賓館建筑的諧波防治

吳 顥

上海建筑設計研究院有限公司 上海 200041

為了滿足賓館的功能需求，越來越多的電氣設備在賓館中投入使用，其中存在著大量非線性用電設備。這些非線性用電設備的使用在提升賓館檔次和建筑品質的同時也不斷增加配電系統中諧波的含量。由此，這些諧波的危害和電能的浪費也逐步引起重視，諧波的治理也成為了賓館建筑能效提升的重要措施。

1 賓館建筑中諧波的基本原理

電力諧波 (harmonic wave)是指電流中所含有的頻率為基波（國標為50Hz）的整數倍分量，高次諧波的干擾降低了電力系統的電能質量，對于設備的安全可靠運行和電能的高效綠色的使用都十分不利。電力諧波主要體現為諧波電流及諧波電壓。諧波電流是由配電系統和電力設備產生并相加到基波電流上的一種異常電流。而由諧波電流和系統阻抗產生的電壓降，再相加到基波電壓上，則稱為諧波電壓。

1.1 賓館建筑中的諧波來源

諧波來源主要有電源端（電網）產生的諧波和賓館的非線性負載產生的諧波。電源端的諧波由外部電網向用戶側傳導，一般來說在賓館建筑的諧波中占比相對較少。賓館的電氣設備產生的諧波是賓館建筑諧波的主要來源，這類設備主要由整流設備、變頻設備、調壓設備等組成。賓館建筑常見的諧波源設備有氣體放電類燈具、調光燈具、燈具鎮流器；變頻風機、電梯、水泵；UPS電源系統；電動汽車充電樁等。這些在賓館建筑中常見的電氣設備是賓館建筑中諧波的主要來源。

1.2 諧波在賓館建筑中的危害

（1）對變壓器：諧波電流和變壓器的銅損正相關，諧波電流越大，銅損越大；諧波電壓和變壓器的鐵損正相關，諧波電壓越大，鐵損越大；由此使變壓器的工作噪聲和溫升都變大，使變壓器能效降低。

（2）對電機：由于諧波的作用，電機的轉子、定子以及鐵芯中會產生多余的損耗，這些損耗直接降低用電效率，降低電機使用壽命。

（3）對配電線路：諧波電流相對于基波電流來說是額外的異常電流，同時由于高頻電流在導體阻抗的疊加效應，高頻諧波電流將導致導體或用電設備過載過熱，無法工作在合理的設計值內。并導致絕緣損害、并聯諧振等風險，威脅用電的安全。

（4）對能耗計量：高頻諧波使能耗計量產生誤差。

（5）對用電操作安全：高頻諧波可能使斷路器在短路時無法有效跳閘，導致嚴重危害。

（6）對空間電磁環境：高頻諧波產生的空間電磁干擾，影響通訊質量。

1.3 從電磁兼容的角度分析電力諧波

諧波屬于傳導為主的電磁干擾，由干擾源、敏感設備、耦合途徑三個要素組成。從這三個要素和它們相互之間的關系分析入手，探索和總結賓館建筑的諧波防治的方法。賓館建筑的諧波干擾源分析：主要諧波干擾源是賓館中的非線性負載。敏感設備主要是賓館中的計量、通訊、控制、消防報警等較敏感的系統。諧波的干擾可能導致這些系統無法穩定工作。耦合途徑分析：賓館建筑的各類電器設備通過強電、弱電、接地等系統布線相互聯通，諧波等故障波形通過傳導干擾的方式在各個系統內部傳播。

2 賓館建筑中諧波防治的依據和限值

查閱《旅館建筑設計規范》JGJ 62-2014，并未有對諧波指標有明確規定，但分析酒管對供電質量和供電可靠性的要求，可以得出結論，賓館建筑對于電能質量的要求不低于國家標準，所以賓館建筑的諧波防治及限值應參考相關國家標準和規范的要求執行。

查找相關國家標準和規范可直接找到諧波的限值。公用電網諧波電壓（相電壓）限值見表1。公共連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量（方均根值）不應超過表2中規定的允許值。用戶側低壓配電系統諧波騷擾強度分級及其限值見表3。表1~表3寫明了可容忍的諧波的上限值，用于對諧波防治效果的考察。

3 賓館建筑的諧波防治的要點和常用方法

賓館建筑中的諧波防治主要有以下的作用：1）提升供電質量和供電可靠性。2）降低各類諧波導致的損耗，提高能效。3）滿足電網對用戶的考核指標。4）提升用電系統的安全性，降低隱患。

賓館建筑中抑制諧波的措施主要分為配電系統設計中的基礎技術措施和設置諧波抑制裝置。

表1 公用電網諧波電壓（相電壓）限值

表2 諧波次數及諧波電流允許值

表3 用戶側低壓電源系統中諧波騷擾強度分級及其限值（以基波電壓的百分比表示）

3.1 抑制諧波的基礎技術措施

（1）變壓器的接線方式：采用D/Y接線方式，3n次諧波會在一次側繞組內形成一個環流，而在二次側繞組的相電流中雖然有3n次的諧波，但是這些諧波的相位相同，無法在線電流中形成電流。D/Y接線的變壓器雖然不能直接抑制諧波，但卻可以有效限制3n次諧波在一次側繞組和二次側繞組之間的互相傳導，減少了電網對配電系統的干擾，從源頭上掐死電網諧波對賓館建筑的影響。

