淺析諧波治理措施在建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃瑞昌

（梅縣建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 梅縣 514700）

1 諧波對(duì)智能建筑的危害

智能建筑中諧波主要來(lái)自兩方面：一是大量非線性負(fù)荷形成的諧波源，例如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)電源、電子式熒光整流器等導(dǎo)致配電系統(tǒng)的電壓、電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波；二是公用電網(wǎng)本身具有一定的諧波含量和配電變壓器作為諧波源產(chǎn)生的諧波，由公用電網(wǎng)側(cè)傳輸至配電系統(tǒng)。

惡劣的諧波環(huán)境將會(huì)對(duì)智能建筑中用電設(shè)備和系統(tǒng)造成巨大的危害，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 由于設(shè)備自身產(chǎn)生的接地電流在設(shè)備和真實(shí)地之間產(chǎn)生一個(gè)電壓降，因此使電腦死機(jī)；高次諧波會(huì)在中性線上疊加，中性線電流能夠在建筑物金屬結(jié)構(gòu)上任意流動(dòng)，從而產(chǎn)生不受控制的磁場(chǎng)，即引發(fā)計(jì)算機(jī)屏幕的頻閃現(xiàn)象；由于開(kāi)關(guān)、短路以及負(fù)載變化而引起的短時(shí)間電壓變化將會(huì)引起燈光頻閃，過(guò)度的頻閃將會(huì)使人體不舒服；嚴(yán)重的諧波畸變會(huì)引起在一個(gè)正弦周波內(nèi)的額外過(guò)零點(diǎn)，影響測(cè)試設(shè)備，干擾程序控制裝置的同步性，導(dǎo)致控制裝置死機(jī)。

1.2 智能建筑中線纜密布，系統(tǒng)設(shè)備繁多，微電子裝備復(fù)雜，且防護(hù)能力弱，高次諧波將會(huì)使智能化系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生誤碼、錯(cuò)碼、誤動(dòng)作，使信號(hào)系統(tǒng)受到污染、產(chǎn)生噪聲，甚至連通話質(zhì)量都不能保證。隨著低電壓信號(hào)在IT設(shè)備中使用的增加，比特錯(cuò)誤率也隨之提高，甚至可以高到使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

1.3 在諧波電壓作用下，電容器會(huì)產(chǎn)生額外的功率損耗，加快絕緣介質(zhì)的老化。更為嚴(yán)重的是，大量諧波電流很可能引發(fā)電容器和系統(tǒng)其他元件之間的并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，造成電容器超載而損壞；使與電容器連接的配電回路中所有線路、設(shè)備因電壓閃變、超壓、過(guò)負(fù)荷而損壞。

1.4 配電回路的諧波電流含量高會(huì)使斷路器遮斷能力降低。這是因?yàn)榛冸娏鬟^(guò)零點(diǎn)時(shí)，電弧電流隨時(shí)間的變化要比工頻正弦電流大，電弧電壓的恢復(fù)要迅速得多，使電弧容易重燃，導(dǎo)致誤跳閘或在該跳閘的時(shí)候根本不跳。剩余電流可能會(huì)達(dá)到使剩余電流保護(hù)裝置動(dòng)作的設(shè)定值。事實(shí)表明，空氣電磁斷路器不能遮斷其分?jǐn)嗄芰Ψ秶鷥?nèi)波形畸變率超過(guò)50%的故障電流，而且還會(huì)導(dǎo)致斷路器損壞。

1.5 電壓諧波會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的額外損耗。高次諧波導(dǎo)致的扭矩脈動(dòng)在聯(lián)軸器和軸承處會(huì)產(chǎn)生磨損和裂紋。由于電機(jī)速度是固定的，諧波中儲(chǔ)藏的能量就以額外的熱量形式散發(fā)了，導(dǎo)致設(shè)備過(guò)早老化。

1.6 對(duì)于電力電纜和配電線路，諧波電流頻率增高會(huì)引起明顯的集膚效應(yīng)，導(dǎo)線電阻增大，線損加大，發(fā)熱增加，絕緣過(guò)早老化，容易發(fā)生接地短路故障，形成潛在的火災(zāi)隱患。在智能建筑中大量集中使用電子計(jì)算機(jī)和大面積采用電子節(jié)能氣體光源照明的場(chǎng)合，中性線電流甚至達(dá)到相線電流的2倍，致使中性線過(guò)熱、燒毀，甚至導(dǎo)致火災(zāi)。

