剧场建筑供电的设计及谐波治理
返回列表来源：领步电能质量发布时间：2016-03-16分享加入收藏关注：-
1 负荷分级及供电要求
设计之初，用电负荷等级的确定尤为重要。首先应明确剧场等级。剧场建筑根据耐火等级及耐久年限可分为特、甲、乙、丙四个等级，其中，特等剧场的技术要求根据具体情况确定；其用电负荷等级确定及供电要求应符合相应规范要求，具体如表1所示。
表1 剧场建筑用电负荷等级及供电要求
2 电源及供配电系统
特、甲等剧场中舞台机械，舞台照明等设备用电均为一级负荷，按照规范要求，应从两个不会同时损坏的变电站，分别引一路10kV电源，每路电源均能承担全部二级以上负荷，两路10kV电源同时工作，互为备用。当受条件制约，仅能提供一路10kV电源时，则应设置柴油发电机组作为第二电源。乙、丙等剧场的负荷分级确定应同时遵循一类或二类高层的负荷分级原则，负荷级别应按高者确定。若为一类高层建筑，则按一级负荷要求供电；否则按二级负荷要求，由两回线路供电或由一路10kV专用电缆供电。一级负荷中，特别重要负荷则应设置柴油发电机或UPS电源作为应急电源。
设计过程中不难发现，剧场建筑中舞台机械、舞台灯光为主要用电负荷，且较大和集中。结合表1中负荷等级的确定及供电要求，特、甲等剧场应由变配电室引独立的两路电源至舞台机械控制室、硅控室，并在控制室内设置双电源互投箱（柜）。乙、丙等剧场的舞台工艺用电则按三级负荷要求供电，由变配电室引单路电源至相应配电机房。其次，特、甲等剧场的空调机房、锅炉房等用电为二级负荷，由于空调机组较为分散，建议采用在适当位置（如：首层配电间）集中设置双电源互投箱的方式供电（此类负荷供电与大型商业的空调设备类似）。其他普通照明、电力等一般负荷则根据供电要求，采用放射式与树干式相结合的方式，对于单台容量较大的负荷或重要负荷放射式供电；对于照明及一般负荷采用树干式与放射式相结合的供电方式。
另外，由于舞台灯光调光设备中晶闸管的使用产生谐波的干扰，势必对舞台灯光、音响系统等电声设备产生影响，这也直接影响到整场演出的效果。同样，在演出时，舞台机械设备的频繁启动，将引起电源电压的波动，然而舞台灯光设备对电源电压的波动非常敏感（规范要求变压器低压出线的波动不能超过额定电压的3%）。所以，舞台灯光与音响系统、电视转播设备宜由不同的变压器供电；舞台灯光、舞台机械也不宜接在同一台变压器上。
3 变压器的接线方式
剧场的舞台照明往往采用可控硅调光设备，可控硅调光设备在使用过程中，将使电源波形非正弦化，造成多项奇次谐波分量较大。实验表明，采用Y/Y0接线方式的电源变压器，在三相对称满负荷下，可控硅触发导通角在90°时波形畸变率高达60%以上，形成的三次谐波在变压器铁件中引起的热损失可达变压器额定输出容量的16%，变压器不能满载使用。若在同等条件下电源变压器采用△/Y接线方式，由于△形回路为不对称零序电热构成通路，零序磁通相互抵消，使3次谐波产生的变压器铁件热损失仅为变压器额定容量的0.024%左右，变压器可以满载运行。另外Y/Y0接线方式比△/Y接线方式所引起的相电压偏移大得多。所以，剧场的电源变压器宜采用接线方式为△/Y0 的变压器。
4 谐波的危害及治理措施
当正弦波电压施加在非线性电路上时，电流就变成非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。对非正弦波进行傅立叶级数分解，其中频率与工频相同的分量称为基波，频率大于基波的分量称为谐波。如今广泛使用的负载大部分是非线性的，如UPS、整流器、变频器、电梯、空调、节能灯（荧光灯）、复印机、电弧炉、焊接设备等等，这些非线性负载会产生大量的谐波电流并注入到电网中，使电网电压产生畸变，这种谐波“污染”会对电网和用户产生严重的危害。
4.1 谐波对供电设备的危害
由于谐波的存在，在电力变压器、电缆、发电机及电力电容等设备上产生明显的集肤效应，使得电力变压器、发电机等铁磁设备损耗明显增大，产生过热，绝缘提前老化；电力电容器无功补偿装置无法正常投切，电力电容器介质损耗增大、过热、甚至击穿。
4.2 谐波对用电设备的危害
