浅析谐波治理在剧场供配电系统中的应用

胡向东

摘 要：了解调光灯供电网谐波的存在及谐波干扰带来的危害，制定一个科学可行的解决方案，从而消除谐波干扰，减少对电网的危害，提高供电质量和设备稳定性，确保供配电系统的正常工作。

关键词：高次谐波；谐波源；电压畸变；可控硅调光装置；谐波治理；有源滤波器

随着科学技术的日益创新，越来越多的高科技视听产品不断地在舞台中得到广泛应用，在人们尽情地享受着视觉盛宴的同时，也给出现了诸如紫外线、电磁波、高次谐波等对人体有害的辐射污染。剧场存有大量的非线性用电负载谐波源，特别是采用可控硅调光控制技术的舞台灯光系统能使电压无法实现正常合格的正弦波输出，甚至会出现大量的高次谐波。高次谐波不仅造成电能的极大浪费，而且产生的电磁干扰会引发供用电设施设备的工作异常或故障，甚至会危及电网造成电力事故。为抑制上述干扰应采取一定的措施。

1 谐波潜在影响分析与危害

正常合格的电能源是以50HZ变化的三相交流正弦波电源。对于其它不同频率、幅值的正弦波形统一称之为谐波。就剧场而言，谐波主要是由可控硅调光器引起，每个调光器实质就是一个单相交流调压器。

可控硅调光器是采用相位控制方法来实现调压调光的。其原理是通过控制触发信号的施加时间（或相位）来改变可控硅正弦波交流输出电压，即改变导通角θ（或控制角a）大小来实现调压调光，导通角越大，调光器输出的电压越高，灯就越亮。由于采用移相调压控制通光量度，调光器输出电压波形除含有50Hz的基波成分外，还含频率为基波分量整数倍的高次谐波。这些高次谐波通过导线传导到其它负载，引起电源电压波形畸变。

当谐波电流、电压超出国家标准（GB/T14549-93）和国际标准（IEC1000-3-4、IEEE-519-1992）时，将对供配电系统产生不利影响与危害。其危害有以下几方面：

（1）对电力电缆造成危害。由于电力线路中的高次谐波会产生叠加，使得电缆导体集肤效应越发明显，导致电缆导体的内阻增大，使得电缆允许通过电流减小。在供配电三相电源线路中，相线中的3次以上的谐波会叠加在中性线路上，会使流过中性线的电流值大于相线电流，引起线路过热损坏甚至发生火灾。

（2）变压器谐波电流会造成变压器绕组线圈的内阻损耗、涡流损耗、杂散损失的增大，谐波电压会使变压器铁芯产生的涡流和磁滞损耗增加。由于两方面损耗的增加，从而导致变压器的实际使用容量下降，降低了变压器的使用效率。谐波电流还会使变压器运行时产生的损耗转变为热能由内向外扩散，引起变压器外壳、外层硅钢片及紧固件发热而产生振动或噪音，加速绝缘保护材料的老化，降低了变压器的使用寿命，严重时会使变压器无法正常地运行。

（3）当电网中电容器发生并联谐振或串联谐振时，会进一步引起谐波的放大，造成供电设备过流、过热、爆裂甚至引起火灾，严重时会造成用电安全事故。

（4）谐波对电机的影响除了引起附加损耗外，还会引起伺服电机产生脉动，交流异步电机产生机械振动、增大噪音量。降低电气设备中的继电保护装置、自动系统装置的灵敏度或产生误动作，造成控制开关的闭合能力下降和精密测量仪表的计量不准或计量紊乱等现象。

（5）对弱电线路产生电磁干扰。谐波通过静电感应、电磁感应与传导方式耦合到计算机网络、通信、电视转播、火灾自动报警等弱电设备中，产生电磁干扰，造成信息系统传输故障、显示器频闪或产生误动、拒动故障。

2 谐波治理作用与解决措施

谐波治理可有效的降低电网中谐波电流，提高供电质量，减少对电网的危害，增加负载设备的带载能力，提高变压器的实际使用容量，减少因变压器扩容所带来的高额扩容费用。谐波完全治理后可提升变压器供电容量的20%；谐波治理还可提高变压器功率因数，降低变压器的铜芯、铁芯损耗，减少电流在电缆导体中的集肤效应，减少设备的机械振动或噪音，降低电网损耗而提升电能的利用效率。在相同供电、相同负载情况下，功率因数由低到高，则电流谐波畸变由高到低。

η（功率因数）=〔I1（基波电流）/I（總电流）〕×cosφ=λ（基波因子）×cosφ（基波功率因数）

从公式可以看出，基波因子反映了谐波对功率因数的影响。所以要解决功率因数过低的情况，首先要解决谐波问题。为抑制谐波源产生干扰带来的危害，可采取以下几种解决措施：

（1）利用变压器绕组的接线方式来抑制谐波的产生。《剧场建筑设计规范》JGJ67-2001第10.3.3条明确规定：当舞台照明采用可控硅做调光设备时，其电源变压器宜采用接线方式为Δ/Y0的变压器。考虑到对称的三相负载中的非正弦波高次谐波分量相位均相同，可以将舞台专用变压器中的初级绕组或次级绕组中的任一绕组连接成△接线方式，给负载中的高次谐波提供通路，促使三次谐波零序磁通互相抵消。

（2）有些舞台设备其自身就是谐波源，一些专业电子信息设备，尤其是电声学系统、通信系统又对谐波干扰高度敏感，这些设备使用同一供电回路又难以区分，为此可利用在舞台专用变压器低压柜进线处安装无源谐波滤波器柜来抑制谐波的产生。

（3）对于可控硅调光器引起的谐波，大量的实测数据表明，调光灯回路在100%以下负载时电流均发生畸变，且以3、5、7次谐波为主。为此可在调光设备进线回路上配置有源滤波器进行谐波治理和提高功率因数，补偿容性无功，减少因调光设备产生的谐波对其它设备的干扰，从而改善供电质量。

（4）对于剧场中央空调变频调速系统引起的谐波，则要求配置交流电抗器、直流电抗器和抗无线电干扰滤波器，减缓电流畸变波形，使其更加接近正弦波形。

（5）对于可控硅控制的调光照明线路宜采用单相供电，导线的线径在原设计基础上须增大一级，以此降低导线的内阻损耗。在采用三相配送供电时，尽可能将三相负载的相位均匀分布，对于零线线径则要求为相线线径的2倍，即采用等线径5芯电缆，其中2芯作为零线，接地线采用偏钢单独敷设。此方法可有效抑制调光回路上产生的高次谐波磁场。电视幕墙回路与电子照明设备回路的中性线采用与相线同线径。

（6）采用可控硅调光装置的照明线路应避免与弱电线路平行敷设。当必须平行敷设时，其间距应大于1m。若垂直交叉时，间距应大于0.5m；并外套金属管进行屏蔽且可靠接地。接地电阻须小于1欧姆。对于舞台音响、计算机控制设备和弱电线路的电源则要求与舞台照明不同的变压器分路供电，同时须做好屏蔽措施，以此减少相互干扰。

参考文献

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[2]刁海燕.剧场建筑电气设计中的谐波与治理[J].低压电器，2007.

[3]曾碧阳.剧场电气设计中的谐波抑制措施[J].电气时代，2005.