現(xiàn)代建筑中電氣諧波治理探討

劉亞龍 李清

摘要：諧波問題是建筑電氣設(shè)計中的常見問題，它的存在不僅會對電力系統(tǒng)的運行產(chǎn)生影響，還對電力企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益的提升造成了嚴重的阻礙，是我國電力事業(yè)進一步發(fā)展的絆腳石和攔路虎。如何有效治理諧波污染是電力發(fā)展的重要課題。本文就諧波污染的來源、危害以及目前常見的治理措施及其應(yīng)用效果進行簡單的探討，以求對電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、電力從業(yè)人員的電氣設(shè)計提供一定程度的幫助。

關(guān)鍵字：諧波污染；建筑電氣設(shè)計；治理措施；應(yīng)用分析

中圖分類號：F407文獻標識碼： A

引言

在電力電子技術(shù)不斷發(fā)展的現(xiàn)代社會，無論是工業(yè)生產(chǎn)還是人民生活都離不開電力資源。但是電氣系統(tǒng)中的諧波污染給電力資源最大效益實現(xiàn)和供電質(zhì)量的提高都造成了嚴重的影響。同時，電力系統(tǒng)的運行過程中，如果出現(xiàn)短暫性的障礙，即使是局部的短路問題，諧波污染也會加重并影響電力系統(tǒng)的整體運行。因而，在建筑電氣設(shè)計的過程中，如何有效規(guī)避諧波污染的危害，最大程度降低諧波污染的影響已成為電力設(shè)計從業(yè)人員的重點研究方向。諧波污染治理的難點在于其發(fā)生的隨機性、不可預(yù)測性、不可重復(fù)性，尤其是在現(xiàn)代智能建筑中，對諧波污染的有效治療，是各種精密電子設(shè)備和裝置使用正常、壽命正常的有力保障。

一、治理諧波的重要意義

諧波現(xiàn)象早就存在，而對諧波治理的研究和工程實施主要集中在功率較大的工業(yè)設(shè)備。隨著樓宇自動化進程的不斷發(fā)展，形式多樣的非線性負載，如計算機、熒光燈等非線性設(shè)備在辦公樓宇等民用建筑中得到了廣泛應(yīng)用，這些非線性設(shè)備產(chǎn)生了大量的諧波，正日益成為低壓配電系統(tǒng)主要的諧波源，非線性負載產(chǎn)生的諧波電流如果不加抑制直接注入系統(tǒng)，必然引起電網(wǎng)波形畸變，導(dǎo)致變壓器發(fā)熱，增加電網(wǎng)網(wǎng)損，造成電能浪費，給電網(wǎng)安全運行帶來影響。因此，就諧波治理方法在建筑電氣設(shè)計中的應(yīng)用進行探討具有重要的意義。

二、諧波污染的主要來源

諧波的來源大致可分三類，一類是公用電網(wǎng)和電力設(shè)備本身可看作恒定的諧波源，一類是變壓器非線性負荷形成的諧波源，一類是電器中數(shù)量較多的勵磁電流構(gòu)成的高次諧波。

1、公用電網(wǎng)和電力設(shè)備本身可看作的恒定諧波源

一般認為，公用電網(wǎng)本身具有一定的諧波含量；而隨著各種高新技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛使用，這些電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性和工作方式?jīng)Q定了其本身也會產(chǎn)生固定的諧波含量。公用電網(wǎng)向各配電系統(tǒng)輸電的同時，會將本身的諧波含量通過配電系統(tǒng)進行傳輸。所以，這些可以看作恒定諧波源的網(wǎng)路與設(shè)備產(chǎn)生的諧波進入整個電力系統(tǒng)的時候，系統(tǒng)內(nèi)會產(chǎn)生諧波壓降，諧波壓降又會進一步使系統(tǒng)中的電壓發(fā)生畸變，影響系統(tǒng)的正常運行。

2、變壓器非線性負荷形成的諧波源

變壓器中的諧波主要來自于磁路的非線性電感。變壓器中的勵磁電流中有非正弦波，包括一些尖頂波、平頂波，而這些波形中的奇次諧波有不同程度的存在。在實際應(yīng)用中，變壓器中的諧波含量通常是比較低的，當然，這要求變壓器處于正常的工作狀態(tài)；一旦出現(xiàn)額定電壓空載或輕載狀態(tài)時，變壓器中的勵磁電流降低，諧波含量升高。

