諧波治理在工業建筑電氣設計中的應用

龐亞夫

【摘要】諧波主要是由稱為諧波源的大功率換流設備（包括化工電解整流設備）及其它非線性負荷產生，諧波源產生的諧波不但危及電網及其它電力用戶而且也危及自身，因此諧波的治理是十分必要且有實際效益的。本文對諧波存在于智能建筑中的危害進行了分析，對諧波的產生及治理進行了分析研究。

【關鍵詞】建筑電氣 電氣設計 諧波治理措施 危害

0. 引言

隨著企業的技術改造及設備升級換代，非線性電力設備愈加廣泛應用，由此導致電力系統中諧波問題越來越嚴重，一方面造成了電力設備的損壞，加速絕緣老化，誘發火災等安全事故，另一方面也影響了計算機、可編程控制器等自動化控制設備正常工作，直接擾亂了人們正常的生產、生活。

1. 諧波對智能建筑的危害

智能建筑中諧波主要來自兩方面：一是大量非線性負荷形成的諧波源，例如計算機系統、開關電源、電子式熒光整流器等導致配電系統的電壓、電流發生畸變，產生諧波；二是公用電網本身具有一定的諧波含量和配電變壓器作為諧波源產生的諧波，由公用電網側傳輸至配電系統。惡劣的諧波環境將會對智能建筑中用電設備和系統造成巨大的危害，主要表現在以下幾個方面：

① 由于設備自身產生的接地電流在設備和真實地之間產生一個電壓降，因此，容易使電腦死機；高次諧波會在中性線上疊加，中性線電流能夠在建筑物金屬結構上任意流動，從而產生不受控制的磁場，即引發計算機屏幕的頻閃現象；由于開關、短路以及負載變化而引起的短時間電壓變化將會引起燈光頻閃，過度的頻閃將會使人體不舒服；嚴重的諧波畸變會引起在一個正弦周波內的額外過零點，影響測試設備，干擾程序控制裝置的同步性，導致控制裝置死機。

② 智能建筑中線纜密布，系統設備繁多，微電子裝備復雜，且防護能力弱，高次諧波將會使智能化系統設備產生誤碼、錯碼、誤動作，使信號系統受到污染、產生噪聲，甚至連通話質量都不能保證。隨著低電壓信號在IT設備中使用的增加，比特錯誤率也隨之提高，甚至可以高到使整個網絡癱瘓。

③ 在諧波電壓作用下，電容器會產生額外的功率損耗，加快絕緣介質的老化。更為嚴重的是，大量諧波電流很可能引發電容器和系統其他元件之間的并聯諧振或串聯諧振，造成電容器超載而損壞；使與電容器連接的配電回路中所有線路、設備因電壓閃變、超壓、過負荷而損壞。

④ 配電回路的諧波電流含量高會使斷路器遮斷能力降低。這是因為畸變電流過零點時，電弧電流隨時間的變化要比工頻正弦電流大，電弧電壓的恢復要迅速得多，使電弧容易重燃，導致誤跳閘或在該跳閘的時候根本不跳。剩余電流可能會達到使剩余電流保護裝置動作的設定值。事實表明，空氣電磁斷路器不能遮斷其分斷能力范圍內波形畸變率超過50%的故障電流，而且還會導致斷路器損壞。

2. 諧波治理的主要措施

電力消費的趨勢是高效率用電與高質量用電相接合。進行諧波治理，提高電力品質是第一位的，其次是節能。諧波治理是個綜合治理過程，一方面應從源頭抓起，加強設備的管理防止諧波的產生，更重要的一方面是提高認識，積極進行諧波治理，防止災害產生。目前國內一些企業已開始重視諧波的污染，取得了節能和提高電網品質的雙重效果。

解決電力電子裝置和其它諧波源污染問題的基本思路有兩條：一是裝設諧波補償裝置，即采用LC組成的無源調諧濾波器；二是對電力電子裝置本身進行改造，改進整流裝置，采用多相脈沖整流使其盡量不產生諧波，由于其電流電壓同相位，稱高功率因數整流器或高功率因數變流器。因為諧波補償裝置既可補償諧波，又可提高電網的功率因數，而且結構簡單，因此一直廣泛使用。其缺點是只能補償固定頻率的諧波，其補償特性也受電網感抗的制約，補償效果也不理想，但仍是補償諧波的主要手段。

目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器。其基本原理是實時監測電網中電流，快速分離出諧波電流分量，發出控制指令，實時產生大小相等方向相反的補償電流注入電網中，實現瞬時濾除諧波電流。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波電流進行跟蹤補償，其運行不受系統的影響，也不會產生諧波放大，同時可補償無功功率，提高功率因數是一種較先進的諧波抑制技術。但由于其造價較高，只適用于小容量諧波補償。

具體措施如下：

① 采用無源濾波器。采用無源濾波器是傳統的抑制諧波的方法。無源濾波器包括一組以串聯方式連接的電抗器與電容器。此電路的阻抗在某一頻率下，被設計成比電網中的其他電路低的多。這種裝置的缺點是容易過載，在過載時會被燒損。另外，可能造成功率因數過補償，同時無源濾波器不能受控。因此，隨著時間的改變以及配件老化或電網負載的變動，會改變諧波振頻率，使濾波效果下降。更重要的是，無源濾波器只可以過濾一種諧波成分。如果過濾不同的頻率，則要分別采用不同的濾波器，如有的濾波器只能濾除三次諧波。

② 采用有源濾波器。并聯型有源濾波器實質上是一個受控的、快速反應的諧波電流源，與非線性負荷并聯，自動檢測非線性負荷產生的諧波電流。DSP產生的控制信號控制IGBT高速開關器件，經過輸出電抗器，輸出與負荷產生的諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流，起到補償諧波的作用，其結果是系統只向負荷提供基波電流。

在設計有源濾波器治理位置時，需要根據劇場配電系統和負荷情況的不同，設計不同的安裝位置。有源濾波器的安裝與諧波源越近，濾波效果越好，這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法。但在一些非線性負荷分布負載的場合，可以采取變壓器總補償或二級配電補償的方案，而且不同方案可以配合使用。

③ 采用混合型濾波器?？蓪⒂性措娏V波器與無源電力濾波器混合使用。其中，無源濾波器由3、5、7、9次單調諧濾波器支路及高通濾波器支路組成。有源濾波器由8個IGBT、直流電容及濾波電感構成。直流電容可為有源濾波器提供一個穩定的直流電壓；濾波電感可減小有源濾波器產生的高頻開關頻率諧波。有源濾波器和無源濾波器串聯后并人電網。由于有源濾波器不是直接對諧波電流進行消除，它所產生的補償電壓中只含有諧波電壓，故其功率容量很小，具有良好的經濟性，從而可降低系統成本。

④ 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帶來危害的本質上著手解決問題，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。此類產品如諧波保護器（HPD），采用了超微晶合金材料與創新科技的特別電路，能吸收各種頻率各種能量的諧波干擾，將諧波消除在發生源，自動消除對用電設備產生的隨機高次諧波和高頻噪聲、脈沖尖峰、電涌等干擾。HPD并聯在電路中使用，本身并不耗電。

3. 結語

在實際工作中，由于諧波具有多發性、隨機性和不可重復性，導致智能建筑中的各種電氣設備性能下降、無法工作的現象時有發生，因此，為保證現代智能建筑中各種不同類型設備和計算機及精密電子裝置正常、可靠、高效地運行，必須要采取相應措施，確保用電設備的使用壽命，從以上分析可知，筆者覺得采取混合濾波器能快速、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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