建筑配電系統諧波與防范方法研究

阿榮江

近幾年來，隨著我國電力電子技術的快速發展，各類電力電子設備在社會各行各業上都到了廣泛的應用，比如工業領域、建筑領域等，極大地方便了人們的生產生活，但是也使得由電力電子設備所產生的電網諧波危害逐漸凸顯，愈發受到社會各界的廣泛關注。世界上對于電網質量的評價將不僅僅局限于對于電網頻率和電壓穩定性的分析，對于諧波也有了不同的標準和限制，據相關統計，各個行業中所產生的配電系統諧波問題中，以建筑配電系統諧波污染問題最為嚴重，所以本文將對其進行分析，并討論相應的抑制方法。

隨著用電電器設備的不斷增加和發展電網諧波危害逐漸凸顯，愈發受到社會各界的廣泛關注。世界上對于電網質量的評價將不僅僅局限于對于電網頻率和電壓穩定性的分析，對于諧波也有了不同的標準和限制。據統計，各個行業中所產生的配電系統諧波問題中，以建筑配電系統諧波污染問題最為嚴重，所以本文將對其進行分析，并討論相應的抑制方法。

我國城市化進程正在不斷加快，由于電力電氣設備的應用增加許多問題逐漸滋生，比如：由于電氣火災、電容器燒損、變壓器過載超溫等，這些問題出現的原因大多與供電系統中的諧波問題有關，所以諧波的危害已經成為城市建設中不容忽視的重要問題之一。

在抑制和治理諧波的過程中，確定諧波源的存在和分析其諧波特性是采取正確措施的關鍵。諧波的抑制和治理就成為電氣工程師必須面對的問題，現在部分年輕工程師們因經驗不足、不會計算諧波電流或為了趕設計周期不太重視諧波源的分析，筆者經過多年的實際設計工程經驗進行了分析其諧波的特性，對相應的電氣設計同行們相互淺談一下。

一、建筑配電系統諧波分析

1.諧波的定義

建筑配電系統內對于諧波的定義認為是周期性、非正弦電量按照傅立葉級數進行級別劃分，不僅會獲得與電網繼波頻率相同的數值，也會獲得一系列大于整個電網的基波頻率數值，這些數值將被統統一命名為諧波。電力配電系統中與諧波失真相關聯的現象有：過電壓或欠壓問題；斷路器跳閘；通訊干擾；線纜升溫；圖絕緣故障等等。

2.諧波的危害表現

一方面，建筑配電系統諧波在電力網絡內有很強的敏感性，會在整流元件上發生諧振，進而造成部分區域內諧波電流迅速放大，增加了電壓產生諧振過電流和過電壓數值，這樣就會導致電氣電子設備出現錯誤操作，測量儀數值表現上出現偏差，甚至會導致電器設備或者電子元件遭受損壞而出現故障；另一方面，諧波會產生強烈的電磁干擾，使整個電網系統的通信質量受到負面影響，進而導致整個電網系統相關的自動裝置出現混亂，無法有序工作。

二、建筑配電系統中的諧波源分析

建筑配電系統中的諧波往往產生于發電環節、輸電環節、供電環節和用電環節任何一個環節之中，但是一般情況下，諧波增加幅度最大的時候是在電網系統用電量最高的時候，電力諧波來源于電網系統中各類非線性元件，一般情況下可以分為兩種。

1.非線性電光源

該元件主要是指在氣體放電燈等區域內發光燈所出現的光束來源。比如，城市建設中常見的熒光燈、霓虹燈、二極管燈、鈉離子燈、金屬鹵化物等，這些燈的發光原理都需要來自輝光弧光燈放電裝置，而這些裝置在放電過程中就會產生大量的諧波，為了保障整個發電過程的穩定性，必須使用到鎮流器。對于鎮流器的使用，無論是電感式鎮流器，亦或是電容鎮流器，甚至是現在最為先進的電子式組合鎮流器，在消除諧波上都無法完全發揮出作用，即便是通過組合型的增加鎮流器設備，也仍然會使這些光源中至少還存留十分之一以上的三次諧波。

2.整流設備及開關電源

電網系統中出現諧波的關鍵性裝置往往來自整流設備，整流設備中是由多個整流元件所組成，這些元件會通過硬性短路或者是阻斷電流等方式來完成一些功能，而這樣的過程就會導致諧波出現。原則上整流設備產生諧波的頻率往往會為某一相數的整數級倍數，同時會出現裝置中的電流量與諧波出現的頻率成反比例關系的情況。以單相整流電為例，單相整流電路中的三次諧波的含量可以達到擊波的三分之一左右；五次諧波的含量可以達到幾撥的五分之一左右；三相全控橋式六脈整流器電路中五次諧波含量則能夠達到擊波的五分之一左右。

