辦公建筑諧波污染產生的原理及治理措施

朱立泉 / 丁進勇

(山東同圓設計集團有限公司, 山東 濟南 250101)

1 引言

現代辦公建筑中大量智能化系統(如信息設施系統、信息化應用系統、建筑設備管理系統、公共安全系統、智能化集成系統等)的運用，對電網電能質量的要求越來越高，電網中因大量非線性單相負荷存在而產生的大量諧波污染對智能化系統的運行造成了較大的不利影響。

《電子信息系統機房設計規范》(GB 50174-2008)中對電源質量提出了相應的設計要求，穩態電壓偏移范圍：A、B級±3%，C級±5%；輸入電壓波形失真度≤5%。

按規范相關內容要求，辦公建筑電源系統總電壓諧波畸變率不應超過5%，若超過該數值應采取合理的治理措施，以使電壓波形畸變率控制在合理范圍內，為辦公建筑智能化系統的正常運行提供一個安全的電源環境。

2 諧波的定義、產生原理及分類

諧波是基波(頻率為50Hz)頻率整數倍的正弦波電壓或電流，例如100Hz的正弦波稱為2次諧波,500Hz的正弦波稱為10次諧波，以此類推。

諧波的產生是由于線路存在大量的非線性負荷，當電流流經負載時，與負載兩端的電壓不呈線性比例關系，就形成非正弦電流，即產生諧波電流。

當多個諧波電流(或電壓)與基波電流(或電壓)相互疊加時，就形成了各式各樣的電流或電壓波形，即電流畸變或電壓畸變。圖1為5次、7次諧波與基波疊加的波形圖。

圖1 5次、7次諧波與基波疊加波形圖

在民用公共建筑尤其是辦公建筑中，諧波多為3、5、7、9等奇次諧波，基波電流或基波電壓是正弦波波形，當線路中存在諧波時，基波波形就會發生畸變，存在的諧波成分越多，波形的畸變就會越嚴重。

根據影響的范圍及危害程度，諧波分為用戶側諧波和電力側諧波兩種。用戶側諧波是指40次以上的諧波，又稱高頻諧波；電力側諧波是指40次以下的諧波，又稱低頻諧波，尤以3、5、7、9等奇次諧波為代表。表1為各類諧波比較與治理方法。

表1 各類諧波比較與治理方法

3 某辦公建筑諧波污染的檢測及治理改造措施

1)通過前期對該辦公建筑的實地考察分析，發現該建筑中存在的電氣問題

(1)變壓器、電纜等設備出現過熱；

(2)無功補償裝置不能正常投切，且出現無故損壞事故；

(3)斷路器經常無故跳閘；

(4)辦公室內的燈具出現頻閃現象；

(5)電腦主機屏幕頻閃，并出現網絡運行不穩定的現象；

(6)電力儀表測量不準確。

2)該辦公建筑中存在的諧波污染源

經過現場實地觀測，辦公建筑存在大量的諧波源，以上問題的出現應該是電網中的諧波含量較高造成的。該辦公建筑的負荷分布相對來說較為集中，節能燈、景觀裝飾燈、臺式計算機、筆記本電腦、打印機、投影儀、變頻電梯、中央空調及UPS電源等為主要負荷，在整個負荷比例的分配中單相非線性負荷占據了較大的部分，主要諧波源可以分為以下幾類：

(1)照明設備：由于辦公建筑內使用的節能熒光燈較多，導致嚴重的諧波電流，諧波主要為3次諧波，當很多熒光燈連接在一起形成三相四線制負載時，就會流過大量的3次諧波電流。

(2)UPS和計算機：辦公樓內現在大部分都是計算機網絡管理，大量的計算機要求服務器數據存儲系統必須配備UPS和其他備用電源，計算機和UPS電源都是諧波源，這些設備將產生3、5、7、9次等諧波。

