民用建筑電氣系統中諧波問題的特點與治理措施

李恒富

【摘要】隨著我國經濟的快速增長，民用建筑電氣系統的安全性也受到了人們的重視。電器產品在日常生活中占據了大部分的電氣系統，逐漸出現了諧波問題。本文通過分析民用建筑電氣系統中諧波問題的特點提出幾點有效的治理措施。

【關鍵詞】電氣系統；諧波；特點；治理方法

諧波問題大部分都是由于非線性負荷存在電氣系統中而產生的，對于變壓器、電容器、電動機等都會產生危害，目前諧波干擾已經被列為電氣系統的三大公害之一，引起了人們的重視。

一、諧波產生的原因

諧波在電氣系統中產生的主要原因和以下兩方面有關：

（一）電源本身以及輸配電系統產生的諧波

理論上來講，發電機是由三相繞組組成的，因此其必須完全對稱，發電機內的鐵芯也一定要完全一致，這樣才能產生完美的三相正弦電壓。由于技術或設備等原因，在制作發電機三相繞組時是很難做到絕對對稱的，而且鐵芯也不是均勻一致，這樣的問題會使電源產生諧波電勢，但由于其值很小，一般可以忽略。

產生諧波的原因大多數是輸配電系統中的變壓器出現問題。由于鐵芯飽和時磁化曲線并不是線性的，相當于非線性器件，變壓器就會因為飽和度過大導致波形畸變，成為了諧波源。而且在處于經濟上的考慮，在設計變壓器時會使磁性材料在磁化曲線的近飽和區段工作，使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。

（二）用電設備產生的諧波

當電網中接入非線性負荷時，就算所加電壓為正弦電壓，電流流經非線性負荷之后還是會形成非正弦電流，從而產生了諧波，另外還會使得其他并聯在電網中的線性負荷線路中也產生諧波。

二、諧波源的電器

隨著新時代的發展，電氣領域也在開發新的技術，特別是電力電子技術的發展。由于引入電氣系統中的非線性負荷越來越多，諧波問題也越來越嚴重了。在民用建筑電氣系統中含有諧波源的主要有以下幾種電器：

（一）發電機和變壓器

民用建筑供配電系統中的發電機和變壓器必然會產生一定的諧波。

（二）電動機

電動機主要存在于民用建筑中的空調系統、給排水系統和電梯系統中，如果電動機的定子或者轉子線槽中存在少許不對稱或三相繞組的纏繞方式就會產生諧波電流。另外磁芯飽和也將產生諧波電流。

（三）氣體放電類光源

隨著科學技術的進步民用建筑在照明方面開始使用熒光燈、緊湊型節能燈與金屬鹵化物燈作為主要光源，它們比白熾燈的效率要高許多。但在這其中由于白熾燈是線性負荷，不會產生諧波，而熒光燈、緊湊型節能燈和金屬鹵化物燈等氣體放電類光源其非線性十分嚴重，有的還含有負的伏安特性，它們會給電網造成奇次諧波電流。

三、諧波產生的危害

（一）增加變壓器損耗

通常，諧波損耗來源于變壓器線圈中越來越多的熱量耗散和趨膚效應以及銅耗和鐵耗。這種熱效應會顯著減少變壓器絕緣材料的使用壽命，隨著諧波頻率的增高，趨膚效應就會愈加嚴重，因此高次諧波分量比低次諧波分量更易引起變壓器的發熱。諧波電流還會引起變壓器外殼、外層硅鋼片和某些緊固件的發熱，并有可能引起變壓器局部嚴重過熱。諧波還會引起變壓器的噪聲增大，變壓器的振動噪聲主要是由于鐵芯的磁致伸縮引起的，隨著諧波次數的增加，振動頻率在1kHz左右的諧波使混雜噪聲增加。

（2）縮短電動機壽命

與變壓器類似，電動機也會因為諧波而引起附加損耗和產生熱效應。因為導線的有效電阻是隨著頻率的增大而增大的，所以在有效值相同的前提下，繞組導線上含有大量的諧波電流要比正弦波形的電流產生的熱量多，這種熱效應嚴重時使電動機過熱，縮短壽命。另外，正序諧波和負序諧波引起的磁通勢和基波頻率下磁通勢相互作用產生了不同頻率的轉矩分量，這種諧波轉矩引起了電動機的機械振動和噪聲。

四、民用建筑電氣諧波的治理方法

目前對民用建筑電氣諧波治理可采用兩種方式，第一種，改變負載運行方式，減小負載諧波電流注入電網，盡量使單相負載在三相配電系統中平衡運行，增加三相負載的脈動數從以達到減小諧波電流的效果；第二種，在裝設濾波器為諧波電流提供支路以減小電流注入電網，濾波器包括無源濾波器和有源濾波器兩種類型，有源濾波器效果較好，但由目前的技術來說其穩定性和經濟性要比無源濾波器差。無源濾波器又包括并聯LC濾波器，中線串聯阻斷器類型，以及曲折接線變壓器型。對于設計成熟的建筑電氣，采用第二種方式較為自由和方便，以下將著重分析不同結構形式的無源濾波器在民用建筑電氣中治理諧波的優勢。

（一）調諧LC濾波器

調諧LC濾波器可以對單相系統、三相系統以及三相四線制系統進行諧波抑制，具有非常廣泛的使用范圍。LC濾波器常采用單調諧形式，傳統的單調諧濾波器為并聯形式，為了提高濾波器效果，在負載上游用來進行諧波治理濾波器也常設計采用串聯電抗器和并聯電抗器相組合的方式進行抑制諧波，國外的MTE、Schaffner以及國內的航天706所均有成熟的現成產品。單調諧濾波器利用R、L、C電路串聯諧振原理構成，通常也具有無功補償的功能。

（二）中線串聯型濾波器

為了抑制中性線諧波電流。可在三相四線制中線串聯濾波器。串聯阻斷器將電容電抗串聯，設置諧振在3次，從而對三次諧波形成高阻抗回路。為了能有更顯著的抑制作用，應對中性線電流使用阻斷器。在負載不平衡情況下，諧波抑制性能也較好。串聯阻斷器會引起中線電壓偏移，增大中線阻抗。在電容濾波的整流橋，零線電壓漂移將穩定為30～40V左右，若整流橋中具有電抗器，則零線漂移將隨中線電流的增大而增大，影響負載端電壓。串聯阻斷器對中線零序諧波電流具有抑制作用，但是對與相線上5次、7次諧波電流具有放大作用。