隨著技術的快速發展，現代電子設備得到了廣泛應用，比如電視機、空調、計算機等，這些電器電子設備都會使用開關電源，開關電源會將傳統變壓器、整流器等設備功能直接變化成供電電源功能，成為可以直接控制的整流設備，通過采取存儲電容器進行充電的方法實現斷電或者供電的功能，在這樣的過程中，高頻脈沖寬度調制信號控制開關會在相同的時間內，共同輸出多個渠道的直流電流，并通過調整脈沖寬度調制信號控制開關，進而實現穩定輸出的目的。這樣的過程中將導致無法從供電電源中獲取穩定的、連續性強的陽極電流，只能夠獲得一定量的脈沖電流，這樣就會導致三次甚至是更高次數的諧波數量增加。傳統的開關電源設備，相較于傳統整流設備在諧波含量上會更為突出，但是現代科學技術的發展，對相關裝置進行模塊化和諧波隔離技術的融合建設，已經可以有效地降低諧波含量。

3.家用電器諧波分析

本文主要分析的是電視機、空調機以及計算機等常用家用電器的諧波情況。

電視作為日常家居環境中產生諧波問題最大的家電設備，其原理是單相橋式整流電容平波電路構架，各個電路設備需要等到整流電壓大于電容器儲值電壓時，才能夠實現信息傳遞的目的，所以只有在陽極電流的開端才能夠完成電路流通功能，其中最顯著的優勢是電視機產生的諧波一般都為奇次諧波，同時諧波最大值與基波最大值是相同的，相同電源環境下，同時供電數臺電視機設備所生成的諧波也應該是相同的，所以使用級別越高，整個電網系統中的諧波影響就越為突出。

隨著城市熱環境壓力愈發明顯，城鎮居民對于空調的依賴度也在逐漸攀升，許多城市空調電能損耗穩居榜首，由空調設備所生成的諧波問題也會受到空調機運行方式的不同而發生變化，如果只開空調中的風扇功能，諧波含量一般為百分之九以下；空調在制冷時，諧波含量一般在百分之三十以下；制熱時則能夠達到百分之三十左右。

信息時代的到來，使得家庭和辦公單位的電子計算機得到了廣泛的應用，大多數情況下，電子計算機設備在用電量上和由其產生的諧波電流，大多都是來自顯示器運行時所導致的，這一點與電視機十分類似，電子計算機如果是整機運行，相較于只讓顯示器單獨運行而言，諧波含量只有輕微減少，另外與電子計算機搭配使用的打印機、游戲機、傳真機等所產生的諧波表現也會與計算機表現一致。計算機諧波含有率較高，所以就會導致一些特殊的時間段內出現諧波高峰，諧波危害程度也會攀升，所以對此造成的諧波問題也必須給予關注。

三、建筑配電系統諧波防范措施建議

1.改善供配電結構

應該盡可能地選擇諧波含量較低的電氣裝置，將產生諧波負荷問題量不同的各類用電設備進行靈活搭配使用，將這些設備會分布在不同線路的供電結構中，同時運用諧波互補原理，能夠通過巧妙的手段實現在一定程度上降低電網諧波含量的目的。

根據《民用建筑電氣設計標準GB51348-2019》第22.3.2條相關要求寫的很明確，根據諧波源和非線性負載的性質來采取不同治理諧波的措施。

建議優先使用Dyn11接線組別的配電變壓器，當然選擇變壓器容量時根據《民貴》要求降容系數D值計算后變壓器的實際負載率應在合理范圍內確定，使能夠削減三次諧波分量，是抑制諧波最為常用的方法之一。變壓器不能是純線性的設備，在工作時，變壓器會向電網內輸入諧波，尤其是變壓器處于重載或輕載狀態時，變壓器會向電網內輸入的諧波量會更多，所以對于變壓器容量選擇時，應該考慮到用電設備的諧波問題，應該使變壓器與用電設備的諧波負荷量相匹配，適當地提高諧波負荷的配線截面，能夠有效地降低阻抗，進而實現降低諧波電壓畸變的目的。功率因數補償電容器組可按其連接點的諧波特征頻率配置電抗器。

2.安裝濾波器

為了實現防范配電系統諧波的作用，濾波器應該安裝在非線性負荷側母線上，利用固有的頻率共振原理，可以實現吸收諧波源的目的。常用的諧波器包括兩種類型，分別為調諧濾波器和高通濾波器。調諧濾波器主要的功能價值使可以協調某一級別的頻率，并建立起為建立低阻通路，可以運用在幅值高的諧波濾波上，也可以運用在濾波器協調功能上；高通濾波器一般應用在抑制諧波功能上，可以調控更高層次的諧波或者福值更小的低次諧波上。

四、結語

本文主要對建筑配電系統諧波類型進行了分析，并討論了諧波的污染問題，我們可以發現諧波問題所帶來的污染雖然日益加劇，但是只要給予充分的重視，采取恰當的方法，提高防治措施的力度，仍然可以有效地控制諧波危害，使其降低到可接受的程度。所以廣大業界人士應該積極地加強技術應用能力，充分了解與分析諧波產生的原因，并采取主動防范的方式降低諧波危害，更好地保障城市建設，提高國家電網的應用效益。