建筑電氣設計中諧波治理措施的應用

姚冬平

（貴州正業工程技術投資有限公司，貴州 貴陽 550000）

隨著非線性負荷接入電網的容量及數量的增加，該類負荷產生的低頻間諧波對電網電能質量的影響日益嚴重。因此，本文通過對建筑電氣設計中諧波產生的來源以及危害進行分析，同時提出預防措施，確保供配電系統的運行質量及設備安全。

1 諧波來源

民用建筑中諧波產生的主要原因是由于非線性負載所致，當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉（M.Fourier）分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。

電力系統中諧波的來源比較廣泛，概括起來可以將其分為：發電電源引入的諧波、輸配電系統引入的諧波以及用電設備引入的諧波等。其中發電設備和輸配電設備均不是影響電網諧波的主要因素，而電網諧波主要是由非線性用電設備引起的。很多辦公電器、民用電器都會產生諧波，尤其是信息技術的發展促進了電力電子設備的不斷升級，時至今日，電力電子設備已經廣泛地應用于我國建筑領域的方方面面，有許多設備會產生諧波，這些諧波的影響如不加治理會對用電產生不利的影響。下面簡要分析下諧波的來源。

1.1 輸配電系統

基于整體經濟方面的考慮，在對變壓器進行設計時，通常使其工作磁密處于磁化曲線的近飽和段，再加上鐵心的飽和性等特點，就難免會出現奇次諧波。一般情況下，隨著變壓器鐵心飽和程度的提高，其偏離線性程度也會越大，同時也會產生較大的諧波電流。

1.2 發電源

在制造發電機時，其三相繞組及鐵心均無法做到絕對對稱與均勻。因此，轉子轉動過程中形成的磁場也是存在一定畸變的正弦波，同時電壓波形也會有所失真。

1.3 用電設備

1）家用及醫療電器，隨著科技的不斷發展，家用電器的功能越來越強大，種類也越來越多，比如調光燈及調溫炊具等家電的調壓整流設備會引起奇次諧波；醫療設備中核磁共振、CT機、X光機等等的使用均會產生諧波；非線性光源如氣體放電燈（輝光放電燈、鈉燈等），這些光源都是利用弧光、輝光等發光原理，而這種放電方式不可避免的會產生大量的諧波電流，含有超過10%的三次諧波，雖然使用鎮流器予以消除和改善，但都無法從根本上消除諧波污染。

2）變頻裝置，出于節能以及調速方面的考慮，通常需要使用變頻裝置，變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復雜，除含有整數次諧波外，還含有分數次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調速的發展，對電網造成的諧波也越來越多。

3）晶閘管整流設備，晶閘管整流設備的主要作用是將交流電轉換為直流電，在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用，同時也給電網造成了大量的諧波。由于該設備使用移相控制，在吸收電網缺角正弦波的同時又將另一部分缺角的正弦波輸送給電網，因此會產生大量的諧波。相關研究表明，整流裝置位居造成諧波影響的設備首位，是產生諧波的最主要設備。

2 諧波危害

諧波污染主要存在于低壓配電網中，其造成的危害主要有：功率損耗增加、設備壽命縮短、接地保護功能失常、遙控功能失常、電網過熱等；對配電設施會造成電子器件誤動作、電容器損壞、附加磁場、中性線過載和線路損壞等。下面簡要敘述下。

2.1 對電動機的影響

旋轉電機受到電源諧波的影響，使旋轉電機產生轉矩、附加損耗，并產生振動、噪音等現象，對設備會造成一定破壞。受電源諧波的影響電動機會產生附加熱損耗，干擾力矩會使電動機產生啟動困難，降低運行效率等。

2.2 對變壓器的影響

電源諧波能使變壓器的鐵損、漏磁損耗和銅損增加，引起變壓器發熱，導致變壓器溫度上升及損耗增加。電源諧波的頻率越高，集膚效應越明顯，各種損耗越嚴重，在諧波電壓的作用下，變壓器內部的鐵心疊片會形成渦流電流，而渦流電流則是造成變壓器溫度上升及損耗增加的關鍵因素。除了變壓器發熱，電源諧波還會造成緊固體、變壓器外殼和外層硅鋼片發熱，變壓器發熱越嚴重，使用容量越少。諧波源產生的諧波會流經變壓器，諧波的振動還會對變壓器造成損害。

2.3 對計量儀表及電子設備的影響

無論是數字儀表還是模擬儀表，諧波的存在都會對其精度產生影響，數字儀表在諧波的影響下會產生較大的計量誤差；模擬儀表在諧波的影響下會導致計量電能數據大于實際數據。此外電源諧波對電網中基波頻率為基礎過零檢測的敏感性電子設備和電子電源會造成影響，還會引起辦公自動化、消防報警、安全防范和樓宇自動化等電氣系統中的電子裝置工作出現失誤。

2.4 對配電線路的影響

當諧波電流經過配電線路時，會產生集膚效應，使電纜發熱、增加附加損耗，從而導致整個配電線路的供電效率及供電質量下降，同時會導致線纜阻抗增大，大大增加發熱，造成線路絕緣加速老化，存在火災隱患。除此之外，諧波的存在會使配電線路中性線的電流明顯變大，這時原有的配電線路截面積便有可能無法滿足需要，造成中性線溫度明顯升高，輕則燒壞絕緣皮或是出現短路，重則引發火災，造成災難性后果。

3 諧波治理措施

主要采用有源濾波或者無源濾波。

3.1 使用有源濾波器

有源濾波器（Active PowerFliter，縮寫為APF），是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，APF利用可控的功率半導體器件向電網注入與諧波源電流幅值相等、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。通常情況下，在有源濾波的額定無功功率范圍內能夠實現100%的濾波效果。有源濾波器具有以下特點：1）可動態濾除各次諧波，還可抑制閃變，補償無功；2）濾波特性不受系統阻抗等的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險；3）具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應性等特點。然而由于內部電子元件的耐壓性，使得其額定電流受限，導致制造過程比較復雜，成本高。

3.2 使用無源濾波器

無源濾波裝置：該裝置由電容器、電抗器，有時還包括電阻器等無源元件組成，以對某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，以達到抑制高次諧波的作用。無源濾波裝置主要采用LC回路，并聯于系統中，LC回路的設定，只能針對于某一次諧波，即針對于某一個頻率為低阻抗，使得該頻率流經為其設定的LC回路，達到消除（濾除）某一頻率的諧波的目的。LC回路在濾除諧波的同時，在基波對系統可進行無功補償。無源濾波器具有投資少、效率高、結構簡單及維護方便等優點，這種濾波裝置簡單，成本低，但不能濾除干凈，其主要元件為投切開關、電容器、電抗器以及保護和控制回路。

無源濾波裝置在現階段廣泛用于配電網中，具有大容量低價位的優點，在冶金行業得到廣泛應用。但由于其濾波器特性受系統參數影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產生放大作用，甚至產生諧振現象等因素，因此在某些場合不適用。

4 結語

隨著技術的不斷創新，新事物、新產品不斷推陳出新，高科技電子產品的不斷應用，用電環境會要求越來越高，諧波治理的重要性會越來越大。本文僅是在諧波治理方面進行了一些淺述，通過諧波的治理，從長期來看，對設備的保護是十分明顯的，在用電安全方面的改善也是十分顯著的，能夠有效提高供配電系統的綜合性能，對供電質量的提高具有重要意義。