諧波對建筑電氣設計的影響及對策研究

葉偉

（哈爾濱工業大學建筑設計研究院，黑龍江 哈爾濱150000）

隨著我國經濟體制的不斷發展與完善，現代居民的整體生活質量水平也得到了保障，由此為更好的滿足生活與工作需求，建筑中用電設備的功能與類型也逐漸朝著多元化發展。從電氣設計角度來看，此種復雜的用電環境，極易產生諧波問題，若是未能根據用電需求進行管控，不但會極大降低用電設備與線纜的使用壽命，同時也極易誘發惡性事件，使居民的生命與財產安全無法得到保障。因此，如何做好諧波治理工作，理應得到設計單位的重視。

1 建筑電氣設計中的諧波特征概述

基于以往電氣設計與調查資料可知，諧波特征主要可分為對稱性、獨立性、相序性三個方面。對稱性是指諧波在電氣系統內存有奇偶對稱的特征，在傅里葉級數分析中，不存在正弦的狀況；獨立性是指諧波出現在電力系統中線性網格內，會呈現出諧波之和等于總諧波量的特征，并且各個諧波的特征完全不同；相序性是指諧波出現在電力系統后，不論環境如何，都存在負序與零序電流。

2 諧波對建筑電氣設計工作的影響

從低壓配電系統設計角度來看，諧波電壓與電流對低壓系統的正常使用會造成較大的影響，若無法進行有效的調控與之力啊，不但會對電子設備、電器元件、用電設備的使用壽命造成影響，使居民生活與工作用電環境質量變差，而且也會對周圍無線通信環境造成干擾，造成不必要的無線信號受損狀況。特別是現代建筑中，隨著家用電器數量與功能的不斷增多，用戶對于建筑用電質量的要求普遍增高，若是仍舊沿用原有的電氣系統設計規范與標準，勢必會造成較多諧波干擾問題，最終影響整座建筑的電力供應質量。而基于調查可知，諧波對建筑電氣設計的影響主要可從以下幾方面論述。

首先，在諧波電流高于相電流的環境下，勢必會誘發三相負載不均衡的情況，誘使電力系統內的變壓設備發熱，造成電氣設備加速老化、能耗水平增高與噪音等問題，久而久之，變壓器功能無法徹底發揮，導致功率下降與電壓過載等問題出現。其次，從能源傳輸角度來看，諧波電流通常強于常規電流，受線纜阻抗值的影響，線纜的功率損耗明顯增大，甚至會誘發線纜發熱等狀況，使線纜的使用壽命與安全性無法得到保障。期間，甚至容易直接對絕緣層造成傷害，使建筑電力系統出現接地故障等風險，不但會因為漏電等問題威脅住戶的生命安全，而且受高溫影響，也極易產生火災。再次，諧波極易誘發電壓與電流畸變，受電力系統波動等影響，其中噪聲與振動頻率會增高，使居民在日常使用中產生恐慌情緒。最后，諧波自身能耗通常高于常規電力系統，在電流與電壓波動性影響下，線纜與電容器等裝置勢必會承受更高的能耗，最終使電容器等裝置的使用壽命縮短。而基于調查資料可知，受諧波等因素影響，電容器與線纜等部件也極易產生諧振反應，不但極易誘發裝置短路等故障，同時與電容器相連的設備和線路，也極易被燒毀，最終損害住戶生命與經濟安全。另外，感應式電機作為建筑電力系統能源的產生渠道，在諧波環境中，會將部分能量以熱量的方式從線纜與設備中消耗，極大增加電機運轉的能耗，同時也會加速電氣系統的老化速度。

3 建筑電氣設計治理諧波的優化對策

3.1 有源與無源濾波器的安裝。傳統建筑工程電氣設計中多采用無源濾波器來治理諧波，具有結構簡單、成本低、運行安全可靠的優勢，至今也是治理諧波的主要措施。比如：LC濾波器就是典型的無源濾波器，由濾波電容器、電抗器、電阻器等結構共同組成，將LC濾波器和諧波源相互并聯，既能起到濾波的效果，也可以進行無功補償。但是容易發生過載問題，一旦過載運行，濾波器就會被燒損，并且無源濾波器無法有效控制，隨著運行時間的增加，配件老化嚴重，會導致諧振頻率發生改變，降低諧波治理效果。并且無源濾波器只能治理三次諧波，如果需要過濾不同的諧波，需要額外添加濾波器，增加設備投資。

