建筑电气设计中电源谐波抑制方法探析

袁红

[摘 要]电力是一种常用的能源，无论是人们的日常生活还是工业生产，都离不开电力供应。人们对于供电质量的要求越来越高，电源谐波的存在成为了电气设计中的一大危害。本文通过简述电源谐波的概念，讨论电源谐波存在的危害性，并提出建筑电气设计中电源谐波抑制方法，从而更为有效地减轻或消除电源谐波，提高供电质量与可靠性。

[关键词]电气设计；电源谐波；谐波抑制

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.20.053

1 电源谐波的概念

电源谐波的定义是：在一个周期之内电气量的正弦波分量，电源谐波的频率与基波频率之间是整数倍的关系。从电源谐波的定义中可以看出来，只要电源的电压或者电流的波形并非是正弦波，那么，就会出现电源谐波。而当电压加在电阻、电容、电感之类的线性负载上时，不会改变波形，因此，其电压与电流的波形都是正弦波。然而，当电压加在非线性负载时上，其电压与电流的波形都会变成非正弦波，这时，通过电网的电流就是非线性的，就产生了电源谐波。

2 电源谐波存在的危害性

2.1 电源谐波会增加电器设备的附加谐波损耗

一是谐波电流会增加变压器的铜损与漏磁消耗，并且谐波电压会增加变压器的铁损，使变压器温度上升，加速变压器损坏。二是电源谐波会使电机的振动与机座發生共振，从而使电机过热，损坏电机元件。三是电源谐波会使电容产生额外的功率，不仅消耗大量电力，还会造成电容过热、过压。

2.2 电源谐波会损坏敏感电子设备

一是敏感电子设备极易受到电源谐波的影响而发生误动，尤其是一些由大量零部件组成的电子设备，受电源谐波影响非常大。二是电子设备的正常运行依靠的是波形峰值来使电容器全充电，而电源谐波这种不规律的波形，将会使波形峰值过高或者过低，使电子设备无法正常使用。三是电源谐波会引起建筑物内的一些自动化、报警、安全防护系统内部的电子设备误动作，引起设备的非正常工作。

2.3 电源谐波会破坏电力电缆的绝缘性

电缆内部存在的电容会在一定程度上放大电源谐波，当谐波电流流过电缆时，就会产生部分热量，当电流产热达到一定程度时，就会造成电缆过热，从而破坏电缆绝缘性。电缆绝缘性被破坏之后，将会造成电缆漏电等故障，容易诱发漏电危险。

2.4 电源谐波会削弱开关设备的开断能力

当电路内存在明显的谐波电流时，电路中的断路器的磁吹线圈将会受到影响而无法正常工作，使电源开关失去开断能力，同时，由于电源开短时间过程，进一步延长了故障电流切除的时间，容易造成重新合闸后产生再燃的问题。另外，当电路中的电感电流被切断时，将会产生更大的谐波电压，对电路中的电容器产生更严重的影响。而谐波电流会影响电磁接触器的动作电流，造成电路中电压、电流虽然在正常符合范围内，却出现跳闸现象。

2.5 电源谐波会引起继电保护、自动控制装置的误动、拒动

继电保护、自动控制装置的工作原理就是利用加在设备上的电压以及电流的频率来判断其应当采取的动作。然而，当电源谐波出现时，就会严重干扰这些设备的正常工作条件，也就会产生误动作。

2.6 电源谐波会对计量仪、通信系统等产生影响

通常来说，电力计量仪都设计为按照正弦频率进行工作，当电源谐波出现时，不规律的谐波就会对计量仪产生影响。由于仪器自身设计原理和结构、工作条件有所不同，计量时所产生的误差的会有所区别。另外，电源谐波对通信系统所产生的干扰，是目前国际上最为重视的电力干扰问题。电源谐波会对距离较近的通信线路产生与原本正弦电压不同的谐波电压，从而产生静电，另外谐波电流也将会引起电磁干扰，当通信设备受到电源谐波的影响时，会产生噪声，降低通信信号的质量，通信终端所接收到图像、声音清晰度会大大降低。

