智能建筑谐波问题研究与治理

文│ 江苏建筑职业技术学院 侯文宝 李德路江苏省水利勘测设计研究院 王春明

1 引言

近年来，随着我国经济与技术的发展，智能化的写字楼、商用和民用大厦等建筑已成为当今建筑发展的潮流。智能建筑物内传统线性的照明负荷和其他线性负荷所占比重逐年减少，电力电子设备、开关电源、变频设备、电子镇流器等非线性设备的使用量日趋增多，使得其配电系统中的谐波问题日趋严重。根据日本国内的一项调查研究数据[1]显示，电网的谐波约有40%来自于建筑用电系统。建筑配电系统产生的谐波已然成为城市公共电网的主要谐波污染源。因此，对智能建筑配电系统中谐波问题的研究和治理越来越受到人们的重视。

2 智能建筑用电负荷特征和谐波产生原因

2.1 用电负荷特征

（1）单相设备多，其用电负荷约占总容量的70%，采用单相供电造成三相配电负荷不平衡，中性点偏移。

（2）绝大多数用电设备为非线性负荷。其中大量使用的开关式电源、计算机、打印机、复印机、电视机、升降机、节能灯具、UPS 等是智能建筑配电系统中主要的谐波源和波动源[2]。这些设备大多容量较小，但是数量很多，整体对电能质量的影响很大，不容忽视。

（3）智能建筑中的非线性负荷的谐波含有率高，有研究表明[3]：计算机、彩色电视机、变频空调、变频冰箱、音响的谐波畸变率分别高达129%、79%、46%、97%、68%。

（4）大多数用电设备如楼宇智能化设备、通信设备、办公自动化设备等对供电质量要求高，特别是对谐波比较敏感。

2.2 谐波产生原因

智能建筑中谐波主要来自于两方面，一是大量非线性负荷形成的谐波源，导致配电系统的电压、电流发生畸变，产生谐波；二是公用电网本身具有一定的谐波含量和配电变压器作为谐波源产生的谐波，由网侧传输至配电系统。

3 谐波的主要危害[4]

（1）谐波电流过大，会使电力变压器、电力电容器及各种家用电器附加损耗增大，导致绝缘过热，老化加快，影响设备寿命，严重时将烧损设备。变压器流过谐波电流时，在变压器绕组、铁芯、变压器箱体中引起额外的损耗，其中绕组中损耗最大，使外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，并有可能引起局部的严重过热，噪声增大。

（2）谐波（特别是3次及3的整数倍谐波）电流过大，将导致三相四线制低压供电系统中通过中性线的电流大增，使负载中性点与电源中性点之间出现电位差。中性点位移导致三相电压严重不对称，接在某两相上的负载由于电压升高而烧损，另一相上的负载又由于电压过低不能正常工作。如果因为电流过大，将中性线烧断，则负载中性点位移更严重，三相电压不平衡度更大。

（3）谐波过大可能引起电力系统的保护装置误动作，造成大面积停电。

（4）谐波过大还会给通信设备、无线电收发、计算机的正常运行带来干扰，使其动作不灵或出现错误。

（5）谐波过大，使电能计量仪表产生更大的误差。因为高频电流将在金属部件上产生涡流，影响电度表的驱动力矩、制动力矩及相位角，使电度表计量不准。

4 谐波治理

综上所述，建筑物配电系统谐波问题是不容忽视的，在建筑电气设计中和后期电气系统的管理中，进行谐波治理的方式主要有以下几种，分别介绍。

4.1 消除谐波源

从源头上消除谐波是最有效的办法。国家已经颁布了各类电气设备的限值标准，但在实际应用中执行情况并不理想，不少生产厂家和用户对此重视不够，即使能够提供谐波检测报告，也与实际应用的产品存在一定差异。但是经过经济技术发展，大量高功率因数字设备已经研发出来并得到推广，大大减少了供电系统中的谐波含量。

4.2 采用Dyn型配电变压器[5]

在Dyn联结组变压器中，3n次谐波励磁电流在其接线的一次绕组内形成环流，不注入到公共的高压电网中去，较一次绕组Y 接线的Yyn联结组变压器更有利于抑制谐波。这种措施可以阻断3n次谐波的上传路径，对公共电网的益处很大，从而促使Dyn联结组变压器成为低压配电变压器中的绝对主流，但它对低压侧的谐波并没有抑制作用，低压侧谐波需另行解决。

4.3 装设谐波滤波器

（1）无源滤波器

无源滤波器利用电容、电抗、电阻元件构成谐波电流滤波器，也叫LC滤波器。在谐波频率下，为低阻抗回路以吸收谐波，在基波频率下，提供无功电流以改善功率因数。无源滤波器用于谐波电流和无功负荷比较稳定，自然功率因数又较低，频谱特征明显，谐波集中于连续的三种或间隔相同（如3、5、7 次）的系统中的谐波治理。由于价格低廉，这种方式至今还在大量应用。

（2）有源滤波器[6]

有源滤波器是通过逆变器产生一个与系统中各次谐波大小相等、相位相反的谐波电流注入电网中，以达到消除谐波的目的。但其也存在不足，首先，有源电力滤波器虽然谐波抑制和无功补偿性能出色，但受电力电子元件的影响，有效容量较低；其次，它造价昂贵，且价格随容量以平方倍增加，这就为有源电力滤波器的推广设下了巨大的障碍。

（3）混合型滤波器

混合型滤波器结合了无源滤波器和有源滤波器的优点。混合型滤波器通常是将系统中谐波电流大的恒定部分由无源滤波器过滤，而其小谐波电流及波动部分由有源滤波器处理，以节约总体造价。

（4）用户侧谐波保护器

可以随时跟踪电压波形，瞬时滤除电源中的尖峰、浪涌杂波，矫正因谐波影响而产生畸变的电压波形，对噪声进行消化并把被吸收的噪声能量部分返回到电网中，以矫正电网波形。其体积小可导轨安装，可用于电话、网络机房、有精密仪器、对谐波敏感的场所。

5 结束语

综上所述，智能建筑中的谐波带来严重的危害和不良的影响，而针对谐波治理的新技术、新产品也在不断涌现。谐波的复杂性、多样性、可变性，决定了谐波治理还会在相当长的时间里成为人们探索研究的一项重要课题。抑制谐波已成为供配电系统设计中一项不可缺少的重要内容，需要不断地摸索规律、总结经验，最终的目的是针对不同的工程，选用适合的治理方法，安装在合理的位置，将谐波的影响控制在最小的范围内。

1 A.Gole，L.Palav.Modeling of custom power in devices PSCAD/ EM T DC.Central J，1998

2 陈龙. 智能小区及智能大楼的系统设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2001

3 李令冬，张昊，等.城市楼宇供电系统中的电能质量问题[A].2002

4 王兆安，杨君，刘建军.谐波抑制和无功功率补偿.北京：机械工业出版社.1998

5 欧阳明. Dyn11配电变压器的经济性能分析[J].变压器，2002（06）

6 李德路，李姗姗，侯文宝，等.基于三维空间矢量脉冲宽度调制的三相四线制有源电力滤波器[J].低压电器，2011（12）