智能建筑電氣設(shè)計中諧波治理措施的研究

劉堯　許威

【摘 要】智能建筑中的諧波來源于兩個方面，一方面是電弧和鐵磁非線性設(shè)備（如變壓器、旋轉(zhuǎn)電機）的諧波源，另一方面是半導(dǎo)體非線性元件電力電子裝置的諧波源。隨著近年來我國智能建筑的高速發(fā)展，各類型電子類電器的負荷比重逐漸增加，這導(dǎo)致電網(wǎng)的諧波污染日益嚴(yán)重，從無功補償、變壓器、電纜、弱電系統(tǒng)及電容器等方面降低了電能質(zhì)量，為此在智能建筑電氣設(shè)計中采取適當(dāng)?shù)闹C波治理措施至關(guān)重要。

【關(guān)鍵詞】智能建筑 電氣設(shè)計 諧波治理

1 智能建筑中諧波特性的分析

第一，智能建筑的諧波具有對稱性。首先，智能建筑的諧波具有奇對稱性，即展開為傅里葉級數(shù)時沒有余弦項，f（-t）=-f（t）；其次，智能建筑的諧波具有偶對稱性，即展開為傅里葉級數(shù)時沒有正弦項，f（-t）=f（t）；最后，智能建筑的諧波具有半波對稱性，即沒有直流分量且偶次諧波被抵消。

第二，智能建筑的諧波具有獨立性。平衡電力系統(tǒng)的線性網(wǎng)絡(luò)對不同諧波的響應(yīng)是獨立的，總的響應(yīng)相當(dāng)于單個諧波相加的總和，所以各次諧波可以獨立出來進行分析和治理。

第三，智能建筑的諧波具有相序性。基波、四次、七次......諧波是正序的；二次、五次、八次......諧波是負序的，三的倍數(shù)次諧波都是零序的。此外，如果系統(tǒng)中存在諧波，則無論該系統(tǒng)是否平衡，都將存在零序和負序電流。

2 智能建筑電氣設(shè)計中諧波的治理措施

2.1 選擇合適的配電設(shè)備、變壓器及電線電纜

第一，選擇合適的配電設(shè)備。為減少諧波引發(fā)的開關(guān)設(shè)備誤動作，低壓配電設(shè)備選擇時要遵循如下原則：熱繼電器、接觸器要適當(dāng)降容使用；熱磁型、電子型配電斷路器要適當(dāng)降容使用；諧波嚴(yán)重的配電回路則放大一級選擇配電設(shè)備。

第二，選擇合適的變壓器型號及容量。選擇配電變壓器時，宜選擇Dynll連接組別的變壓器（該組別變壓器可以有效抑制三的倍數(shù)次諧波）；在確定電壓器容量時，將諧波畸變引起的變壓器發(fā)熱影響考慮在內(nèi)，使變壓器負荷率控制在70%-80%。

第三，選擇合適的電線電纜。諧波傳輸過程中會引發(fā)電線電纜的發(fā)熱，因此選擇電線電纜截面時要考慮諧波的影響。三相四線制系統(tǒng)中，要考慮諧波電流的集膚效應(yīng)引起電線電纜發(fā)熱的影響，以及中性線上諧波電流的疊加，在選擇中性線截面時要留有裕量。如果配電系統(tǒng)中設(shè)置了有源濾波器，則相應(yīng)回路中性線截面不必增大；如果弱配電系統(tǒng)中設(shè)置了無源濾波器，則中性線截面可與相線等截面；三相不平衡系統(tǒng)中，中性線截面不應(yīng)小于相線截面；三相平衡系統(tǒng)中三次諧波電流大于10%時，中性線截面不應(yīng)小于相線截面。

2.2 選擇合適的濾波方案

（1）變壓器額定容量Sn≤2000KVA時的濾波方案（見表1）

表1 變壓器額定容量Sn≤2000KVA時的濾波方案

Gh

0.25Sn

Gh>0.5Sn

濾波方案

電容器額定電壓增加10%加諧波抑制電流

有源電力濾波器

注：Gh為連接到接有電容器組的母線上所有產(chǎn)生諧波裝置的視在功率額定值的總和。

通常情況下智能高層建筑的Gh>0.5Sn，應(yīng)采用無源濾波器加有源濾波器的方式來治理諧波，其中無源濾波器可以采用針對3次諧波的調(diào)諧頻率為131、147Hz，電抗系數(shù)12.5%、15%的電抗器，有源濾波器可主要針對無源濾波器無法濾除的高次諧波進行設(shè)置，使治理后總的諧波畸變率控制在國標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)。

（2）有源濾波器的選型方案。有源濾波器（APF）具有專門的電源供電，利用向電網(wǎng)注入與諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。

如果智能建筑中具有大量注入計算機、空調(diào)、熒光燈等單相用電設(shè)備，此時應(yīng)該采用三相四線制有源濾波器。有源濾波器容量的選擇要根據(jù)安裝位置處多個非線性負載產(chǎn)生的諧波電流疊加得到（每個諧波源產(chǎn)生的諧波電流大小根據(jù)現(xiàn)場測得的諧波數(shù)據(jù)得出，將該支路中諧波電流依次進行疊加）。如果不同確定兩個諧波源各次諧波的相位角，那么由下式計算某次諧波的總諧波電流：

兩個諧波源的某次諧波電流： 。 式中In1為第1個諧波源的第n次諧波電流；In2為第2個諧波源的第n次諧波電流；Kn的取值：N=3，Kn=1.62；N=5，Kn=1.28；N=7，Kn=0.72；N=11，Kn=0.18；N=13，Kn=0.08；N=9、偶次或大于13，Kn=0。

將各次諧波計算出來后，再按下式計算需要濾波的總諧波電流有效值：

然后按下式確定有源電力濾波器的濾波電流： 。 式中，Irms-Filter為有源濾波器的有效濾波電流（A）。

2.3 其他方案的設(shè)計

智能建筑電氣設(shè)計中，為有效抑制諧波對電子設(shè)備的干擾可以采取如下措施：在容易受干擾電子設(shè)備的回路中裝設(shè)濾波裝置，抑制或消除諧波；為受諧波影響嚴(yán)重的電子設(shè)備設(shè)計專用的配電回路，避免諧波干擾沿線路引入；對電子設(shè)備采取屏蔽措施或遠離諧波嚴(yán)重的電路，避免空間電磁干擾。

智能建筑中含有大量信息技術(shù)設(shè)備，供配電系統(tǒng)接地應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)。需設(shè)置總等電位聯(lián)結(jié)和局部等電位聯(lián)結(jié)，宜在每層設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)。不同層的等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)之間應(yīng)相互連通。同一建筑物內(nèi)的保護性接地、功能性接地以及防雷接地應(yīng)分別接至總接地端子并應(yīng)共用接地極，智能建筑單體接地裝置與車庫接地裝置連接，組成聯(lián)合接地體。

3 結(jié)語

本文在對智能建筑諧波對稱性、獨立性及相序性進行分析的基礎(chǔ)上，就如何在智能建筑電氣中治理諧波提出了幾點建議（如選擇合適的濾波方案，選擇合適的配電設(shè)備、變壓器及電線電纜等），旨在讓相關(guān)工作者增加對智能建筑諧波治理的認(rèn)識和關(guān)注。

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