建筑电气设计中谐波治理措施的应用

姚冬平

（贵州正业工程技术投资有限公司，贵州 贵阳 550000）

随着非线性负荷接入电网的容量及数量的增加，该类负荷产生的低频间谐波对电网电能质量的影响日益严重。因此，本文通过对建筑电气设计中谐波产生的来源以及危害进行分析，同时提出预防措施，确保供配电系统的运行质量及设备安全。

1 谐波来源

民用建筑中谐波产生的主要原因是由于非线性负载所致，当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶（M.Fourier）分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。

电力系统中谐波的来源比较广泛，概括起来可以将其分为：发电电源引入的谐波、输配电系统引入的谐波以及用电设备引入的谐波等。其中发电设备和输配电设备均不是影响电网谐波的主要因素，而电网谐波主要是由非线性用电设备引起的。很多办公电器、民用电器都会产生谐波，尤其是信息技术的发展促进了电力电子设备的不断升级，时至今日，电力电子设备已经广泛地应用于我国建筑领域的方方面面，有许多设备会产生谐波，这些谐波的影响如不加治理会对用电产生不利的影响。下面简要分析下谐波的来源。

1.1 输配电系统

基于整体经济方面的考虑，在对变压器进行设计时，通常使其工作磁密处于磁化曲线的近饱和段，再加上铁心的饱和性等特点，就难免会出现奇次谐波。一般情况下，随着变压器铁心饱和程度的提高，其偏离线性程度也会越大，同时也会产生较大的谐波电流。

1.2 发电源

在制造发电机时，其三相绕组及铁心均无法做到绝对对称与均匀。因此，转子转动过程中形成的磁场也是存在一定畸变的正弦波，同时电压波形也会有所失真。

1.3 用电设备

1）家用及医疗电器，随着科技的不断发展，家用电器的功能越来越强大，种类也越来越多，比如调光灯及调温炊具等家电的调压整流设备会引起奇次谐波；医疗设备中核磁共振、CT机、X光机等等的使用均会产生谐波；非线性光源如气体放电灯（辉光放电灯、钠灯等），这些光源都是利用弧光、辉光等发光原理，而这种放电方式不可避免的会产生大量的谐波电流，含有超过10%的三次谐波，虽然使用镇流器予以消除和改善，但都无法从根本上消除谐波污染。

2）变频装置，出于节能以及调速方面的考虑，通常需要使用变频装置，变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。

3）晶闸管整流设备，晶闸管整流设备的主要作用是将交流电转换为直流电，在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，同时也给电网造成了大量的谐波。由于该设备使用移相控制，在吸收电网缺角正弦波的同时又将另一部分缺角的正弦波输送给电网，因此会产生大量的谐波。相关研究表明，整流装置位居造成谐波影响的设备首位，是产生谐波的最主要设备。

2 谐波危害

谐波污染主要存在于低压配电网中，其造成的危害主要有：功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、电网过热等；对配电设施会造成电子器件误动作、电容器损坏、附加磁场、中性线过载和线路损坏等。下面简要叙述下。

2.1 对电动机的影响

旋转电机受到电源谐波的影响，使旋转电机产生转矩、附加损耗，并产生振动、噪音等现象，对设备会造成一定破坏。受电源谐波的影响电动机会产生附加热损耗，干扰力矩会使电动机产生启动困难，降低运行效率等。

2.2 对变压器的影响

电源谐波能使变压器的铁损、漏磁损耗和铜损增加，引起变压器发热，导致变压器温度上升及损耗增加。电源谐波的频率越高，集肤效应越明显，各种损耗越严重，在谐波电压的作用下，变压器内部的铁心叠片会形成涡流电流，而涡流电流则是造成变压器温度上升及损耗增加的关键因素。除了变压器发热，电源谐波还会造成紧固体、变压器外壳和外层硅钢片发热，变压器发热越严重，使用容量越少。谐波源产生的谐波会流经变压器，谐波的振动还会对变压器造成损害。

2.3 对计量仪表及电子设备的影响

无论是数字仪表还是模拟仪表，谐波的存在都会对其精度产生影响，数字仪表在谐波的影响下会产生较大的计量误差；模拟仪表在谐波的影响下会导致计量电能数据大于实际数据。此外电源谐波对电网中基波频率为基础过零检测的敏感性电子设备和电子电源会造成影响，还会引起办公自动化、消防报警、安全防范和楼宇自动化等电气系统中的电子装置工作出现失误。

2.4 对配电线路的影响

当谐波电流经过配电线路时，会产生集肤效应，使电缆发热、增加附加损耗，从而导致整个配电线路的供电效率及供电质量下降，同时会导致线缆阻抗增大，大大增加发热，造成线路绝缘加速老化，存在火灾隐患。除此之外，谐波的存在会使配电线路中性线的电流明显变大，这时原有的配电线路截面积便有可能无法满足需要，造成中性线温度明显升高，轻则烧坏绝缘皮或是出现短路，重则引发火灾，造成灾难性后果。

3 谐波治理措施

主要采用有源滤波或者无源滤波。

3.1 使用有源滤波器

有源滤波器（Active PowerFliter，缩写为APF），是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，APF利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、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。通常情况下，在有源滤波的额定无功功率范围内能够实现100%的滤波效果。有源滤波器具有以下特点：1）可动态滤除各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功；2）滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；3）具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。然而由于内部电子元件的耐压性，使得其额定电流受限，导致制造过程比较复杂，成本高。

3.2 使用无源滤波器

无源滤波装置：该装置由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用。无源滤波装置主要采用LC回路，并联于系统中，LC回路的设定，只能针对于某一次谐波，即针对于某一个频率为低阻抗，使得该频率流经为其设定的LC回路，达到消除（滤除）某一频率的谐波的目的。LC回路在滤除谐波的同时，在基波对系统可进行无功补偿。无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，这种滤波装置简单，成本低，但不能滤除干净，其主要元件为投切开关、电容器、电抗器以及保护和控制回路。

无源滤波装置在现阶段广泛用于配电网中，具有大容量低价位的优点，在冶金行业得到广泛应用。但由于其滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至产生谐振现象等因素，因此在某些场合不适用。

4 结语

随着技术的不断创新，新事物、新产品不断推陈出新，高科技电子产品的不断应用，用电环境会要求越来越高，谐波治理的重要性会越来越大。本文仅是在谐波治理方面进行了一些浅述，通过谐波的治理，从长期来看，对设备的保护是十分明显的，在用电安全方面的改善也是十分显著的，能够有效提高供配电系统的综合性能，对供电质量的提高具有重要意义。