现代建筑中电气谐波治理探讨

刘亚龙 李清

摘要：谐波问题是建筑电气设计中的常见问题，它的存在不仅会对电力系统的运行产生影响，还对电力企业的经济效益和社会效益的提升造成了严重的阻碍，是我国电力事业进一步发展的绊脚石和拦路虎。如何有效治理谐波污染是电力发展的重要课题。本文就谐波污染的来源、危害以及目前常见的治理措施及其应用效果进行简单的探讨，以求对电力产业的发展、电力从业人员的电气设计提供一定程度的帮助。

关键字：谐波污染；建筑电气设计；治理措施；应用分析

中图分类号：F407文献标识码： A

引言

在电力电子技术不断发展的现代社会，无论是工业生产还是人民生活都离不开电力资源。但是电气系统中的谐波污染给电力资源最大效益实现和供电质量的提高都造成了严重的影响。同时，电力系统的运行过程中，如果出现短暂性的障碍，即使是局部的短路问题，谐波污染也会加重并影响电力系统的整体运行。因而，在建筑电气设计的过程中，如何有效规避谐波污染的危害，最大程度降低谐波污染的影响已成为电力设计从业人员的重点研究方向。谐波污染治理的难点在于其发生的随机性、不可预测性、不可重复性，尤其是在现代智能建筑中，对谐波污染的有效治疗，是各种精密电子设备和装置使用正常、寿命正常的有力保障。

一、治理谐波的重要意义

谐波现象早就存在，而对谐波治理的研究和工程实施主要集中在功率较大的工业设备。随着楼宇自动化进程的不断发展，形式多样的非线性负载，如计算机、荧光灯等非线性设备在办公楼宇等民用建筑中得到了广泛应用，这些非线性设备产生了大量的谐波，正日益成为低压配电系统主要的谐波源，非线性负载产生的谐波电流如果不加抑制直接注入系统，必然引起电网波形畸变，导致变压器发热，增加电网网损，造成电能浪费，给电网安全运行带来影响。因此，就谐波治理方法在建筑电气设计中的应用进行探讨具有重要的意义。

二、谐波污染的主要来源

谐波的来源大致可分三类，一类是公用电网和电力设备本身可看作恒定的谐波源，一类是变压器非线性负荷形成的谐波源，一类是电器中数量较多的励磁电流构成的高次谐波。

1、公用电网和电力设备本身可看作的恒定谐波源

一般认为，公用电网本身具有一定的谐波含量；而随着各种高新技术在电力系统中的广泛使用，这些电气设备的结构特性和工作方式决定了其本身也会产生固定的谐波含量。公用电网向各配电系统输电的同时，会将本身的谐波含量通过配电系统进行传输。所以，这些可以看作恒定谐波源的网路与设备产生的谐波进入整个电力系统的时候，系统内会产生谐波压降，谐波压降又会进一步使系统中的电压发生畸变，影响系统的正常运行。

2、变压器非线性负荷形成的谐波源

变压器中的谐波主要来自于磁路的非线性电感。变压器中的励磁电流中有非正弦波，包括一些尖顶波、平顶波，而这些波形中的奇次谐波有不同程度的存在。在实际应用中，变压器中的谐波含量通常是比较低的，当然，这要求变压器处于正常的工作状态；一旦出现额定电压空载或轻载状态时，变压器中的励磁电流降低，谐波含量升高。

3、低压电器中数量较多的励磁电流构成的高次谐波

现代建筑中使用的电器设备一般都自带小容量的变压器和整流装置，而电器的电源供给来源于低压电网，不同的电器设备的励磁电流通过数量的积累，形成高次谐波，对建筑电气系统产生较大的影响。

三、建筑配电系统谐波的重要危害

在现代建筑配电系统中，谐波有两种产生渠道。首先，公用电网自身就存在着不成程度的配电变压器以及谐波含量作为谐波源的谐波，从公用电网转而输至配电系统当中；其次，大量的非线性负荷也能够产生谐波源，举例来说开关电源、计算机系统以及电子式荧光整流器等等，都会致使配电系统的电流、电压发生异常突变，从而导致谐波的产生。可以说消极的谐波环境必然会对建筑中的用电设备产生严重的危害，我们可以将这种危害总结为以下几个方面：

