淺析諧波治理在劇場供配電系統中的應用

胡向東

摘 要：了解調光燈供電網諧波的存在及諧波干擾帶來的危害，制定一個科學可行的解決方案，從而消除諧波干擾，減少對電網的危害，提高供電質量和設備穩定性，確保供配電系統的正常工作。

關鍵詞：高次諧波；諧波源；電壓畸變；可控硅調光裝置；諧波治理；有源濾波器

隨著科學技術的日益創新，越來越多的高科技視聽產品不斷地在舞臺中得到廣泛應用，在人們盡情地享受著視覺盛宴的同時，也給出現了諸如紫外線、電磁波、高次諧波等對人體有害的輻射污染。劇場存有大量的非線性用電負載諧波源，特別是采用可控硅調光控制技術的舞臺燈光系統能使電壓無法實現正常合格的正弦波輸出，甚至會出現大量的高次諧波。高次諧波不僅造成電能的極大浪費，而且產生的電磁干擾會引發供用電設施設備的工作異常或故障，甚至會危及電網造成電力事故。為抑制上述干擾應采取一定的措施。

1 諧波潛在影響分析與危害

正常合格的電能源是以50HZ變化的三相交流正弦波電源。對于其它不同頻率、幅值的正弦波形統一稱之為諧波。就劇場而言，諧波主要是由可控硅調光器引起，每個調光器實質就是一個單相交流調壓器。

可控硅調光器是采用相位控制方法來實現調壓調光的。其原理是通過控制觸發信號的施加時間（或相位）來改變可控硅正弦波交流輸出電壓，即改變導通角θ（或控制角a）大小來實現調壓調光，導通角越大，調光器輸出的電壓越高，燈就越亮。由于采用移相調壓控制通光量度，調光器輸出電壓波形除含有50Hz的基波成分外，還含頻率為基波分量整數倍的高次諧波。這些高次諧波通過導線傳導到其它負載，引起電源電壓波形畸變。

當諧波電流、電壓超出國家標準（GB/T14549-93）和國際標準（IEC1000-3-4、IEEE-519-1992）時，將對供配電系統產生不利影響與危害。其危害有以下幾方面：

（1）對電力電纜造成危害。由于電力線路中的高次諧波會產生疊加，使得電纜導體集膚效應越發明顯，導致電纜導體的內阻增大，使得電纜允許通過電流減小。在供配電三相電源線路中，相線中的3次以上的諧波會疊加在中性線路上，會使流過中性線的電流值大于相線電流，引起線路過熱損壞甚至發生火災。

（2）變壓器諧波電流會造成變壓器繞組線圈的內阻損耗、渦流損耗、雜散損失的增大，諧波電壓會使變壓器鐵芯產生的渦流和磁滯損耗增加。由于兩方面損耗的增加，從而導致變壓器的實際使用容量下降，降低了變壓器的使用效率。諧波電流還會使變壓器運行時產生的損耗轉變為熱能由內向外擴散，引起變壓器外殼、外層硅鋼片及緊固件發熱而產生振動或噪音，加速絕緣保護材料的老化，降低了變壓器的使用壽命，嚴重時會使變壓器無法正常地運行。

（3）當電網中電容器發生并聯諧振或串聯諧振時，會進一步引起諧波的放大，造成供電設備過流、過熱、爆裂甚至引起火災，嚴重時會造成用電安全事故。

（4）諧波對電機的影響除了引起附加損耗外，還會引起伺服電機產生脈動，交流異步電機產生機械振動、增大噪音量。降低電氣設備中的繼電保護裝置、自動系統裝置的靈敏度或產生誤動作，造成控制開關的閉合能力下降和精密測量儀表的計量不準或計量紊亂等現象。

（5）對弱電線路產生電磁干擾。諧波通過靜電感應、電磁感應與傳導方式耦合到計算機網絡、通信、電視轉播、火災自動報警等弱電設備中，產生電磁干擾，造成信息系統傳輸故障、顯示器頻閃或產生誤動、拒動故障。

2 諧波治理作用與解決措施

諧波治理可有效的降低電網中諧波電流，提高供電質量，減少對電網的危害，增加負載設備的帶載能力，提高變壓器的實際使用容量，減少因變壓器擴容所帶來的高額擴容費用。諧波完全治理后可提升變壓器供電容量的20%；諧波治理還可提高變壓器功率因數，降低變壓器的銅芯、鐵芯損耗，減少電流在電纜導體中的集膚效應，減少設備的機械振動或噪音，降低電網損耗而提升電能的利用效率。在相同供電、相同負載情況下，功率因數由低到高，則電流諧波畸變由高到低。

η（功率因數）=〔I1（基波電流）/I（總電流）〕×cosφ=λ（基波因子）×cosφ（基波功率因數）

從公式可以看出，基波因子反映了諧波對功率因數的影響。所以要解決功率因數過低的情況，首先要解決諧波問題。為抑制諧波源產生干擾帶來的危害，可采取以下幾種解決措施：

（1）利用變壓器繞組的接線方式來抑制諧波的產生。《劇場建筑設計規范》JGJ67-2001第10.3.3條明確規定：當舞臺照明采用可控硅做調光設備時，其電源變壓器宜采用接線方式為Δ/Y0的變壓器。考慮到對稱的三相負載中的非正弦波高次諧波分量相位均相同，可以將舞臺專用變壓器中的初級繞組或次級繞組中的任一繞組連接成△接線方式，給負載中的高次諧波提供通路，促使三次諧波零序磁通互相抵消。

（2）有些舞臺設備其自身就是諧波源，一些專業電子信息設備，尤其是電聲學系統、通信系統又對諧波干擾高度敏感，這些設備使用同一供電回路又難以區分，為此可利用在舞臺專用變壓器低壓柜進線處安裝無源諧波濾波器柜來抑制諧波的產生。

（3）對于可控硅調光器引起的諧波，大量的實測數據表明，調光燈回路在100%以下負載時電流均發生畸變，且以3、5、7次諧波為主。為此可在調光設備進線回路上配置有源濾波器進行諧波治理和提高功率因數，補償容性無功，減少因調光設備產生的諧波對其它設備的干擾，從而改善供電質量。

（4）對于劇場中央空調變頻調速系統引起的諧波，則要求配置交流電抗器、直流電抗器和抗無線電干擾濾波器，減緩電流畸變波形，使其更加接近正弦波形。

（5）對于可控硅控制的調光照明線路宜采用單相供電，導線的線徑在原設計基礎上須增大一級，以此降低導線的內阻損耗。在采用三相配送供電時，盡可能將三相負載的相位均勻分布，對于零線線徑則要求為相線線徑的2倍，即采用等線徑5芯電纜，其中2芯作為零線，接地線采用偏鋼單獨敷設。此方法可有效抑制調光回路上產生的高次諧波磁場。電視幕墻回路與電子照明設備回路的中性線采用與相線同線徑。

（6）采用可控硅調光裝置的照明線路應避免與弱電線路平行敷設。當必須平行敷設時，其間距應大于1m。若垂直交叉時，間距應大于0.5m；并外套金屬管進行屏蔽且可靠接地。接地電阻須小于1歐姆。對于舞臺音響、計算機控制設備和弱電線路的電源則要求與舞臺照明不同的變壓器分路供電，同時須做好屏蔽措施，以此減少相互干擾。

參考文獻

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