民用建筑电气中谐波污染及治理方法浅析

宋海英 周日红

（1.中国联合工程公司 浙江 杭州 310022；2.高地〈杭州〉房产开发有限公司 浙江 杭州 310000）

随着科学的进步和人们生活水平的日益提高，越来越多的电力电子产品应用于日常生活中，这些非线形负载，致使电力电网中产生大量的谐波。这些设备产生的谐波对电网质量、电器设备、通讯系统等有很大危害。因此，谐波的测量、治理与抑制谐波意义重大。

在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致，非线性负载即谐波源。民用建筑电气中，主要的谐波源有（1）照明系统中的照明镇流器、调光设备（相位角控制器）。（2）计算机、复印机、打印机等办公自动化设备。（3）UPS不间断电源及开关电源。（4）电梯、水泵、空调等动力设备中普遍应用的变频传动装置（VFD）（5）其他非线形家用电器和电子设备。当电流流经这些负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,即电路中产生了谐波。非正弦波通常是周期性电气分量，,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是非正弦波,每个谐波都具有不同的频率,幅度与相角。谐波频率是基波频率的整倍数，按谐波次数可以分为偶次谐波与奇次谐波。在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。故奇次谐波对电力系统的危害更大。对于三相整流负载,出现的谐波电流是 6n±1 次谐波,例如 5、7、11、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波。谐波具有叠加性，例如当电网中仅有3次谐波出现时，对原有正弦基波波形影响如图1所示；当3次、5次谐波同时出现时，就会使正弦波明显地发生了变化，影响如图2所示。

图1 u1、u3及其叠加波形

图2 u1、u3、u5及其叠加波形

如果继续叠加，原正弦波就会发生质的变化。可见，谐波对电网影响之大。

民用建筑电气中，谐波对电网的危害主要有:

（1）增加了变压器和用电设备的附加损耗。

由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，集肤效应、磁滞、涡流也更大，变压器的铜损、铁损也更大，从而增加了变压器的、电能损耗。谐波电流还会引起变压器外壳、外层硅钢片和某些紧固体的发热。变压器的发热程度直接影响变压器使用容量，有可能引起变压器局部严重过热，形成额外温升而要考虑降容问题。

（2）电源对现代建筑输电线路影响大。

谐波流过电力电缆时，因电缆的分布电容可放大谐波，电缆的集肤效应加重，使电缆过热，附加损耗增大，电力电缆载流能力降低或烧坏导线，引发火灾。同时，高次谐波含量较高的电流将使断路器的分断能力降低。这是因为当电流的有效值相同时，波形畸变严重的电流与正弦波形的电流相比，在电流过零处的可能较大。当存在严重的谐波电流时，某些断路器的磁吹线圈不能正常工作，开断将更为困难，而且由于开断时间延长而延长了故障电流切除时间，容易造成电弧重燃，发生短路，甚至断路器爆炸。

（3）影响电力测量仪器仪表读数的准确性。

电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下，当采用电子式电能表计量时，非线性负荷端，电能表除记录了负荷吸收的基波电能外会扣除一小部分谐波电能，从而谐波源虽然污染了电网，却反而少交电费；而与此同时，在线性负荷端，电能表记录的是负荷吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。

（4）谐波会影响办公、民用低压电器的正常运行，使设备过热，降低设备的效率和利用率。

计算机、绘图仪、打印机和很多家用电器、灯具既是小型或微型谐波源，又是受谐波有害影响的电器。谐波会使计算机数据丢失程序出错，影响自动控制的家用电器的正常工作，如电视机、收音机、洗衣机等荧光灯的伏安特性是严重非线性的，因此会引起严重的谐波电流，其中3次谐波电流含量最高，同时电网中的谐波叉会使日光灯、白炽灯异常发热减少使用寿命，特别是对白炽灯光源的的影响，美国tES照明手册指出，若谐波引起电压升高5%，则白炽灯寿命降低47%。

（5）对通信系统产生干扰。

谐波对通信系统的干扰是一个在国际上被十分重视的问题，对此已进行了充分的研究。谐波会对邻近通信线路产生谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰，谐波干扰会引起通信系统的噪音，降低信号的传输质量，降低语占或图像的清晰度，干扰严重时会破坏信号的正常传递，引起信号的丢失，使系统无法正常工作。在电力线载波通信的系统中，由于谐波的影响，造成系统误动作，甚至无法运行。电力网中的平衡电流一般对通信系统影响不大，而不平衡电流，特别是不平衡谐波电流对通信系统可能产生严重的干扰。