3、低壓電器中數(shù)量較多的勵磁電流構(gòu)成的高次諧波

現(xiàn)代建筑中使用的電器設(shè)備一般都自帶小容量的變壓器和整流裝置，而電器的電源供給來源于低壓電網(wǎng)，不同的電器設(shè)備的勵磁電流通過數(shù)量的積累，形成高次諧波，對建筑電氣系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。

三、建筑配電系統(tǒng)諧波的重要危害

在現(xiàn)代建筑配電系統(tǒng)中，諧波有兩種產(chǎn)生渠道。首先，公用電網(wǎng)自身就存在著不成程度的配電變壓器以及諧波含量作為諧波源的諧波，從公用電網(wǎng)轉(zhuǎn)而輸至配電系統(tǒng)當中；其次，大量的非線性負荷也能夠產(chǎn)生諧波源，舉例來說開關(guān)電源、計算機系統(tǒng)以及電子式熒光整流器等等，都會致使配電系統(tǒng)的電流、電壓發(fā)生異常突變，從而導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生?？梢哉f消極的諧波環(huán)境必然會對建筑中的用電設(shè)備產(chǎn)生嚴重的危害，我們可以將這種危害總結(jié)為以下幾個方面：

當前的智能建筑中往往線纜較多，微電子裝備十分復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)備數(shù)不勝數(shù)，并且與之相適應(yīng)的防護能力不足，高次諧波會導(dǎo)致智能電氣系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生錯碼、誤碼以及誤動作，致使信號系統(tǒng)產(chǎn)生一定的噪音，受到不同程度的污染，嚴重的還會影響電氣設(shè)備的正常使用。再加之低電壓信號在電氣化設(shè)備中的大量運用，進一步提高了比特錯誤率，在達到一定程度后會致使網(wǎng)絡(luò)徹底崩潰。

因為設(shè)備本身產(chǎn)生的接地電流在設(shè)備和真實地間會出現(xiàn)一個電壓降，所以會致使電腦癱瘓；在中性線上，高次諧波會出現(xiàn)疊加的情況，中性線電流可以隨意地在建筑物金屬結(jié)構(gòu)上活動，因此產(chǎn)生了不受控制的磁場，表現(xiàn)為計算機屏幕的頻閃；因為短路、開關(guān)和負載變化，會引起短時的電壓變化，致使燈光頻閃，嚴重的頻閃對于人的視覺器官會產(chǎn)生傷害，威脅人體健康。過度的諧波畸變會造成在一個正弦周波內(nèi)的額外過零點，對于測試設(shè)備會產(chǎn)生負面影響，更會影響程序控制裝置的同步，最后表現(xiàn)為控制裝置的死機。

斷路器遮斷能力出現(xiàn)降低情況，往往是由配電回路的高含量諧波電流導(dǎo)致，這主要是由于畸變電流過零點的過程中，伴隨著時間的推移電弧電流要比工頻正弦電流大，電弧電壓會更快速地得到恢復(fù)，導(dǎo)致電弧的易燃，直接結(jié)果就是在需要跳閘的時候不跳閘，或者是誤跳閘。剩余電流甚至會達到啟動剩余電流保護系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)。

在諧波電壓的效應(yīng)下，電容器必然會出現(xiàn)額外的功率損耗，會促進絕緣介質(zhì)快速老化。更要引起注意的是，大量的諧波電流在很大程度上會造成各個系統(tǒng)元件與電容器之間的串聯(lián)諧振或者是并聯(lián)諧振，致使電容器由于超負荷而出現(xiàn)損壞；使與電容器連接的配電回路中的所有設(shè)備、線路由于電壓的超壓、閃變以及過負荷而出現(xiàn)故障。

