智能建筑电气设计中的谐波治理措施

谭艳面

摘    要：谐波指的是电路中含有频率为基波整数倍的电量，对电气系统运行的稳定性、安全性皆有较大影响。智能建筑对电气系统设计效果有很高的要求，如何有效降低谐波是智能建筑电气设计中亟待解决的问题。基于此，本文结合理论实践，在简要阐述智能建筑中电气谐波特性的基础上，分析了谐波造成的危害，并提出具体的治理措施，分析结果表明，合理有效的治理谐波，对提升智能建筑电气系统运行质量有非常重要的意义，值得设计单位高度重视。

关键词：智能建筑;电气设计;谐波;阻抗

1  引言

线路结构设计、电气设备分布及非线性设备在使用中都会形成大量谐波，此外，电源也会形成谐波电压。在进行多电源并网设计时，总电源电流会偏离正弦波，导致电气线路、电气设备在运行中形成谐波，从而影响供电质量，不利于智能建筑电气系统作用和价值的发挥。基于此，开展智能建筑电气设计中的谐波治理措施的研究就显得尤为必要。

2  智能建筑电气系统中谐波的特性

2.1  对称性

智能建筑电气系统中，谐波存在奇偶对称的特性，简而言之，在傅里叶级数展开状态下，不存在正弦项情况。

2.2  独立性

谐波出现在平衡电力系统中线性网格中时，单个谐波之和等于总谐波量，每个谐波都进行独立的分析和治理。

2.3  相序性

正序谐波的规律为：基波之后是四次，四次之后是七次，以此类推;负序谐的规律为：二次之后是五次，五次之后是八次，一次类推。其中零序是3的整数倍。如果谐波出现在整个智能建筑电气系统中，则无论该电气系统是否处于平衡运行状态，都存在负序和零序电流。

3  谐波对智能建筑电气系统造成的危害

在理想状态下，电气系统在运行中电源的频率的固定不变，但很难达到这一目标，无论是谐波电压，还是谐波电流都会电气系统造成不同程度的污染，从而恶化运行环境，其造成的危害主要体现在以下几个方面。

3.1  增加电费

智能建筑中电气系统中谐波产产生的功率多为无功功率，会降低电气系统负荷能力，从而增加电力运行成本。

3.2  增加电气设备运行故障率

谐波会使供电电压的波形发生变化，增加电磁设备铁损率，绝缘材料所承受对地电压也会增加。而谐波电流则会增加电磁设备的铜损率，如果情况严重，甚至会形成较大的电磁噪声，引发局部过热问题，缩短电气设备使用寿命，也会增加断电故障发生的概率。

3.3  降低供电质量

智能建筑电气系统中的变压器、电动机、整流变频电子设备等，需要经常性的移设安装，如果操作不当，会形成串并联谐振状态。在具体运行中，一旦某一电气设备或者运行参数，对某一频率的谐波形成振荡，会导致谐波被放大，从而引发过电流、过电压现象，影响整个电气系统安全稳定运行。

4  智能建筑电气设计中的谐波治理措施

4.1  合理应用无源滤波器和有源滤波器

在谐波治理中应用无源滤波器的机理为改变电源阻抗，从而达到治理谐波的作用，比较使用运行状态相对稳定、不频繁改变电气设备的电气系统设计中;有源滤波器的机理为补偿非线性负载，降低谐波对整个电气系统稳定运行造成的影响。

传统建筑工程电气设计中多采用无源滤波器来治理谐波，具有结构简单、成本低、运行安全可靠的优势，至今也是治理谐波的主要措施。比如：LC滤波器就是典型的无源滤波器，由滤波电容器、电抗器、电阻器等结构共同组成，将LC滤波器和谐波源相互并联，既能起到滤波的效果，也可以进行无功补偿。但是容易发生过载问题，一旦过载运行，滤波器就会被烧损，并且无源滤波器无法有效控制，随着运行时间的增加，配件老化严重，会导致谐振频率发生改变，降低谐波治理效果。并且无源滤波器只能治理三次谐波，如果需要过滤不同的谐波，需要额外添加滤波器，增加设备投资。

