建筑电气设计中电源谐波问题研究

杨继春

摘 要：电压、频率波动和谐波所占的比重是判断电能质量好与坏的重要因素。在建筑电气设计中电源谐波问题时常发生，对建筑电气系统造成严重的谐波污染，影响供电质量，也给建筑附近的设备和通讯系统造成威胁。文章主要研究建筑电气设计中电源谐波问题的危害和治理措施。

关键词：建筑电气设计；电源谐波；危害；治理

1 建筑电气设计中电源谐波问题的危害

1.1 电源谐波能使变压器的铁损、漏磁损耗和铜损增加，引起变压器发热。电源谐波的频率越高，集肤效应越明显，各种损耗越严重。除了变压器发热，电源谐波还会造成紧固体、变压器外壳和外层硅钢片发热。变压器的使用容量受变压器发热的影响，变压器发热越严重，使用容量越少。如果变压器发热过于严重，还会造成额外升温。谐波源产生的谐波会流经变压器，谐波的振动对变压器造成损害。电源谐波还会使变压器工作时的噪声变大。

1.2 旋转电机也受到电源谐波的影响，电源谐波使旋转电机产生转矩、附加损耗，产生振动、噪音等现象，与机座之间发生共同振动，对设备造成破坏。电源谐波的电压、旋转电机不同的结构和型号都会影响危害的轻重。电动机设备受电源谐波的影响引起附加热损耗，干扰力矩会使电动机产生启动困难现象，降低运行效率。电动机内电源负序谐波一旦过量，会在机体内形成反转磁场和制动力矩，损坏电动机。电源谐波也会使发电机过热，降低运行效率。

1.3 电容器额外功率受电源谐波电压的影响出现损耗，电源谐波的频率越大，容抗越少，形成的过电流会使绝缘老化的速度加快，绝缘击穿出现的故障随之增加。电网中的其他部分与电容器之间受电源谐波的影响出现谐振。如果电网系统内存在较强的电源谐波、各个系统参数与电网不能有力配合，就会出现并联谐振谐波或串联谐振谐波现象，引起过电流事故和过电压事故，使电容器遭到破坏、熔断熔丝，对电网设备造成再次损害，导致严重事故。电源谐波问题还会减少电容器的使用寿命。电源谐波频率越高，电容器的阻抗能力越低，产生事故的可能性就越高。

1.4 电源谐波对电网中基波频率为基础过零检测的敏感性电子设备和电子电源造成影响，还会引起办公自动化、消防报警、安全防范和楼宇自动化等电气系统电子装置工作出现失误，影响工作效率。

1.5 电源谐波会引起电缆损坏。电缆中的电容促使谐波电流不断增大，当谐波电流经过电缆时，电流的不断增大又会引起集肤效应加重，从而使电缆发热、增加附加损耗。温升增大、绝缘局部放点和介损都会对电缆造成破坏。谐波对电缆造成的破坏危险性与电缆额定等级有关，额定等级越低，破坏危险性越小。谐波电流的电压会导致电压波形出现畸变，从而使线路不能正常工作。

1.6 电源谐波还会影响电网中的开关设备，使其开断能力降低，延长开断时间，从而延长了对故障电流及时切除的时间，降低工作效率。电源谐波还会使电网系统中的自动控制装置和继电保护装置出现拒动或误动现象，使大面积地区出现停电事故。

1.7 电源谐波会对电网周围的通讯系统造成干扰。其中谐波电流和谐波电压的大小，通讯电路抗谐波干扰的程度，通讯线路与电力线路的静电感应、传导耦合和电磁感应强度决定了电源谐波对通讯系统干扰的程度和大小。受到电源谐波影响的通讯系统无法保持正常工作，信号数据的传输速度和质量会严重下降，传输图像或语言的清晰度严重降低，通讯时会产生严重的噪音，严重时会导致信号数据丢失，信号之间不能正常传递。

1.8 电源谐波对建筑内办公电器、民用电器等的正常工作和使用寿命造成影响。很多办公电器、民用电器都是谐波源，同时又受电源谐波的影响，如打印机、计算机、收音机、电视机等。