從配電線路以及電力電纜角度而言，諧波電流頻率的持續(xù)增長，會引發(fā)較為顯著的集膚效應(yīng)，線損加大、導(dǎo)線電阻加大，發(fā)熱增多，絕緣過早老化，會引發(fā)接地短路出現(xiàn)故障，埋下了不能控制的火災(zāi)隱患。在當前的智能建筑中，廣泛地運用電子節(jié)能氣體光源照明以及高度集中使用電子計算機，均會導(dǎo)致中性線由于溫度過高而變質(zhì)甚至燒毀，最終釀成不可挽回的火災(zāi)。

電壓諧波會致使感應(yīng)電動機的額外損耗。高次諧波導(dǎo)致的扭矩脈動在軸承處與聯(lián)軸器會產(chǎn)生裂紋與磨損。因為電機速度通常較為固定，諧波中包含的能量就采用額外的熱量形式不斷地散發(fā)，直接導(dǎo)致了設(shè)備的過早老化。

對于電力電纜和配電線路，諧波電流頻率增高會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算機和大面積采用電子節(jié)能氣體光源照明的場合，中性線電流甚至達到相線電流的2倍，致使中性線過熱、燒毀，甚至導(dǎo)致火災(zāi)。

四、產(chǎn)生諧波的行業(yè)與設(shè)備

民用用戶。產(chǎn)生諧波的設(shè)備通常包括開關(guān)電源、UPS、變頻器、照明設(shè)備以及醫(yī)療設(shè)備等等。這些諧波源個體本身并不會產(chǎn)生大量的諧波量，然而由于諧波量較大、頻譜范圍也廣，在高度密集的情況下產(chǎn)生的諧波量則不可忽視。在廣電大樓、雁行大廈以及通信樞紐樓等建筑中諧波廣泛存在。除此之外還有電氣化鐵路、機場、地鐵以及港口等行業(yè)中，也會產(chǎn)生大量的諧波。

工業(yè)用戶。產(chǎn)生諧波的設(shè)備包括中、高頻爐、電弧爐、變頻控制的設(shè)備以及直流電機控制的生產(chǎn)設(shè)備等等。主要關(guān)系到冶金、化工、鋼鐵制造、煤炭、建筑材料以及汽車行業(yè)等等。

五、建筑電氣設(shè)計人員治理諧波問題的措施

電氣設(shè)計人員為建筑用戶解決電力系統(tǒng)諧波問題，可以使用借助于提高供電量、變換變壓器等方式，減少電力系統(tǒng)中諧波的出現(xiàn)頻率，也可以采用濾波器對系統(tǒng)的諧波進行過濾檢測，同時，還能夠借助諧波保護器降低諧波對于電力系統(tǒng)的危害程度，最終實現(xiàn)對于諧波的有效治理。本文下面就具體地對這些治理措施加以分析：

1、濾波器檢測過濾諧波

有源濾波器。這種濾波器反應(yīng)迅速，可以控制在與非線性的負荷進行并聯(lián)時，可以有效地檢測系統(tǒng)中由非線性負荷誘發(fā)的電流諧波，以實現(xiàn)對于諧波的有效過濾。電氣設(shè)計人員在采用有源濾波器，對諧波進行治理時，應(yīng)當為濾波器選擇合適的安裝地點，盡量使其靠近諧波源，以提升濾波的效果，使諧波畸變等問題受到抑制。

無源濾波器。與有源濾波器相比，無源濾波器在諧波的治理中屬于一項較為傳統(tǒng)的方法，它是以串聯(lián)在一起的電容器和電抗器構(gòu)成，可以實現(xiàn)對于某一特定的諧波成分的有效檢測與過濾。若要對系統(tǒng)中不同的諧波進行過濾，就需要采用相對應(yīng)的濾波器。無源濾波器容易在過載狀態(tài)下出現(xiàn)燒損問題，且無法收到控制，其效果遠不如有源濾波器。

混合濾波器。此種濾波器是對有源濾波器以及無源濾波器的混合應(yīng)用，其中，有源濾波器是由直流電容、濾波電感、IGBT構(gòu)成，無源濾波器是由單調(diào)的濾波器（3次、5次、7次、9次）與高通濾波器組成。有源濾波器會從直流電容中獲取穩(wěn)定直流電壓，并由濾波電感將自身的開關(guān)諧波降低，最終與無源濾波器一起，實現(xiàn)對于諧波的有效控制。此種濾波器治理諧波，適用于用電可靠程度的要求較高，且諧波污染的控制標準明確的場所，能夠有效地實現(xiàn)對于有源濾波器及無源濾波器二者優(yōu)勢的應(yīng)用。

