諧波對建筑電氣設(shè)計的影響及對策分析

唐振宇　劉釗

摘要：在建筑電氣設(shè)計中，諧波是一個必須要考慮的因素，因為諧波會影響用電設(shè)備的正常運行，甚至會導致電力系統(tǒng)崩潰，嚴重影響電能質(zhì)量。文章在分析諧波產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，分析了諧波對建筑供配電系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，并提出了相應(yīng)的處理對策，對保證建筑電氣供配電系統(tǒng)能夠安全、可靠、經(jīng)濟運行具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：諧波；建筑電氣設(shè)計；電能質(zhì)量；用電設(shè)備；電力系統(tǒng)；建筑供配電系統(tǒng) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU85 文章編號：1009-2374（2017）10-0162-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.081

建筑電氣供配電系統(tǒng)中，由于用電設(shè)備及線路的干預，很容易產(chǎn)生諧波。諧波對電氣設(shè)備、供電系統(tǒng)會產(chǎn)生很大的危害，不僅影響電能質(zhì)量，甚至會導致電氣系統(tǒng)崩潰或是引發(fā)火災。因此，在建筑電氣設(shè)計中，必須要考慮諧波干擾問題，必須要制定出科學合理的諧波治理方案，盡可能地減少諧波帶來的危害，以保障建筑電氣系統(tǒng)能夠安全、可靠、經(jīng)濟運行。

1 諧波產(chǎn)生的原因

在供配電系統(tǒng)中，從理論分析，如果電流和電壓都處于理想狀態(tài)，那么電流和電壓都會表現(xiàn)出正弦波形，而如果周期性電量超出基波頻率整數(shù)倍，電流大于基波頻率時，諧波就會出現(xiàn)。在公用電網(wǎng)系統(tǒng)中，配電變壓器就是一個諧波源，通過諧波源產(chǎn)生諧波，然后傳輸?shù)脚潆娤到y(tǒng)中。在建筑工程的供配電系統(tǒng)中，無論是計算機系統(tǒng)、各種消防設(shè)施、常用的通訊設(shè)備以及各種照明設(shè)施、開關(guān)電源等，在日常使用的環(huán)節(jié)都不可避免會出現(xiàn)諧波。這些設(shè)備之所以會產(chǎn)生諧波，主要是其在運行過程中產(chǎn)生了很多非線性負荷，電流與電壓產(chǎn)生了畸變。諧波出現(xiàn)后，會對供配電系統(tǒng)及電氣設(shè)備帶來較大危害，不僅會增加建筑電氣系統(tǒng)的運行負擔，也可能會導致供配電系統(tǒng)損壞或崩潰，影響供電質(zhì)量。在建筑電氣設(shè)計過程中，考慮諧波的危害并制定科學合理的治理措施是很有必要的。

2 諧波對電氣設(shè)備產(chǎn)生的影響

2.1 諧波對變壓器設(shè)備產(chǎn)生的影響

2.1.1 變壓器輸入電壓以及輸出電壓的影響因素。變壓器主要由線圈和鐵芯組成，當諧波電流經(jīng)過變壓器線圈時，線圈周圍就會產(chǎn)生交變磁場，形成集膚效應(yīng)，變壓器內(nèi)部的電阻、電抗等參數(shù)也會發(fā)生改變，進而會影響到變壓器的輸入電壓和輸入電壓。設(shè)定變壓器的電路屬于T型電路，那么諧波分量就是電流源，能夠在變壓器上產(chǎn)生疊加，此時的T型等效電路就會成為諧波作用下的等效電路，疊加到第n次諧波時，就會形成如圖1所示的諧波T型等效電路，此時變壓器的輸入電壓及輸入電壓都會發(fā)生改變。另外，由于變壓器的鐵芯在材料、工藝及結(jié)構(gòu)上有很大不同，這也是導致變壓器輸入電壓以及輸出電壓不斷惡化的關(guān)鍵影響因素。

2.1.2 影響變壓器的損耗。變壓器的常見損耗主要分成兩個部分，也就是負載損耗還有空載損耗。所謂負載損耗指的是經(jīng)過變壓器繞組負荷電流所產(chǎn)生的損耗，空載損耗則是發(fā)生在變壓器內(nèi)部鐵芯疊片上的損耗。在不分析變壓器生成的諧波影響的基礎(chǔ)上，諧波會給變壓器的損耗帶來直接的影響，諧波電流經(jīng)過變壓器線圈時，集膚效應(yīng)會導致變壓器線圈阻抗變大，這將導致變壓器的損耗增大。