智能建筑在電氣設計中多采用有源濾波器來治理諧波，對諧波進行跟蹤補償，并且補償效果不會受電氣系統阻抗的影響，在PWM控制技術持續發展，基于瞬時無功功率理論提出后，有源濾波器得到了飛速發展，其治理諧波的原理為：可從補償對象中檢測出諧波電流，通過補償裝置，形成一個和該諧波電流大小相同，但極性相反的補償電流頻譜，以抵消諧波電流，促使電氣系統中運行的電流只含有基波分量，整個諧波治理過程由DSP 和IGBT 來完成。

另外，受建筑電氣使用環境等因素影響，目前越來越多的設計者為規避諧波對電氣系統的影響，經常會選擇有源與無源濾波器相互結構的舉措，既能夠有效發揮無源濾波器成本低廉、結構簡單、便于操作與安裝的優勢，同時也能夠降低有源濾波器容量，使建筑電氣系統的構建成本得以有效降低。

3.2 降低回路阻抗或切斷線路。從諧波形成的主要誘因來看，其來源是建筑電氣系統中的非線性負荷，受此類負荷的影響，通常諧波會含有頻率為基波數倍的電量，若存在于電力系統內，不但會對電氣裝置與線材造成極大的損耗，同時也會影響供電質量的穩定性與可靠性，極易引發不必要的經濟損失。因此，為更有效的治理諧波風險，電氣設計者通常會采用前期工作對負載供電線路的質量與參數進行研究，判斷對諧波是否敏感，并做好供電線路分離等工作。而在電氣系統運行方面，則會將非線性負載歸類于畸變電流，通過線纜傳輸過程中會誘發畸變電壓等問題，最終使線纜的使用壽命受損的結論，站在經濟性與用電安全性的角度合理增加線纜界面尺寸，并主動降低供電回路中的阻抗值，以便諧波治理的效果更顯著。

但基于實踐數據可知，上述增加線纜截面尺寸，提升變壓器容量與降低線纜阻抗值等方法，并不能從根源解決諧波問題，甚至很難為后續建筑電氣系統的升級與改良提供幫助，由此間接增加設計與施工成本，也會為電氣系統埋下較多的安全隱患。面對此種問題，設計者可在電源接口處設置分流裝置，以便將線性負載與非線性負載分別供電，通過此種方法，便能夠避免非線性負載的畸變電壓作用于線性負載中，由此降低諧波的產生率，同時能夠避免造成建筑電力供應的波動性，使電力系統的穩定性與可靠性等得到更全面的保障。

3.3 無諧波變頻器的合理應用。無諧波綠色變頻器是基于諧波處理要求衍生的新型產品。此類變頻器在使用過程中，輸入與輸出電流都屬于正弦波，并且基于電控平臺，能夠有效控制變頻器輸入功率因數，以便根據建筑功能需求提供任意數值的輸出功率，降低電氣設備使用與傳輸過程中的能源損耗，其中通常會設置交流電抗器，通過此裝置可有效遏制諧波對建筑電氣系統的影響；其次，綠色變頻器裝置的應用，能夠通過變頻元件識別電源電壓瞬間尖波，為整流橋提供較全面的保護。而基于相關工程的調查資料可知，建筑電氣中帶有減抗器的諧波電流明顯弱于不帶減抗器的電流，由此可見，若要有效降低諧波污染對電氣系統的影響，設計者便需要在輸出回路系統內裝配適宜的濾波器，以便使電流質量的可控性增強。

對此，設計者便可在逆變單元設計期間提出并聯多量化的設計理念，通過多個單元的銜接，使諧波波形相互疊加，以此有效消除諧波；其次，在變頻器的選擇上，應盡量選擇多脈沖的整流裝置，以便降低諧波的產生量。

3.4 多功能諧波保護器的應用。多功能諧波保護器是基于磁性吸收諧波能量原理衍生來的裝置，此類裝置的使用能夠從根本上解決諧波對電氣系統的損傷，并且產品結構較簡單，具有較長的使用壽命與可靠性。特別是采用了超微晶合金材料的特殊電路，能夠吸收各種頻率的諧波，使諧波問題在源頭被解決，避免對用戶經濟權益帶來損害。

4 結論

建筑電氣設計工作中諧波治理措施的有效落實，既能夠為電力系統內的線纜與設備提供更全面且完善的能源管控渠道，降低整體設備系統壽命的損耗率，同時憑借濾波器等裝置的運用，也能夠從源頭解決諧波對電力系統的影響，為居民與業主的財產安全提供保障。故而，在論述諧波對建筑電氣設計的影響及對策期間，必須明確諧波的特征與風險，并站在設備角度判斷事宜的解決方案，確保仍滿足經濟性設計的基本要求，才能使建筑電氣工程體系的構建質量得到更全面的保障。