（2）配電系統的接地制式：在TN-S接地系統中，N線和PE線僅在變壓器二次中性點處進行一次可靠鏈接，這樣N線上的干擾僅僅只會發生在變電所內和PE線聯通并傳導，避免賓館建筑的諧波干擾源設備通過接地系統傳導出變電所，從而保護了其他設備。

（3）考慮電磁兼容的配電設計：

三相平衡設計：就是使用電負荷均勻地分布在三相上，尤其是干擾源的配電需要特別重視，當ABC各相上諧波的頻率和幅值相近時，N線上的諧波就會被有效抑制，從而降低整個配電系統上的電能損耗。

敏感設備和諧波干擾源設備分別配電：通過對所有用電設備的諧波特性的分析，將諧波干擾源和敏感設備分別用不同的變壓器或者不同的供電回路供電，可以有效降低配電系統之間的傳導干擾。

干擾源負荷集中布置：將非線性負荷進行集中供電，可便于諧波治理；并且將這些非線性負荷連接在靠近電源側的話，可有效減少干擾源負荷對下游設備的諧波污染。

設置隔離電源：設置隔離變壓器阻止諧波的傳導；設置獨立的UPS電源系統確保敏感設備（比如安保設備和消防設備）的電能質量。

3.2 設置諧波抑制裝置的方案

（1）加裝無源濾波設備，當無源濾波設備中LC回路的諧振頻率和某次諧波的頻率相同時，可阻止諧波向配電系統污染。適用于非線性負載較集中、穩定輸出同時特征頻率變動不大的諧波抑制。

（2）加裝靜止無功補償裝置，此舉的意義在于可以極大地改善電能質量，不僅僅只是諧波畸變。適用于非線性負載的功率變化較大且諧波嚴重時的諧波抑制。

（3）加裝有源濾波裝置，向配電系統中注入 “鏡像諧波電流”，這樣子，鏡像諧波電流與系統原有諧波電流相加就為零。適用于非線性負載較集中，運行復雜同時頻率波動較大的諧波抑制。

（4）加裝諧波的監測裝置和預留治理方案，賓館建筑的諧波往往有不可預見性，在各級配電系統適當加裝諧波的監測，并預留后期治理條件。

通過上面所說的諧波防治措施，可以在賓館建筑中有效地降低各次諧波對配電系統的危害，延長設備的使用年限，提高用電設備的經濟壽命周期，減少更換設備的費用，提升賓館建筑的能效。

4 賓館建筑的諧波防治案例

賓館的諧波防治設計是一個系統工程，首先是對賓館建筑的電磁兼容性分析，然后整體規劃諧波防治方案，并根據分析結果和治理方案確定具體的治理措施，最后進行治理效果分析和改進。圖1是某賓館建筑的配電及其諧波治理示意圖。

圖1 某賓館建筑的配電及其諧波治理示意圖

4.1 賓館建筑的電磁兼容性分析

（1）干擾源分析：各種調光燈具；燈具的鎮流器；變頻風機、電梯、水泵等大型設備。

（2）干擾對象分析：信息機房、火災自動報警系統、智能化系統（主要包括樓宇自控、門禁一卡通、視頻監控、無線對講、綜合布線、智能照明等）等。

（3）耦合途徑：配電系統；接地系統等。

4.2 諧波防治方案的整體規劃

首先采用D/Y接線的變壓器和TN-S接地制式。主要的干擾源和干擾對象均采用直接從變電所低壓總配電柜放射式配電，整體降低線路耦合帶來的干擾。分級在低壓總配電處、干擾源和干擾對象處設置或預留濾波裝置。

4.3 某賓館建筑的諧波治理實例

變頻風機、電梯、水泵和主要智能化系統均采用放射式配電，綜合考慮一次投資和節能效果，在末端預留濾波設備安裝空間（示意圖中，預留濾波設備2和預留濾波設備3）。在1600kVA變壓器低壓側安裝200A有緣濾波裝置，諧波治理的目標值THD%不大于10%。

濾波設備工作前，變電所低壓側現場測量的電流畸變率在18%左右，如表4；濾波設備投入工作后的變電所低壓側現場測量的電流畸變率分別為5.3%、4.6%、4.9%，如表5。現場的測量數據截圖如圖2~圖5。

表4 治理前變電所低壓側諧波數據

表5 治理后變電所低壓側諧波數據

圖2 治理后變電所低壓側電流與電壓畸變率

圖3 治理后變電所低壓側A相各次諧波電流

圖4 治理后變電所低壓側B相各次諧波電流

圖5 治理后變電所低壓側C相各次諧波電流

5 結論

通過對賓館建筑的電磁兼容性分析，并根據分析結果制定了諧波治理方案。諧波治理方案基本達到了設計預期，實際測量諧波電流畸變率大約降低了70%，達到了國家規范所規定的指標，驗證了前述辦法的有效性，減少了更換設備的費用，提升了賓館建筑的能效，并為以后其他賓館建筑的諧波防治提供了切實可行的方法。