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1、上海建筑设计研究院有限公司,医院供配电系统谐波状况普查与K系数研究,2023/5/26,陈众励,1.前言,谐波存在于建筑物配电系统已经很多年了，但是，随着技术的不断发展，建筑物内电力电子设备、开关电源、变频设备、电子镇流器等非线性设备的大量使用，使得这个问题日趋严重。半导体电子工业的迅猛发展，诞生了大量的精密设备，与过去的粗笨的设备比较，这些精密设备对电能质量更加敏感，但同时这些设备又导致交流电流和电压稳态波形的畸变。而电流和电压畸变的主要形式为谐波畸变。,1.前言,医院建筑除了其他公共建筑中常见的荧光灯、电梯、变频水泵等非线性用电设备外，还存在大量的医疗用电设备，如：X光机、CT机、核磁共振
2、机等，这些大型医疗器械给现代医疗提供巨大的帮助。但是，由于这些设备内配置有容量较大的开关电源，使用工况也较复杂，给配电系统带来了较严重的谐波污染。同时，这些设备对电源质量的要求也很高。在某些医院，灵敏仪器会经历计算机死机、元件故障、医疗设备监视器产生图像闪烁与抖动等现象，影响了设备的正常运行。,1.前言,为了减少谐波的危害，需要选用产生谐波较少的用电设备，或者在配电系统采取谐波抑制措施。常用的抑制措施包括使用K系数变压器、电容器串接调谐电抗器、隔离变压器、滤波器等。其中K系数变压器是专门设计的可以承受谐波所致的额外温升的变压器，但其价格较高且目前国内还不能生产，故工程中可以用降容使用普通变压器
3、的方式来代替K系数变压器。K系数的确定一般需要在现场测试得出，在配电设计阶段难以得到确切的K系数。,1.前言,鉴于以上原因，我们对上海的九家医院的变压器出线侧进行谐波测试，得出它们的K系数随着电流谐波畸变率变化曲线，根据曲线，通过回归分析方法拟合出工程上实用的计算公式，这样我们就可以通过估算得到的谐波畸变率，进而计算出K系数和变压器的降容系数D，为医院建筑配电系统设计提供技术参考。,2.谐波测试方案,2006年11月到2006年12月对上海9家医院的配电系统变压器出线侧进行谐波测试。采用FLUKE43B电能质量分析仪进行测试，测试点在配电系统的位置见 下图。分别测试三相电压、电流，得到它们的频
4、谱分布和波形。通过相关软件将测试数据录入计算机，对数据整理分析。,2.谐波测试方案,3测试结果,其中一台变压器的A相电压、电流波形见下图。因为测试仪器的电流互感器变比为0.1，所以图示电流是实际电流的0.1倍,3测试结果,其中一台变压器的A相电流谐波频谱In/I1见下图,3测试结果,其中另一台变压器的A相电压、电流波形见下图一。图示电流为实际电流,3测试结果,其中另一台变压器的A相电流谐波频谱In/I1见下图,3测试结果,九家医院A相电流畸变率和K系数的测试结果,4数据分析,K系数是描述供电给非线性负载变压器额外发热的参数，反映变压器承受谐波时所致额外温升的能力。它的定义为：,用流过变压器的电
5、流有效值将上式规格化，规格化后的K系数为,谐波电流畸变率是谐波畸变的度量方法之一，它的定义为：,4数据分析,下面我们讨论的K系数，是指规格化后的K系数如果K系数超过4，就有必要使用K系数变压器或降低标准变压器的额定出力。变压器降容系数与K系数之间的关系：,4数据分析,根据变压器的K系数和电流畸变率的关系，拟合出工程上实用的估算方程式。首先对原始的数据进行分析整理，删除奇异点，再对测试数据进行不同函数的拟合，选择相关系数最大的函数作为工程函数。因不确定医院建筑配电变压器K系数和电流畸变率的相关关系，所以不能确定它们属于何种类型的函数关系。通过观察散点图，可以发现K系数和电流畸变率之间是非线性的关
6、系，理论上可以采用对数拟合、乘幂拟合、指数拟合和多项式拟合等回归分析方法。对数函数ya+blnx、乘幂函数yaxb和指数函数yaebx，可以采用非线性函数线性变换的方法，转换到线性回归分析。通过线性回归评价系数r2，检验回归方程的可信性，确定回归方程。,4数据分析,线性回归采用相关系数检验法对回归方程进行检验。相关系数是用于描述变量x与y的线性相关程度的，常用r来表示。设有n（n2）对试验值xi，yi（i=1，2，n），则相关系数的计算式见下面左边公式。非线性回归中的一元多项式回归采用复相关系数检验公式见下面左边公式,4数据分析,相关系数r（R）越接近1，x与y的线性相关程度越高，然而r（R）
7、值多大时，采用线性关系才是合理的，则需要对相关系数r（R）进行显著性检验。给定的显著性水平=0.05，n26，rmin(Rmin)0.388。经计算，对数拟和、乘幂拟和、指数拟和和多项式拟和的相关系数都大于0.388。说明回归方程有意义。,4数据分析,K系数和电流畸变率的关系见下图：,4数据分析,对删除奇异点的数据进行多项式拟合，见下图，R20.9399。,4数据分析,对删除奇异点的数据进行对数拟合，见下图，R20.5611,4数据分析,对删除奇异点的数据进行乘幂拟合，见下图，R20.6975,4数据分析,对删除奇异点的数据进行指数拟合，见下图，R20.8764,4数据分析,多项式拟合回归分析
8、的R20.9399，是上面各回归分析中最大的。所以我们选择多项式的拟合函数模型：y=0.0002x3 0.0027x20.0099x1.0841其中y代表K系数，代表THDi系数(%)K=(2THDi32.7THDi29.9THDi)10-41.0841适合区间，THDi(%)大于22时可以参照该函数。也就是说，当我们可以预知电流畸变率在2.6到22之间时，我们可以通过以上方程计算出K系数。再通过降容系数D和K系数之间的关系，计算出降容系数D，指导医院建筑配电变压器的降容设计。,5小结,通过测试和数据分析，我们会发现医院建筑配电变压器 电流畸变率在2.6到22之间，K系数在1到3.4之间，D在1到0.75之间。估算方程：K=(2THDi32.7THDi29.9THDi)10-41.0841电气设计人员在设计医院建筑的配电系统时，可以根据该方程大致估算普通变压器的降容系数。因测试的时间是在冬季，医院建筑内的用电负荷较小，所以该估算方程是否适合夏季变压器的降容估算，还需要进进一步的测试验证。,谢谢各位！,
