智能建筑电气设计中谐波治理措施的研究

刘尧　许威

【摘 要】智能建筑中的谐波来源于两个方面，一方面是电弧和铁磁非线性设备（如变压器、旋转电机）的谐波源，另一方面是半导体非线性元件电力电子装置的谐波源。随着近年来我国智能建筑的高速发展，各类型电子类电器的负荷比重逐渐增加，这导致电网的谐波污染日益严重，从无功补偿、变压器、电缆、弱电系统及电容器等方面降低了电能质量，为此在智能建筑电气设计中采取适当的谐波治理措施至关重要。

【关键词】智能建筑 电气设计 谐波治理

1 智能建筑中谐波特性的分析

第一，智能建筑的谐波具有对称性。首先，智能建筑的谐波具有奇对称性，即展开为傅里叶级数时没有余弦项，f（-t）=-f（t）；其次，智能建筑的谐波具有偶对称性，即展开为傅里叶级数时没有正弦项，f（-t）=f（t）；最后，智能建筑的谐波具有半波对称性，即没有直流分量且偶次谐波被抵消。

第二，智能建筑的谐波具有独立性。平衡电力系统的线性网络对不同谐波的响应是独立的，总的响应相当于单个谐波相加的总和，所以各次谐波可以独立出来进行分析和治理。

第三，智能建筑的谐波具有相序性。基波、四次、七次......谐波是正序的；二次、五次、八次......谐波是负序的，三的倍数次谐波都是零序的。此外，如果系统中存在谐波，则无论该系统是否平衡，都将存在零序和负序电流。

2 智能建筑电气设计中谐波的治理措施

2.1 选择合适的配电设备、变压器及电线电缆

第一，选择合适的配电设备。为减少谐波引发的开关设备误动作，低压配电设备选择时要遵循如下原则：热继电器、接触器要适当降容使用；热磁型、电子型配电断路器要适当降容使用；谐波严重的配电回路则放大一级选择配电设备。

第二，选择合适的变压器型号及容量。选择配电变压器时，宜选择Dynll连接组别的变压器（该组别变压器可以有效抑制三的倍数次谐波）；在确定电压器容量时，将谐波畸变引起的变压器发热影响考虑在内，使变压器负荷率控制在70%-80%。

第三，选择合适的电线电缆。谐波传输过程中会引发电线电缆的发热，因此选择电线电缆截面时要考虑谐波的影响。三相四线制系统中，要考虑谐波电流的集肤效应引起电线电缆发热的影响，以及中性线上谐波电流的叠加，在选择中性线截面时要留有裕量。如果配电系统中设置了有源滤波器，则相应回路中性线截面不必增大；如果弱配电系统中设置了无源滤波器，则中性线截面可与相线等截面；三相不平衡系统中，中性线截面不应小于相线截面；三相平衡系统中三次谐波电流大于10%时，中性线截面不应小于相线截面。

2.2 选择合适的滤波方案

（1）变压器额定容量Sn≤2000KVA时的滤波方案（见表1）

表1 变压器额定容量Sn≤2000KVA时的滤波方案

Gh

0.25Sn

Gh>0.5Sn

滤波方案

电容器额定电压增加10%加谐波抑制电流

有源电力滤波器

注：Gh为连接到接有电容器组的母线上所有产生谐波装置的视在功率额定值的总和。

通常情况下智能高层建筑的Gh>0.5Sn，应采用无源滤波器加有源滤波器的方式来治理谐波，其中无源滤波器可以采用针对3次谐波的调谐频率为131、147Hz，电抗系数12.5%、15%的电抗器，有源滤波器可主要针对无源滤波器无法滤除的高次谐波进行设置，使治理后总的谐波畸变率控制在国标规定的范围内。

（2）有源滤波器的选型方案。有源滤波器（APF）具有专门的电源供电，利用向电网注入与谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。

如果智能建筑中具有大量注入计算机、空调、荧光灯等单相用电设备，此时应该采用三相四线制有源滤波器。有源滤波器容量的选择要根据安装位置处多个非线性负载产生的谐波电流叠加得到（每个谐波源产生的谐波电流大小根据现场测得的谐波数据得出，将该支路中谐波电流依次进行叠加）。如果不同确定两个谐波源各次谐波的相位角，那么由下式计算某次谐波的总谐波电流：

两个谐波源的某次谐波电流： 。 式中In1为第1个谐波源的第n次谐波电流；In2为第2个谐波源的第n次谐波电流；Kn的取值：N=3，Kn=1.62；N=5，Kn=1.28；N=7，Kn=0.72；N=11，Kn=0.18；N=13，Kn=0.08；N=9、偶次或大于13，Kn=0。

将各次谐波计算出来后，再按下式计算需要滤波的总谐波电流有效值：

然后按下式确定有源电力滤波器的滤波电流： 。 式中，Irms-Filter为有源滤波器的有效滤波电流（A）。

2.3 其他方案的设计

智能建筑电气设计中，为有效抑制谐波对电子设备的干扰可以采取如下措施：在容易受干扰电子设备的回路中装设滤波装置，抑制或消除谐波；为受谐波影响严重的电子设备设计专用的配电回路，避免谐波干扰沿线路引入；对电子设备采取屏蔽措施或远离谐波严重的电路，避免空间电磁干扰。

智能建筑中含有大量信息技术设备，供配电系统接地应采用TN-S系统。需设置总等电位联结和局部等电位联结，宜在每层设置等电位联结网络。不同层的等电位联结网络之间应相互连通。同一建筑物内的保护性接地、功能性接地以及防雷接地应分别接至总接地端子并应共用接地极，智能建筑单体接地装置与车库接地装置连接，组成联合接地体。

3 结语

本文在对智能建筑谐波对称性、独立性及相序性进行分析的基础上，就如何在智能建筑电气中治理谐波提出了几点建议（如选择合适的滤波方案，选择合适的配电设备、变压器及电线电缆等），旨在让相关工作者增加对智能建筑谐波治理的认识和关注。

参考文献：

[1]柳华宁，王建伯，董志敏.谐波对电力电缆线路损耗的影响[J].河北电力技术，2009，28（3）.

[2]刘洪斌，马强.智能建筑谐波畸变及防范[J].自动化与控制，2006（5）.

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