认识到谐波的危害，对配电网中的高次谐波的测量与治理十分的重要。谐波测量应在最严重的条件下进行。谐波的测量方法有:基于傅立叶变换的测量方法;基于瞬时无功功率理论的测量方法;基于神经网络的检测方法;基于小波分析的检测方法.以上方法是目前谐波检测的主要方法，我们可以根据不同的情况选择测量算法。傅立叶算法是目前谐波测量中最基本的方法，广泛应用于谐波测量仪器当中；以瞬时无功功率理论为基础，可以得出实时检测有源电力滤波器的谐波和无功电流的方法，也可应用于无功补偿等谐波抑制领域；小波分析和人工神经网络是目前谐波测量方法的热门问题，是正在研究的新方法、新理论，它可以提高谐波测量的实时性和精度。随着电网中非线性负荷的增多，谐波污染日益严重。今后的谐波测量算法应该从简单的函数分析方法向复杂的数值分析和信号处理方向发展，同时这些算法应该是智能化的。谐波测量装置，按测量功能分有频谱分析仪和谐波分析仪。民用建筑电气中，根据测量得出:荧光灯、紧凑节电灯、电脑、电视、电冰箱、洗衣机、单相变频空调等，谐波电流的特征频率为3、.5、7次，而3次最大；三相变频调速风机、水泵、电梯谐波电流的特征频率为5、7、11次，而5次最大。抑制谐波方法基本思路有三，其一是装设谐波补偿装置来补偿谐波，其二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，其三是市电网络中采用适当措施来抑制谐波，具体方法有以下几种:

（1）安装适当电抗器

变频器输入侧功率因数取决于装置内部AC-DC变换电路系统，可利用并联功率因数教正DC电抗器，电源侧串联AC电抗器方法，使进线电流THDV大约降低30%-50%，是不加电抗器谐波电流一半左右。

（2）装设有源电力滤波器

除传统LC调试滤波器目前还应用外，目前谐波抑制一个重要趋势是采用有源电力滤波器。它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等，方向想反补偿电流，使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统影响，无谐波放大危险，倍受关注，日本等国已获广泛应用。

（3）采用多相脉冲整流

条件允许或是要求谐波限制比较小情况下，可采用多相整流方法。12相脉冲整流THDV大约为10%-15%，18相脉冲整流THDV约为3%-8%，满足国际标准要求。缺点是需要专用变压器，不利于设备改造，价格较高。

（4）使用滤波模块组件

目前市场上有很多专门用于抗传导干扰滤波模件或组件。这些滤波器具有较强干扰能力，同时还具有防用电器本身干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。

（5）开发新型变流器

大容量变流器减少谐波主要方法是采用多重化技术。几千瓦到几百千瓦高功率因数整流器主要采用PWM逆变器可构成四象限交流调速用变频器。这种变频器输出电压、电流为正弦波，输入电流也为正弦波，且功率因数为1，还可以实现能量双向传递，代表了这一技术发展方向。

（6）选用D-YN11接线组别三相配电变压器三相变压器中把高压侧绕组接成三角形，低压绕组为星型且中性点和“11”连接以保证相电动势接近于正弦形，避免相电动势波形畸变影响。此时，由区低压电网供电220V负荷，线路电流不会超过30A，可用220V单相供电，否则应以220/380V三相四线供电。

总之，一般住宅建筑，尚未发现谐波造成严重后果实例的报导。现阶段，可不考虑以滤波器抑制谐波而宜采用调谐滤波电容器。但对于公共建筑和通讯机楼，数据中心应装设调谐滤波电容器组。在设计阶段，当无法估算谐波值时，不应盲目地采用有源或无源滤波器，或采用调谐滤波电容器组。需系统运行之后，根据实测谐波量，再确定谐波抑制办法。

［1］宋文南,刘宝仁.电力系统谐波分析[M].北京:水利电力出版社，1995.

［2］王兆安,杨君.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社，1998.