当前的智能建筑中往往线缆较多，微电子装备十分复杂，系统设备数不胜数，并且与之相适应的防护能力不足，高次谐波会导致智能电气系统设备产生错码、误码以及误动作，致使信号系统产生一定的噪音，受到不同程度的污染，严重的还会影响电气设备的正常使用。再加之低电压信号在电气化设备中的大量运用，进一步提高了比特错误率，在达到一定程度后会致使网络彻底崩溃。

因为设备本身产生的接地电流在设备和真实地间会出现一个电压降，所以会致使电脑瘫痪；在中性线上，高次谐波会出现叠加的情况，中性线电流可以随意地在建筑物金属结构上活动，因此产生了不受控制的磁场，表现为计算机屏幕的频闪；因为短路、开关和负载变化，会引起短时的电压变化，致使灯光频闪，严重的频闪对于人的视觉器官会产生伤害，威胁人体健康。过度的谐波畸变会造成在一个正弦周波内的额外过零点，对于测试设备会产生负面影响，更会影响程序控制装置的同步，最后表现为控制装置的死机。

断路器遮断能力出现降低情况，往往是由配电回路的高含量谐波电流导致，这主要是由于畸变电流过零点的过程中，伴随着时间的推移电弧电流要比工频正弦电流大，电弧电压会更快速地得到恢复，导致电弧的易燃，直接结果就是在需要跳闸的时候不跳闸，或者是误跳闸。剩余电流甚至会达到启动剩余电流保护系统的设定参数。

在谐波电压的效应下，电容器必然会出现额外的功率损耗，会促进绝缘介质快速老化。更要引起注意的是，大量的谐波电流在很大程度上会造成各个系统元件与电容器之间的串联谐振或者是并联谐振，致使电容器由于超负荷而出现损坏；使与电容器连接的配电回路中的所有设备、线路由于电压的超压、闪变以及过负荷而出现故障。

从配电线路以及电力电缆角度而言，谐波电流频率的持续增长，会引发较为显著的集肤效应，线损加大、导线电阻加大，发热增多，绝缘过早老化，会引发接地短路出现故障，埋下了不能控制的火灾隐患。在当前的智能建筑中，广泛地运用电子节能气体光源照明以及高度集中使用电子计算机，均会导致中性线由于温度过高而变质甚至烧毁，最终酿成不可挽回的火灾。

电压谐波会致使感应电动机的额外损耗。高次谐波导致的扭矩脉动在轴承处与联轴器会产生裂纹与磨损。因为电机速度通常较为固定，谐波中包含的能量就采用额外的热量形式不断地散发，直接导致了设备的过早老化。

对于电力电缆和配电线路，谐波电流频率增高会引起明显的集肤效应，导线电阻增大，线损加大，发热增加，绝缘过早老化，容易发生接地短路故障，形成潜在的火灾隐患。在智能建筑中大量集中使用电子计算机和大面积采用电子节能气体光源照明的场合，中性线电流甚至达到相线电流的2倍，致使中性线过热、烧毁，甚至导致火灾。

四、产生谐波的行业与设备

民用用户。产生谐波的设备通常包括开关电源、UPS、变频器、照明设备以及医疗设备等等。这些谐波源个体本身并不会产生大量的谐波量，然而由于谐波量较大、频谱范围也广，在高度密集的情况下产生的谐波量则不可忽视。在广电大楼、雁行大厦以及通信枢纽楼等建筑中谐波广泛存在。除此之外还有电气化铁路、机场、地铁以及港口等行业中，也会产生大量的谐波。

工业用户。产生谐波的设备包括中、高频炉、电弧炉、变频控制的设备以及直流电机控制的生产设备等等。主要关系到冶金、化工、钢铁制造、煤炭、建筑材料以及汽车行业等等。

五、建筑电气设计人员治理谐波问题的措施

电气设计人员为建筑用户解决电力系统谐波问题，可以使用借助于提高供电量、变换变压器等方式，减少电力系统中谐波的出现频率，也可以采用滤波器对系统的谐波进行过滤检测，同时，还能够借助谐波保护器降低谐波对于电力系统的危害程度，最终实现对于谐波的有效治理。本文下面就具体地对这些治理措施加以分析：

1、滤波器检测过滤谐波

有源滤波器。这种滤波器反应迅速，可以控制在与非线性的负荷进行并联时，可以有效地检测系统中由非线性负荷诱发的电流谐波，以实现对于谐波的有效过滤。电气设计人员在采用有源滤波器，对谐波进行治理时，应当为滤波器选择合适的安装地点，尽量使其靠近谐波源，以提升滤波的效果，使谐波畸变等问题受到抑制。