(3)變頻空調通風系統：為了節約能源，大部分辦公建筑都使用變頻空調通風系統，變頻器是非常重要的諧波源，總諧波電流超過33%的失真率，會產生5、7次等諧波污染。

(4)其他如變頻電梯、變頻水泵、打印機、投影儀等，在整個負荷比例分配中占據的比例較少，但是在使用過程中卻能產生較大的5、7次諧波電流。

3)諧波治理措施運用前電源質量檢測情況

經過對某些電源回路實地諧波檢測，所得數據如圖2和圖3所示。

從圖2可以看出，電流的畸變率達到30%，電流諧波含量已經大大超過了國家標準，主要為3、5、7、9、13、15次諧波。

圖3 檢測變壓器低壓總出線處的情況

從圖3中可以看出，電壓波形畸變率為2.2%，符合國標不大于5%的規定；總電流約為1 kA，電流的畸變率達到14%，電流諧波含量已經大大超過國標的規定，主要為3、5、7、9、11、13、15次諧波。

4)諧波治理措施及措施運用后電源質量檢測情況

通過上述內容的歸類總結和比較，發現該建筑的配電系統中存在較多的諧波電流，應采取科學合理的諧波治理方案才能有效去除系統的諧波成分,具體的諧波治理措施如下：

(1)更換變壓器設備，采用D,yn11接線組別的變壓器。在該聯結組別的變壓器中，3n次諧波勵磁電流在其一次繞組內形成環流，不能注入到公共電網中去。

(2)在變配電室低壓總出線處設置有源濾波柜，進行集中諧波治理。有源濾波裝置通過外部采集模塊采集電流信號送至控制PCB的諧波分離模塊，該模塊將基波成分分離，將諧波成分送至調節和檢測模塊，該模塊會將采集到的系統諧波成分與諧波治理裝置已發出的補償電流進行比較，得到差值作為實時補償信號輸出到驅動電路，觸發IGBT逆變器將補償諧波電流注入到電網中，實現濾除諧波的功能。有源濾波柜安裝方式及位置如圖4所示。

圖4 有源濾波柜安裝方式及位置

(3)在用電設備末端配電箱處裝設有源濾波模塊，該模塊能在諧波源近端處及時有效地消除用電設備產生的諧波成分，具體安裝方式及安裝位置如圖5所示。

圖5 有源濾波模塊安裝方式及安裝位置

在諧波治理措施運用后，該辦公樓的電源環境得到了很大的改善，上述問題基本解決，生產率得到了很大的提高，圖6和圖7所示是進行諧波治理后的數據。

圖6 諧波治理前后電流波形和頻譜對比

圖7 諧波治理前后電流諧波畸變率及FFT對比

從圖6和圖7中可以看出電流波形在治理后得到了明顯的改善，諧波含量符合國家的標準。

4 結論

1)諧波治理整體保護措施在既有辦公建筑電源質量改善中的運用起到了很好的效果，具體如下：

(1)系統反應動作迅速，濾除諧波可達到95%以上，明顯濾除電力系統諧波分量，使波形變得光滑完整，提高了電能質量，保護了用電設備；

(2)各類電子、電氣設備的有功效率得到了很大的提高；

(3)降低了敏感性電子設備及元器件損壞的幾率，減少經濟開支；

(4)降低了網絡設備的運行故障，提高了網絡系統運行的穩定性；

(5)減少燈具頻閃和電腦死機的情況，降低斷路器誤動作的概率，變壓器和線路過熱現象得到了有效的控制。

2)在運用諧波保護措施時，應根據工程的性質來選擇合理的諧波治理方案，在方案的選擇中應結合電源側和用戶側同時治理并靠近諧波源治理的原則。

[1] 戴瑜興,張義兵.智能建筑諧波和無功功率的綜合治理[J].電工技術,2003,12.

[2] 朱東柏,劉驥,曹濱.電力有源濾波及無功補償裝置的研究[J].電機與控制學報,2002,12.