2.2 諧波對導線產(chǎn)生的影響

2.2.1 對線路損耗的影響。諧波電流在通過導線的時候能夠生成線路損耗，導線的等效電路圖、理想介質(zhì)損耗及實際介質(zhì)損耗如圖2所示。假設(shè)電纜是以直接埋地的方式敷設(shè)，導線和地就構(gòu)成了電容器，導線和地是電容的兩極，導線的絕緣材料及其他中間物質(zhì)是電容介質(zhì)，由于理想電容器不存在，所以一定會產(chǎn)生介質(zhì)損耗。

2.2.2 影響中性線。由于諧波會引起線路損耗增加，當線路損耗超過某一介值時，則會導致相線過載。在具體的配電系統(tǒng)當中，不管是三相四線制或者還是三相五線制，產(chǎn)生的諧波都會對中性線產(chǎn)生非常嚴重的影響。以居民住宅建筑為例，隨著用電設(shè)備的不斷更新，非線性負載不斷增多，諧波電流不斷增長，通過中性線的電流不斷變大，這將導致導線絕緣加速老化，甚至會引發(fā)電氣火災事故。

2.3 諧波對電容器的影響

在電氣系統(tǒng)當中，諧波對電容器產(chǎn)生的影響是不容忽視的。一旦出現(xiàn)諧波問題，電容器就會相應(yīng)的出現(xiàn)功率損耗，導致電容器的絕緣介質(zhì)加速老化，隨著諧波電流的不斷增加，電容器以及設(shè)備系統(tǒng)當中的各種電氣元件會出現(xiàn)諧振，最終使得電容器運行超載，相關(guān)的那些設(shè)備及線路就會發(fā)生超壓、閃變等問題，將可能導致供電系統(tǒng)發(fā)生大范圍損害。

2.4 諧波對繼電器的影響

繼電器主要有電磁型繼電器、感應(yīng)型繼電器和整流型繼電器三種，諧波對這三種繼電器的影響有較大差異。電磁型繼電器主要由電磁鐵、銜鐵、低壓電源和開關(guān)組成，電磁鐵通電后產(chǎn)生電磁動作轉(zhuǎn)矩，銜鐵在電磁鐵引力下產(chǎn)生動作。電磁繼電器當中的電磁轉(zhuǎn)矩磁以及鐵線圈電流的平方成正比，動作電流根據(jù)基波電流完成設(shè)計。諧波帶來的主要影響體現(xiàn)在不管諧波的次數(shù)，動作電流在到達特定的取值之后，電磁繼電器當中的銜鐵就會隨之產(chǎn)生動作，尤其是當線路中含有諧波含量比較高的勵磁涌流時，繼電器就會產(chǎn)生誤動作，導致開關(guān)跳閘。感應(yīng)型繼電器受到諧波的影響較小，主要是由于這種類型的繼電器如果是圓盤形狀或者是圓筒形狀，在磁場的影響下會生成電流從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在此基礎(chǔ)上推動圓筒或者是圓盤活動，因為圓盤或者是圓筒在活動的時候有很大的慣性，因此即便諧波在瞬時作用影響下也會生成感應(yīng)電流，繼電器的圓筒或者是圓盤幾乎不會發(fā)生誤動作問題。整流型的繼電器則是借助于整流之后的電壓信號或者是電流信號來實現(xiàn)繼電器的控制，諧波問題會使得回路當中的電流或者是電壓在短時間內(nèi)顯著上升，因此整流型繼電器受諧波的影響最為嚴重。

2.5 諧波對電能計量設(shè)備的影響

電能計量設(shè)備主要有電磁感應(yīng)式電能表和電子式電能表兩種，諧波對這兩種電能表的影響有不同的表現(xiàn)。電磁感應(yīng)式電能表不能測量出諧波電流所產(chǎn)生的有功功率，當有諧波出現(xiàn)時，電能表的測量值與實際電流功率相比會產(chǎn)生誤差。電子式電能表能夠測量出諧波電流產(chǎn)生的有功功率，但值得注意的是，如果諧波源屬于負載側(cè)，而諧波向則向著電網(wǎng)一側(cè)流動，同基波的方向是不同的，這個時候電能表計算得到的電量實際上要顯著低于具體負載所需要的電量，這個問題是電子式電能表的顯著缺陷。

2.6 諧波對通信線路的影響

通常情況下，電力系統(tǒng)的傳輸功率是以兆瓦（MW）為單位進行計算，而通信系統(tǒng)的功率是以毫瓦（mW）為單位進行計算，因此即便電力系統(tǒng)中有很小的諧波電流，一旦耦合到通信線路中，整個過程就很有可能會產(chǎn)生很大分貝的噪聲，導致通信線路當中的信號出現(xiàn)嚴重的失真問題，從而給通信質(zhì)量帶來不良影響，同時也會對通信設(shè)備造成嚴重的干擾，使得通信線路中斷，在問題嚴重的時候可能會發(fā)生人身方面的安全事故。研究表明，不平衡諧波電流對通信系統(tǒng)的干擾是最嚴重的，因此為了降低諧波對通信系統(tǒng)的影響，應(yīng)適量保持電力線路與通信線路之間的距離，盡量采用屏蔽電纜或是絞線電纜，提高通信設(shè)備的抗干擾能力。