无源滤波器。与有源滤波器相比，无源滤波器在谐波的治理中属于一项较为传统的方法，它是以串联在一起的电容器和电抗器构成，可以实现对于某一特定的谐波成分的有效检测与过滤。若要对系统中不同的谐波进行过滤，就需要采用相对应的滤波器。无源滤波器容易在过载状态下出现烧损问题，且无法收到控制，其效果远不如有源滤波器。

混合滤波器。此种滤波器是对有源滤波器以及无源滤波器的混合应用，其中，有源滤波器是由直流电容、滤波电感、IGBT构成，无源滤波器是由单调的滤波器（3次、5次、7次、9次）与高通滤波器组成。有源滤波器会从直流电容中获取稳定直流电压，并由滤波电感将自身的开关谐波降低，最终与无源滤波器一起，实现对于谐波的有效控制。此种滤波器治理谐波，适用于用电可靠程度的要求较高，且谐波污染的控制标准明确的场所，能够有效地实现对于有源滤波器及无源滤波器二者优势的应用。

2、采用谐波保护器

采用磁性方法治理谐波比有源滤波器成本更低。谐波保护器从任何一种谐波对电路系统带来危害的本质上着手解决问题，即采用磁场吸收谐波能量的方法，具有很高的可靠性与使用寿命。此类产品如谐波保护器（HPD），采用了超微晶合金材料与创新科技的特别电路，能吸收各种频率各种能量的谐波干扰，将谐波消除在发生源，自动消除对用电设备产生的随机高次谐波和高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰。HPD并联在电路中使用，本身并不耗电。

3、电力系统的滤波保护

建筑电气设计人员在应对已经出现的谐波时，还可以采用滤波保护器来降低谐波对于电力系统与设备的不良影响，进而使建筑中的线路、设备在谐波状态下安全运行。谐波保护器治理电力系统的谐波问题，是以各种谐波危害系统的本质为基础，选择合适的磁场方式，对谐波能量进行吸收，以消除谐波，进而实现对于线路与设备的有效保护。此种谐波治理方式需要耗费的成本较低，且具有较长的使用寿命，其使用稳定可靠，与其他谐波治理方式相比，具有极其显著的优势。具体来讲，HPD谐波保护器是以超微晶的合金材料，及高科技的特殊电路作为其自身结构，来吸收各种能量的干扰谐波，并在发生源头，将高次谐波、电涌、高频噪声等彻底地消除，以避免系统中的设备受到损害。而且，HPD应用于谐波的治理，其自身并不需要消耗电量，可以有效地节省治理费用。

4、减少谐波出现的措施

提高供电量。电气设计人员采用加大供电量的方式，抑制谐波的出现，是最为原始的治理方法，比如，设计人员将电缆的横截面加大，就会使趋肤效应的出现受到影响，进而避免谐波的出现，或者设计人员将发电机、电容器的容量提升，以相对地降低谐波对于系统的危害等。但是，此种方法不能够彻底地抑制谐波的出现，只能是降低谐波出现的频率，而且，它还会产生较高的电力投资，使用户的电力使用成本加大，并非一种良性的治理措施。如果设计人员必须使用这种方法抑制谐波，就应当结合非线性负载的具体状况，为供电系统设计合理的增容裕度。

变换变压器。某些特殊的变压器之间进行相互变换，可以使次谐波受到有效的抑制，比如，△/YnO的变压器使用方式，可以实现对于3次及3n次谐波的阻隔，使谐波注入电网的途径被切断。这种方法较为简单，可以实现对于某些典型谐波的有效治理，但是，它需要极高的一次性投资，且适用于特殊的场合，比如，△/YnO变压器就适用于单相的非线性负载的环境中的谐波抑制。设计人员采用此种方法治理谐波，必须充分考虑系统非线性负载的状况。

结束语

在实际工作中，由于谐波具有多发性、随机性和不可重复性，导致智能建筑中的各种电气设备性能下降、无法工作的现象时有发生，因此，为保证现代智能建筑中各种不同类型设备和计算机及精密电子装置正常、可靠、高效地运行，必须要采取相应措施，确保用电设备的使用寿命，从以上分析可知，笔者觉得根据建筑物中产生谐波种类综合选择谐波治理的的方法，混合滤波器是现阶段能快速、有效地跟踪谐波变化，抑制谐波，是最有成效的一种措施。

参考文献

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