2 諧波治理的主要措施

2.1 采用無(wú)源濾波器。采用無(wú)源濾波器是傳統(tǒng)的抑制諧波的方法。無(wú)源濾波器包括一組以串聯(lián)方式連接的電抗器與電容器。此電路的阻抗在某一頻率下，被設(shè)計(jì)成比電網(wǎng)中的其他電路低的多。這種裝置的缺點(diǎn)是容易過(guò)載，在過(guò)載時(shí)會(huì)被燒損。另外，可能造成功率因數(shù)過(guò)補(bǔ)償，同時(shí)無(wú)源濾波器不能受控。因此，隨著時(shí)間的改變以及配件老化或電網(wǎng)負(fù)載的變動(dòng)，會(huì)改變諧波振頻率，使濾波效果下降。更重要的是，無(wú)源濾波器只可以過(guò)濾一種諧波成分。如果過(guò)濾不同的頻率，則要分別采用不同的濾波器，如有的濾波器只能濾除三次諧波。

2.2 采用有源濾波器。并聯(lián)型有源濾波器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)受控的、快速反應(yīng)的諧波電流源，與非線性負(fù)荷并聯(lián)，自動(dòng)檢測(cè)非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流。DSP產(chǎn)生的控制信號(hào)控制IGBT高速開(kāi)關(guān)器件，經(jīng)過(guò)輸出電抗器，輸出與負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流，起到補(bǔ)償諧波的作用，其結(jié)果是系統(tǒng)只向負(fù)荷提供基波電流。

在設(shè)計(jì)有源濾波器治理位置時(shí)，需要根據(jù)劇場(chǎng)配電系統(tǒng)和負(fù)荷情況的不同，設(shè)計(jì)不同的安裝位置。有源濾波器的安裝與諧波源越近，濾波效果越好，這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法。但在一些非線性負(fù)荷分布負(fù)載的場(chǎng)合，可以采取變壓器總補(bǔ)償或二級(jí)配電補(bǔ)償?shù)姆桨?，而且不同方案可以配合使用。由于有源電力濾波器安裝位置靈活，可以完全實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)計(jì)需要達(dá)到最完美的諧波治理效果。

2.3 采用混合型濾波器。可將有源電力濾波器與無(wú)源電力濾波器混合使用。其中，無(wú)源濾波器由3、5、7、9次單調(diào)諧濾波器支路及高通濾波器支路組成。有源濾波器由8個(gè)IGBT、直流電容及濾波電感構(gòu)成。直流電容可為有源濾波器提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓；濾波電感可減小有源濾波器產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)頻率諧波。有源濾波器和無(wú)源濾波器串聯(lián)后并人電網(wǎng)。由于有源濾波器不是直接對(duì)諧波電流進(jìn)行消除，它所產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓中只含有諧波電壓，故其功率容量很小，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，從而可降低系統(tǒng)成本。

2.4 采用諧波保護(hù)器。采用磁性方法治理諧波比有源濾波器成本更低。諧波保護(hù)器從任何一種諧波對(duì)電路系統(tǒng)帶來(lái)危害的本質(zhì)上著手解決問(wèn)題，即采用磁場(chǎng)吸收諧波能量的方法，具有很高的可靠性與使用壽命。此類(lèi)產(chǎn)品如諧波保護(hù)器（HPD），采用了超微晶合金材料與創(chuàng)新科技的特別電路，能吸收各種頻率各種能量的諧波干擾，將諧波消除在發(fā)生源，自動(dòng)消除對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生的隨機(jī)高次諧波和高頻噪聲、脈沖尖峰、電涌等干擾。HPD并聯(lián)在電路中使用，本身并不耗電。

3 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際工作中，由于諧波具有多發(fā)性、隨機(jī)性和不可重復(fù)性，導(dǎo)致智能建筑中的各種電氣設(shè)備性能下降、無(wú)法工作的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因此，為保證現(xiàn)代智能建筑中各種不同類(lèi)型設(shè)備和計(jì)算機(jī)及精密電子裝置正常、可靠、高效地運(yùn)行，必須要采取相應(yīng)措施，確保用電設(shè)備的使用壽命，從以上分析可知，筆者覺(jué)得采取混合濾波器能快速、有效地跟蹤諧波變化，抑制諧波，是最有成效的一種措施。

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