2.7 电源谐波会对低压电器造成影响

一些办公、民用电力设备，它们自身既能够产生电源谐波，同时，又极易受到电源谐波的影响。当计算机受到电源谐波的影响时，将会数据丢失、程序错误等情况，无法正常使用。电视、收音机等电力设备受到电源谐波的影响时，会降低其使用寿命。电源谐波所造成的危害程度取决于电源谐波量的大小以及电力设备自身的条件。为了保护电力设备，保障电力正常使用，就必须加强对电源谐波的控制。

3 建筑电气设计中电源谐波抑制方法

3.1 运用LC组成无源调谐滤波器

传统的抑制电源谐波的方法主要是运用LC构成的无源调谐滤波器，这种滤波器的主要由以下几个组成部分：一是滤波电容器，二是电抗器，三是电阻器。其工作原理是利用电容和电阻在出现电源谐波谐波时，发生谐振，从而为谐波提供一条入地的低电阻通路，引导谐波进入大地而脱离电路。这种滤波器结构较为简单，对技术要求低，并且资金投入少，是传统抑制电源谐波的主要方法。然而，这种滤波器也存在很多不足之处，如滤波器极容易受到电网阻抗和运行状态的影响，并且容易与电力系统发生并联谐振，从而使电源谐波被再一次放大。并且这种滤波器只能处理固定频率的电源谐波，当电路的容量增大而阻抗较小时，对滤波器的性能要求极高，另外，当基波频率本身就存在波动时，滤波器能够发挥的作用非常有限。

3.2 运用有源电力滤波器

第一，有源电力滤波器的优点。相对于传统的无源调谐滤波器来说，有源电力滤波器不容易受到谐波频率变化及幅度大小的影响，能够有效地抑制电源谐波，对电路进行更为高效的无功补偿。并且能够基本不受电力系统阻抗的影响，不会与电路形成共振，电力系统的结构变化不会影响滤波器的补偿效果，同一台滤波器能够对不同谐波同时进行补偿，即使高次谐波发生了一定的变化，滤波器也能够进行无功补偿，滤波器自身能够对输出进行限制，不会因过载而导致滤波器损坏。

第二，有源电力滤波器的工作原理。这种滤波器主要由两部分组成，一部分是指令电流运算电路，其主要功能是检测出补偿对象电流中的谐波以及无功等分量；另一部分则是补偿电流发生电路，其主要作用是根据指令电流运算电路所得到的补偿电流发出的指令信号，产生相应的补偿电流，从而抑制电路中的电源谐波，使电路中的电压与电流都能够达到稳定状态，消除谐波为电路带来的影响。

第三，有源电力滤波器的发展前景。一是要进一步完善有源电力滤波器的相关理论，从理论上为处理电路谐波、无功补偿提供更为可靠的保障。二是要进一步研究关于降低补偿装置相对于谐波源装置的容量，并将其投入到实际应用中。三是要不断完善滤波器的控制系统，运用更为简单的结构来设计有源电力滤波器装置，使其更易操作、维护。四是要不断丰富补偿装置的功能，达到更好地抑制电源谐波的效果。

第四，有源电力滤波器的种类。根据用户常用的电源种类的不同，可以讲有源电力滤波器分为交流有源电力滤波器和直流有源电力滤波器两种。另外，根据有源电力滤波器与电力系统以及负载之间不同的连接方式，还可以分为并联型有源电力滤波器、串联型有源电力滤波器以及混合串联型有源电力滤波器、混合并联有源电力滤波器等多种类型。

3.3 运用高功率因数变流器

电力系统中，产生电源谐波的主要装置就是整流装置，如果能够对整流装置进行适当的改进，消除其产生的谐波的可能性，并且使其产生的电流与电压保持在同一相位上，就能够有效地抑制电源谐波。高功率因数变流器就是通过改进整流装置来达到抑制电源谐波的目的。利用高功率因数变流器，能够对进入电路的电流进行控制，使整个电路中的电流与电压都呈正弦波形，并且避免受电网频率的影响，从而使电流电压的波形始终保持相同的正弦型。并且高功率因数变流器能够提高电路中的功率因数，增加电力的利用效率，为用户提供更高质量的电力资源。

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