2 建筑电气设计中电源谐波问题的治理措施

2.1 有源滤波器是一种新型的电子装置，可以动态的对电源谐波进行抑制，对动态的无功进行及时补偿，能够实现动态跟踪、补偿无功和电源谐波。与传统的无源滤波器相比，电力有源滤波器是一种高次电流源，不会产生共振，电力系统的阻抗能力对其没有影响。有源滤波器利用电流互感器对负载电流进行及时检测，使用内部DSP对检测结果进行计算，对电流中包含的电源谐波进行提取后，将电源谐波通过PWM信号传送至内部IGBT，内部IGBT接受电源谐波后控制逆变器会根据电源谐波电流的大小产生一个相等的电流，将产生的电流反方向注入至电网内，达到过滤谐波的效果。有源滤波器的选择应当合理，滤波器中电流互感器的工作电压应当与线路额定的电压一致；当电流互感器额定电流超过线路的负载电流时，电流互感器的电流应当是线路电流的1.5倍或2倍；为了保证计量精确和施工方便，一般选择开合式0.2级电流互感器。

2.2 高功率因数整流器是对传统电力系统中整流装置的进一步改进，达到电压电流同相、降低电源谐波的目的。利用电力系统中整流装置多重化的特点和矩阵式电路，首先采用串联方式将多个桥式电路进行联结，减少电源谐波，并且保证输入电流与电压之间同相。

2.3 谐波保护器是采用磁性方法对电源谐波的能量进行吸收，从而减少电源谐波对电网系统造成的危害。常用的谐波保护器是PHD，PHD的电路由多种新型材料和超微晶材料组成，能够实现在谐波源消除谐波，对各种频率的谐波进行吸收，对电源谐波进行干扰，达到消除噪声及电源谐波的目的。

2.4 混合型滤波器是一种混合型的滤波器组，将无源滤波器与有源滤波器进行相互融合，有源滤波器的直流电容器可以为滤波器组提供较为稳定的直流电压。利用两种滤波器各自的优点对电源谐波进行干扰、消除。

2.5 HTHF无缘谐波滤波器是一种新型的设备级滤波器，能够降低电源谐波电流的畸变率，使畸变率达10%以下，最低能达5%以下。HTHF无缘谐波滤波器从根本上对电源谐波问题进行治理，不会造成其他不良影响，具有技术成熟、功率容量较大、可靠性较高、使用简便等优点。HTHF无缘谐波滤波器选择时只需要了解应用设备的工作功率和电压，直接选择合适的滤波器，安装时不需要调试和现场维护，实现即装即用，节省大量的调试时间和维护时间。

3 结束语

建筑电气设计包括两方面，即建筑强电系统设计和建筑弱电系统设计[3]。建筑强电系统设计主要对照明系统、供配电系统和接地系统进行设计，建筑弱电系统设计主要对有线电视系统、安全防范系统、会议系统、综合布线和自动化设备系统等进行设计。无论是在强电系统设计还是在弱电系统设计中，电源谐波问题是不可避免的。电网中存在很多非线性负载谐波源，如电解槽、计算机、整流器和充电器等，电网中配电变压器自身具有谐波含量，这些都会产生较严重的谐波问题。只有从根本上对谐波进行治理，才能减少谐波危害，改善供电质量。笔者查阅了大量的资料，从危害和治理措施两方面对建筑电气设计中电源谐波问题进行研究，总结了电源谐波问题对变压器、旋转电机、电容器、电子设备、开关设备、通讯系统及各类电器的危害，从有源滤波器、高功率因数整流器、谐波保护器、混合型滤波器和HTHF无缘谐波滤波器五方面提出治理谐波的措施，供广大学者参考。

参考文献

[1]程毅，刘仕杰，刘晟楠，徐日升.对现代建筑电气设计中几个问题的探讨[J].黑龙江科技信息，2012，15（12）：58-59.

[2]康立秋，孙春风，张海博，彭丽君.论现代建筑电气的节能设计[J].科技与企业，2012，13（18）：54-55.

[3]李靓熙，李师岩，高发亮，杨瑞霞.浅谈建筑电气设计中存在的问题与处理[J].煤矿现代化，2012，15（19）：63-64.