谐波电流对民用建筑配电系统设计影响的研究

吴伟俊

（福建七建建筑设计有限公司， 福建 漳州 363000）

0 引言

不同非线性设备产生的谐波频率、 谐波电流等不同。在民用建筑的配电系统中，大多数照明设备、厨房设备、办公设备均为非线性设备，如LED 灯具、微波炉、洗衣机、电冰箱、电视机、计算机、打印机、手机及充电器等，其投入运行会使电网电压和电流波形产生畸变，从而产生谐波。 随着居民生活水平的提高， 家庭配置的电器设备也越来越多，各种带有变频设备、开关电源设备的使用，产生的谐波电流含量也越来越大，这需要我们在电气设计时重视。 目前的各种家用电器产品均没有谐波电流含量参数，在配电系统设计手册上也没有相关方面的数据，设计人员在配电系统设计时缺乏资料。本文通过实例，结合多本规范，进行分析计算得出结论来指导民用建筑电气的配电系统设计。

1 技术要求

在民用建筑的配电系统设计时， 电流计算结果是导线截面、空气开关整定值选择的依据，而谐波电流对电流计算结果的影响不可忽视，现行国家规范多有规定。

（1）《低压配电系统设计规范》第3.2.9 条[1]规定：“在三相四线制线路中存在谐波电流时， 计算中性导体的电流应计入谐波电流的效应。 当中性导体电流大于相导体电流时，电缆相导体截面应按中性导体电流选择。 当三相平衡系统中存在谐波电流，4 芯或5 芯电缆内中性导体与相导体材料相同和截面相等时， 电缆载流量的降低系数应按表3.2.9 的规定确定。 ”（2）《民 用 建 筑 电 气 设 计 标 准》GB-51348-2019 第7.4.4 条第2 款[2]规定：“当三相四线制线路中存在谐波电流时，在选择中性导体截面积时应计入谐波电流的影响。当中性导体电流大于相导体电流时， 电缆截面积应按中性导体电流选择。 当中性导体电流大于相电流133%且按中性导体电流选择电缆截面积时，电缆载流量可不校正。当三相负荷平衡系统中存在谐波电流，4 芯或5 芯电缆中中性导体和相导体具有相同材料和截面积时， 应按表7.4.4 确定电缆载流量的校正系数。 ”

（3）此外在GB50217-2018《电力工程电缆设计标准》第3.6.9 条[3]、GB16895.15《布线系统载流量》附录C1[4]等规范均有相应规定。

（4）《电能质量公用电网谐波》GB/T 14549-93 第4 条[5]有明确规定公用电网谐波电压限值为“0.38KV 处电压总谐波畸变率为5%”。

以上不同规范明确要求在建筑电气的施工图设计阶段均应考虑谐波电流的影响。众多规范均有规定，也从侧面说明谐波电流对电网质量和配电系统中各种电器性能的危害巨大，应在配电系统设计时特别重视。但谐波电流在不同工程上的数值，目前没有数据可查，电气设计人员在配电系统设计时，缺乏参考的数据，往往没有考虑会造成导线、空气开关选择时偏小违反规范。

本研究以GB 17625.1《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》为数据依据，按GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》公式结合实际工程进行分析计算。

2 计算实例

住宅三居室家用电器配置：照明灯具：700W，厨房、餐厅：电磁炉1500W、微波炉1500W、冰箱300W，客厅：空调2000W、电视机200W、音响500W、随手泡1500W，主卧：空调1500W，卧室：空调1500W，书房：空调1000W、电脑350W、显示器50W、调光台灯40，卫生间：电热水器2000W、取暖器1500W，阳台：洗衣机200W。

户内配电箱系统见图1。

图1 户内配电箱系统

（1）计算家用电器的谐波电流值。各种家用电器属于A类设备[6]，各次谐波含量根据GB 17625.1《电磁兼容 限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》，取谐波限值计算家用电器的各次谐波电流值，计算结果见表1。

表1 家用电器谐波电流计算值

（2）计算照明设备的谐波电流值。照明设备属于C 类设备[6]，各次谐波限值和计算值见表2。

表2 照明设备谐波计算值

（3）计算个人计算机和个人计算机显示器、电视接收机的谐波电流值。个人计算机和个人计算机显示器、电视接收机属于D 类设备[6]，各次谐波限值和计算值见表3。

表3 D 类设备谐波计算值

（4）各家居电器谐波的综合计算。综合上述计算，已计算出各种家用电器的各次谐波电流值。 各个谐波电流的汇总计算先按同频率电流进行迭加计算。 同频率电流计算时还应考虑电流之间的相位角，当相位角不确定时按式（1）进行计算[5]。

式中：

谐波次数n 3 5 7 11 13系数Kn 1.62 1.28 0.72 0.18 0.08

两个以上同次谐波电流迭加时，仍使用式（1）进行计算，首先将两个谐波电流迭加，然后再与第三个谐波电流相迭加。 不同次谐波电流迭加采用式（2）进行计算[6]。

式中：

根据式（1）、式（2）计算出家用电器各次谐波电流迭加计算值，结果见表4。

根据上面的分析计算，表4、表5 已经计算出住宅最大用电时各次谐波电流值和电流畸变率。 采用规范限值计算结果会比实际值大， 但可以作为在初步设计阶段的依据。 3 次谐波分量与相电流的比大于15%且小于33%，在配电设计选择导线或者空气开关时应进行校正。

表4 住宅户内配电箱系统谐波电流计算值

表5 住宅户内配电箱系统各次谐波电流畸变率计算值

3 实验分析对比

测试电路中的谐波电流值按下面图2[6]来测试。

图中：S—供电电源；EUT—受试设备；Z—测量设备的输入阻抗；s—线电流的n 次谐波分量；M—测量设备；U—试验电压；Zs—供电电源的内阻抗；G—供电电源的开路电压。 根据图2， 绘制出测试的电路图，见图3[8]。

图2 谐波电流测试原理图

图3 住户家电背景谐波测试电路图

首先测试的电网的背景谐波情况， 以评价电网背景对试验结果的影响情况。 断开住宅配电箱AL 用户的所有用电设备，接入纯阻性负荷，测试出电网背景谐波值。然后依次接入1～7 的设备，测试出各设备的谐波值。 测试结果见表6。

表6 住宅户内配电箱系统各次谐波电流畸变率实测值[8]

通过电流畸变率实测值计算值进行比较，计算值在实测值的范围内。

4 分析总结

通过上述例子的分析计算，可以得出如下结论：

（1）随着变频设备和开关电源类家用电器的广泛使用，住宅类用电的谐波电流越来越大。

（2）谐波电流畸变率最大是电视机、显示器、电脑等D 类设备，当采用专用回路供电时，应进行谐波电流计算，并根据计算结果进行电流校正。

（3）配电系统上连接的各种用电设备，它们的谐波含量各不相同，不能简单的相加，应按各自产生的谐波含量分解为2、3…n 次谐波分别计算。

（4）谐波电流对单相用电电流影响不可忽略。

5 结束语

各种非线性设备在电路中可能既吸收谐波又发送谐波， 谐波电流的分析计算复杂。 本文采用规范限值为依据，详细计算谐波电流值，得出的结果作为电气设计人员在民用建筑配电系统初步设计时参考。 对电能质量要求比较高的用户，在设计时，还应预留安装位置，在配电系统正式运行中，进行实际测量，根据实际测量结果，安装吸收谐波电流的装置。