1)爱克赛 UPS 系统还含有 41 次,43 次,47 次,49 次谐波分量,基本都有 10 个安培电流的高次谐波分量,系统内的谐波污染非常严重。
(2)由于大量谐波电流的存在,已经影响到了变压器、油机等电源设备的安全运行;对低压配电室内电气设备的正常运行造成很大的安全隐患。所以尽快进行谐波综合治理刻不容缓!
4、谐波综合治理实施步骤
治理方案说明:
经过多次现场测试,方案比较及严格的招投标程序,最后我们选用 XX 有源滤波器进行综合治理。基本原理:助立有源滤波器基于电力电子技术,通过实时检测系统内的谐波电流后有源滤波器产生一个大小相等、相位相反的电流抵消谐波电流,可以滤除次以下各次谐波电流。采用有源滤波器进行谐波治理能完全满足整流类负载其响应时间上的要求,有源滤波器采用 IGBT 控制,IGBT 高速开关的开关频率可以达到 20kHz,输出电流响应 1ms,且能追踪谐波的变化情况动态滤波,滤波能力高达 97%。在滤除谐波的同时达到对系统无功的补偿;在提高电能质量的同时达到了节能降耗的效果。
艾默生 UPS 输入端,根据检测数据以及公式计算得到谐波电流约 115A;设计选取一定裕量以及考虑到适当补偿系统的无功功率后,安装 160A 电流等级的有源滤波器运行较为合适。我们在艾默生 UPS 输入端安装 1 台 160A 电流等级有源滤波器。柜体为落地安装。可以有效滤除系统内 50 次以下的谐波,并适当补偿系统的无功功率。爱克赛UPS 输入端,根据检测数据以及公式计算得到谐波电流约 152A;设计选取一定裕量以及考虑到适当补偿系统的无功功率后,安装 200A 电流等级的有源滤波器运行较为合适。
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5、综合治理效果
治理前,谐波电流畸变率达到 32.1%,该项指标是非常高的,其中 5 次谐波电流甚至达到 29.7%,150A。治理后,谐波电流畸变率降到 4.2%,电流减少 20A,谐波电压从 5.4%下降2.4%。UPS 还出现一个很少见的现象:治理前高次谐波电流和电压很大,41 次,次,47 次,49 次谐波基本都有 10 个安培电流,我们知道:高次谐波是导致谐波电压超高的主要因素,同时,要治理高次谐波,是治理低次谐波能量的好几倍。举例说明:同样治理 5A 的 5 次谐波只要 5A 的滤波器电流的话,那么治理5A 的 50 次谐波需要 50A 的滤波器能量。这对滤波器要求提出了更高的标准。在对滤波器的调试过程中,我们也发现,选型 200A 的滤波器对该 UPS 谐波电流治理应该是很富裕的,但是由于存在高次谐波,而且基本每个高次谐波都存在,滤波器输出能量比正常情况会偏大,有源动态滤波器在对每次谐波的选型滤除上,是可靠的,滤除效果好。
 治理前后效果分析
(1)谐波治理后,原先不能正常投入使用的电容补偿柜能投入正常使用,线路无功损耗下降,发热现象也大大减轻,Ⅱ段母线功率因素从原先的 0.82 升 0.96以上,功率因数有了大大提高,电费被罚款现象已得到圆满解决。Ⅱ段母线各相电流值下降了 100A 左右,初步估算每年约可节约电费 30 万,经济效益十分明显。
(2)变压器、油机等电源设备有效容量得了充分利用;按照研究数据:谐波电流下降到 5%以内时,柴油发电机组配置容量只需要达到负载容量的 1.2—1.5 倍即可,设备安全运行得到了保证。
(3)电缆发热情况已有效缓解,原老低配房 ATS 柜电缆温升由原先的 50℃下降20℃左右,效果明显,机房安全隐患消除,供电安全得到了保证。在采取了各项谐波综合整治措施后,整个配电系统的发热得到了很大的改善,整个配电系统的寿命得到了延长,相当于节约了投资!

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