谐波电流对系统的大量注入将引起供电电源的失真度上升，这意味着电源已经不再是纯净的正弦波，因此，凡用电设备不论自身是线性负载还是非线性负载都会受到供电电源失真度上升的影响。例如：一些敏感性负载受到干扰，计算机出错、死机，造成数据丢失、计算机控制的设备出现异常故障；负载电路中产生传导干扰，数据传送故障、通讯间断并伴有工频交流噪声；含有电感、电容器件的电路温度升高，损耗增大，提前老化，使用寿命明显缩短；保护装置异常动作, 开关误跳闸；伺服电机产生脉动，异步交流电机产生振动，噪声增大，甚至严重过流烧毁电机等。总之，谐波将造成不必要的能源损耗，缩短设备使用寿命，使系统安全性降低，敏感设备精确度下降，数据传输发生故障甚至数据丢失，存在安全隐患。
剧场建筑中，舞台照明设备大量使用，一般功率在500kVA~1200kVA之间，其中90%的负荷是可控硅调光设备，其他是气体放电光源灯设备。舞台照明设备在工作时将产生大量谐波电流，对电网产生干扰，引起电压、电流畸变。
以下为某剧院灯光电源硅控室现场进行谐波测试数据报告：
表2 硅整流设备负荷率在40%时所测数据
表3 硅整流设备负荷率在50%时所测数据
通过以上数据发现，在负载率为40%～50%时（为大剧院正常演出时常见的负载率），系统中的谐波畸变率达到48%～53%，谐波含量已严重超标，并且中性线电流过大，达到约150A，而此时的相线电流约50A。灯光硅控设备产生的3次谐波电流在中性线上叠加使得中性线电流过大，从而使得中性线电缆消耗增加，发热量增加，存在发生火灾的安全隐患；且易造成系统保护装置误动作，造成不明原因的断电，影响正常工作。因此，对灯光电源硅控室配电系统进行谐波治理不容忽视。
4.3 谐波治理
对
谐波的治理一般采用安装无源滤波器或有源滤波器两种方法。无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由电感、电容等元件构成LC谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，对相应频率谐波电流进行分流，提供被动式谐波电流旁路通道，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，且能解决系统谐波问题，可以达到国家电力部门标准。故无源滤波是目前采用的安全无功补偿并滤除部分谐波的主要手段。
有源滤波器则主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个与系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。有源滤波器具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；且滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；但由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，成本极高。然而随着电力电子技术的不断发展，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。
通过分析，为有效抑制谐波电流，并结合经济因素，在剧场建筑电气设计时，建议采用集中设置无源滤波和就地设置有源滤波相结合的方式。
就地设置有源滤波器适用于谐波源设备相对集中且设备功率较大的场所，如剧场的舞台灯光调光配电机房内，舞台音响、同声翻译的电声设备旁等。通过就地设置滤波器，能有效消除此类非线性设备产生的谐波对其供电电网的反馈，减少其对相邻配电网上其他设备的传输干扰。其配电电流也因其电源的洁净和高功率因数，规格截面的选择也控制在针对性状态，从而减少了无功电能在缆线上的损耗。
集中设置滤波方式，主要以在变电所变压器低压侧设置为主。若在变压器低压侧集中设置有源滤波，由于总的设备容量较大，投资较大，一般仅适用于某些照明类或谐波严重的特定类专用配电变压器旁。集中滤波器方式的另一种更经济实用的应用是在楼内已就地设置有源滤波的前提下，作为后备措施及分级抑制谐波措施，有针对性地对一些较为分散、负荷又小的非线性设备，如电子系统荧光灯、电脑、办公自动化设备、小容量的变频装置等（注：这些设备产生的3次、5次谐波较多）采取在电容器柜内串接对应的电抗器来进行抑制。
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