智能建筑電氣設(shè)計(jì)中諧波治理措施的研究

劉堯　許威

（1.中國中元國際工程有限公司，北京 100089，2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展股份有限公司，北京100037）

智能建筑電氣設(shè)計(jì)中諧波治理措施的研究

劉堯1許威2

（1.中國中元國際工程有限公司，北京 100089，2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展股份有限公司，北京100037）

智能建筑中的諧波來源于兩個(gè)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(jī)）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(fù)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(bǔ)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(jì)中采取適當(dāng)?shù)闹C波治理措施至關(guān)重要。

智能建筑電氣設(shè)計(jì)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(duì)稱性。首先，智能建筑的諧波具有奇對(duì)稱性，即展開為傅里葉級(jí)數(shù)時(shí)沒有余弦項(xiàng)，f（-t）=-f（t）；其次，智能建筑的諧波具有偶對(duì)稱性，即展開為傅里葉級(jí)數(shù)時(shí)沒有正弦項(xiàng)，f（-t）=f（t）；最后，智能建筑的諧波具有半波對(duì)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(dú)立性。平衡電力系統(tǒng)的線性網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同諧波的響應(yīng)是獨(dú)立的，總的響應(yīng)相當(dāng)于單個(gè)諧波相加的總和，所以各次諧波可以獨(dú)立出來進(jìn)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(fù)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(fù)序電流。

2　智能建筑電氣設(shè)計(jì)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(dòng)作，低壓配電設(shè)備選擇時(shí)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(jí)選擇配電設(shè)備。

第二，選擇合適的變壓器型號(hào)及容量。選擇配電變壓器時(shí)，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(shí)，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(fù)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(huì)引發(fā)電線電纜的發(fā)熱，因此選擇電線電纜截面時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)的濾波方案（見表1）

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(duì)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(duì)無源濾波器無法濾除的高次諧波進(jìn)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(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。

如果智能建筑中具有大量注入計(jì)算機(jī)、空調(diào)、熒光燈等單相用電設(shè)備，此時(shí)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(gè)非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流疊加得到（每個(gè)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(jìn)行疊加）。如果不同確定兩個(gè)諧波源各次諧波的相位角，那么由下式計(jì)算某次諧波的總諧波電流：

表1　變壓器額定容量Sn≤2000KVA時(shí)的濾波方案

將各次諧波計(jì)算出來后，再按下式計(jì)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(jì)

智能建筑電氣設(shè)計(jì)中，為有效抑制諧波對(duì)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(jì)專用的配電回路，避免諧波干擾沿線路引入；對(duì)電子設(shè)備采取屏蔽措施或遠(yuǎn)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(hù)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(duì)智能建筑諧波對(duì)稱性、獨(dú)立性及相序性進(jìn)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(diǎn)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(duì)智能建筑諧波治理的認(rèn)識(shí)和關(guān)注。

［1］柳華寧，王建伯，董志敏.諧波對(duì)電力電纜線路損耗的影響［J］.河北電力技術(shù)，2009，28（3）.

［2］劉洪斌，馬強(qiáng).智能建筑諧波畸變及防范［J］.自動(dòng)化與控制，2006（5）.

［3］陳龍.智能小區(qū)及智能大樓的系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2001.