3 建筑電氣設(shè)計中諧波的治理對策

在建筑電氣設(shè)計中，如何治理諧波是設(shè)計人員必須要考慮的問題。治理諧波的方式主要從減少諧波的來源、檢測過濾諧波以及降低諧波的危害幾個方面進行考慮，具體來說主要有提高供電量、更換變壓器、利用濾波器、利用諧波保護器等形式。

3.1 減少諧波的出現(xiàn)

3.1.1 提高供電量。提高供電量能夠有效減少諧波的產(chǎn)生。建筑電氣設(shè)計人員在進行設(shè)計時可以適當考慮通過提高供電量來抑制諧波出現(xiàn)，包括采用加大電纜面積或者是增加發(fā)電機容量以及電容器容量的途徑。通過增加電纜面積，有利于最大限度避免集膚效應(yīng)，防止諧波的出現(xiàn)，加大發(fā)電機容量或者是電容器容量能夠降低諧波出現(xiàn)的頻率。采取以上兩種方式來減少諧波的出現(xiàn)會在一定程度上增加電力的投資成本，同時也會增加用戶的用電成本，因此如果采取其他方式可以減少諧波產(chǎn)生的影響時，應(yīng)避免采取這兩種方式。

3.1.2 更換變壓器。通過更換一些特殊的變壓器能夠有效抑制諧波的出現(xiàn)。這種處理方式雖然簡單高效，但需要投入很高的資金成本，而且只針對一些典型諧波起作用，因此在綜合考慮非線性負載的各種復雜情況下，這種方式只適合應(yīng)用于一些特殊場合中。

3.2 利用濾波器檢測過濾諧波

3.2.1 有源濾波器。將有源濾波器與非線性的負荷進行并聯(lián)，可以高效快速檢測非線性負荷導致的諧波。利用有源濾波器檢測過濾諧波時應(yīng)注意選擇合適的安裝點，盡量與諧波源接近，以抑制諧波發(fā)生畸變，提高過濾效果。

3.2.2 無源濾波器。無源濾波器與有源濾波器有很大區(qū)別，在檢測與過濾諧波時無源濾波器需要與電容器及電抗器相串聯(lián)，并且只有采用與諧波相對應(yīng)的額定濾波器才能處理不同的諧波。另外，無緣濾波器由于在過載情況下容易燒毀，導致其失去檢測與過濾諧波的作用，因此無源濾波器與有源濾波器相比，效果較差。

3.2.3 混合濾波器?；旌蠟V波器可以說是源濾波器以及無源濾波器之間的混合體，主要用于用電可靠程度高同時諧波控制嚴格的場合。濾波器通過有源濾波器從電容中得到直流電壓，通過濾波電感來降低諧波，再通過跟無源濾波器一起使用來有效控制諧波。混合濾波器綜合了有源濾波器與無源濾波器的優(yōu)勢，能夠充分發(fā)揮濾波器的功用。

3.3 利用濾波保護器降低諧波影響

除采用部分措施降低諧波出現(xiàn)或通過濾波器檢測并過濾諧波外，還可以采用濾波保護器來降低諧波的影響，保障電氣系統(tǒng)中的用電設(shè)備及線路正常運行，提高用電質(zhì)量。濾波保護器主要是根據(jù)諧波危害供配電系統(tǒng)的特點，采取合適的磁場吸收諧波的能量，最大限度消除減少諧波影響，實現(xiàn)用電設(shè)備保護目的。從諧波源處消除高次諧波及高頻噪聲，吸收諧波能量，保護電氣系統(tǒng)免受損害。

4 結(jié)語

諧波對建筑電氣系統(tǒng)的影響是不容忽視的，為了提高供配電系統(tǒng)的安全性與可靠性，對諧波進行深入研究很有必要，只有對諧波有了充分的認識，才能有更好的治理措施。建筑電氣設(shè)計人員應(yīng)充分認識到諧波的危害，在設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)具體情況采取科學合理的方式來減少諧波的發(fā)生，降低諧波的危害，提高供電質(zhì)量。

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作者簡介：唐振宇（1987-），男（土家族），湖南長沙人，中機國際工程設(shè)計研究院工程師，研究方向：電氣設(shè)計；劉釗（1985-），男，河北石家莊人，中機國際工程設(shè)計研究院工程師，碩士，研究方向：電氣設(shè)計。

（責任編輯：小 燕）