2、采用諧波保護器

采用磁性方法治理諧波比有源濾波器成本更低。諧波保護器從任何一種諧波對電路系統(tǒng)帶來危害的本質(zhì)上著手解決問題，即采用磁場吸收諧波能量的方法，具有很高的可靠性與使用壽命。此類產(chǎn)品如諧波保護器（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，自動消除對用電設(shè)備產(chǎn)生的隨機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、電力系統(tǒng)的濾波保護

建筑電氣設(shè)計人員在應(yīng)對已經(jīng)出現(xiàn)的諧波時，還可以采用濾波保護器來降低諧波對于電力系統(tǒng)與設(shè)備的不良影響，進而使建筑中的線路、設(shè)備在諧波狀態(tài)下安全運行。諧波保護器治理電力系統(tǒng)的諧波問題，是以各種諧波危害系統(tǒng)的本質(zhì)為基礎(chǔ)，選擇合適的磁場方式，對諧波能量進行吸收，以消除諧波，進而實現(xiàn)對于線路與設(shè)備的有效保護。此種諧波治理方式需要耗費的成本較低，且具有較長的使用壽命，其使用穩(wěn)定可靠，與其他諧波治理方式相比，具有極其顯著的優(yōu)勢。具體來講，HPD諧波保護器是以超微晶的合金材料，及高科技的特殊電路作為其自身結(jié)構(gòu)，來吸收各種能量的干擾諧波，并在發(fā)生源頭，將高次諧波、電涌、高頻噪聲等徹底地消除，以避免系統(tǒng)中的設(shè)備受到損害。而且，HPD應(yīng)用于諧波的治理，其自身并不需要消耗電量，可以有效地節(jié)省治理費用。

4、減少諧波出現(xiàn)的措施

提高供電量。電氣設(shè)計人員采用加大供電量的方式，抑制諧波的出現(xiàn)，是最為原始的治理方法，比如，設(shè)計人員將電纜的橫截面加大，就會使趨膚效應(yīng)的出現(xiàn)受到影響，進而避免諧波的出現(xiàn)，或者設(shè)計人員將發(fā)電機、電容器的容量提升，以相對地降低諧波對于系統(tǒng)的危害等。但是，此種方法不能夠徹底地抑制諧波的出現(xiàn)，只能是降低諧波出現(xiàn)的頻率，而且，它還會產(chǎn)生較高的電力投資，使用戶的電力使用成本加大，并非一種良性的治理措施。如果設(shè)計人員必須使用這種方法抑制諧波，就應(yīng)當結(jié)合非線性負載的具體狀況，為供電系統(tǒng)設(shè)計合理的增容裕度。

變換變壓器。某些特殊的變壓器之間進行相互變換，可以使次諧波受到有效的抑制，比如，△/YnO的變壓器使用方式，可以實現(xiàn)對于3次及3n次諧波的阻隔，使諧波注入電網(wǎng)的途徑被切斷。這種方法較為簡單，可以實現(xiàn)對于某些典型諧波的有效治理，但是，它需要極高的一次性投資，且適用于特殊的場合，比如，△/YnO變壓器就適用于單相的非線性負載的環(huán)境中的諧波抑制。設(shè)計人員采用此種方法治理諧波，必須充分考慮系統(tǒng)非線性負載的狀況。

結(jié)束語

在實際工作中，由于諧波具有多發(fā)性、隨機性和不可重復(fù)性，導(dǎo)致智能建筑中的各種電氣設(shè)備性能下降、無法工作的現(xiàn)象時有發(fā)生，因此，為保證現(xiàn)代智能建筑中各種不同類型設(shè)備和計算機及精密電子裝置正常、可靠、高效地運行，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，筆者覺得根據(jù)建筑物中產(chǎn)生諧波種類綜合選擇諧波治理的的方法，混合濾波器是現(xiàn)階段能快速、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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