智能建筑在电气设计中多采用有源滤波器来治理谐波，对谐波进行跟踪补偿，并且补偿效果不会受电气系统阻抗的影响，在PWM控制技术持续发展，基于瞬时无功功率理论提出后，有源滤波器得到了飞速发展，其治理谐波的原理为：可从补偿对象中检测出谐波电流，通过补偿装置，形成一个和该谐波电流大小相同，但极性相反的补偿电流频谱，以抵消谐波电流，促使电气系统中运行的电流只含有基波分量，整个谐波治理过程由DSP和IGBT来完成。

目前很多智能建筑在电气设计中为降低谐波造成的影响，多采用有源滤波器和无源滤波器相互结合，互补混合使用的方法。既能充分发挥无源滤波器结构简单、成本低的优势，也可以克服有源滤波器容量大、成本高的缺点，促使智能建筑电气设计具有更好的性能。

4.2  减少回路的阻抗及切断传输线路法

智能建筑電气系统在运行中，形成谐波的主要原因是采用了非线性负载，为更好的治理谐波，在电气设计中要将负载供电线路和对谐波比较敏感的负载供电线路分离。但电气系统在正常运行中，非线性负载引起的畸变电流，会在电缆阻抗上形成畸变电压降，引发谐波电流在该线路上流过。因此，在智能建筑电气设计中合理加大电缆截面面积，并减少回路中的阻抗，也治理谐波影响的主要措施。目前很多设计方，都选择提升变压器容容量、增加电缆截面积，以及选择整定值比较大的断路器来降低谐波影响。但应用实例表明，此种谐波治理措施，无法从根本上消除谐波，甚至不利于电气系统保证特性和使用功能的提升，也会增大投资力度，增加电气系统运行中的安全隐患。为解决这一问题，在电气设计中，可将线性负载和费线性负载，从相同电源电源接口处开始，就分别设电路供电，通过此种设计方法，非线性负载形成的畸变电压就无法传输到线性负载上，从而有效治理谐波，保证电气系统运行的稳定性和安全性。

4.3  合理应用无谐波污染的绿色变频器

合理应用绿色变频器是治理谐波的新型措施，主要机理为：绿色变频器在运行中，无论是输入电流，还是输出电流都是正弦波形式， 并且输入功率因数可控，可获得任意可控输出频率，在内部还设置了交流电抗器，从而实现对谐波的有效抑制。此外，通过绿色变频器还能有效保护整流桥不受电源电压瞬间尖波的影响，大量应用实例表明，在智能建筑电气设计中，应用不带减抗器的谐波电流，明显高于是带减抗器形成的谐波电流，因此，为更好的减少谐波污染，需要在变频器输出回路中合理安装噪声滤波器。变频器中应用低谐波技术可归纳出以下内容：第一，逆变单元在设计时要实现并联多重化，通过2个或者多个逆变单元相互并联，促使波形相互叠加，以消除谐波分量。第二，在PWM变频器中，要尽量采用121脉冲、18脉冲的整流，以降低谐波形成量。第三，在逆变单元设计中，通过串联多重化的方法，采用30脉冲串联逆变单元，实现多重化线路设计，可将谐波减少到最低。

5  结束语

综上所述，本文结合理论实践，分析了智能建筑电气设计中的谐波治理措施，分析结果表明，谐波是客观存在的，几乎无法从根本上得到解决，对整个电气系统运行安全、稳定性有较大影响。为降低谐波影响，可从合理应用无源滤波器和有源滤波器、减少回路的阻抗及切断传输线路法、合理应用无谐波污染的绿色变频器等方面同时入手，对谐波进行有效治理。

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