淺談建筑電氣設計中電源諧波相關問題

【摘 要】在現代建筑中，公用電網中出現的諧波電流和諧波電壓不僅使得供電質量下降，同時大量諧波對電力系統造成污染。本文在概述電網諧波及其危害性基礎上，重點討論了電力系統發展過程中諧波源的變化，最后提出電氣設計中諧波抑制的方法。

【關鍵詞】建筑；電力系統；諧波

現代智能建筑中，用電負荷以計算機、網絡和現代通信系統以及大量的電子、電力電子設備等對諧波敏感的非線性負荷為特征，對供電質量有特別嚴格的要求。因此本文分析了建筑電氣設計中電源諧波相關問題。

1 電源諧波及危害性分析

在智能建筑用電負荷中，阻感性負荷占很大的比例，變壓器、熒光燈都是典型的諧波阻感性負荷，阻感性負荷必須吸收無功功率才能正常工作。電力電子裝置等非線性負荷相控整流器、周波變流器等工作時基波電流相位滯后于電網電壓，也要消耗大量的無功功率。此外，諧波源也要消耗無功功率。

1.1 諧波使設備產生附加諧波損耗。使得電力變壓器溫度升高。諧波導致電力變壓器發熱源于兩方面原因：一是諧波電流能增加變壓器的銅損和漏磁損耗；二是諧波電壓能增加鐵損。對于有三角形接法的變壓器，三倍次諧波環流引起的這兩種發熱就更加明顯。諧波對旋轉電機產生有害影響，產生附加損耗和轉矩，它使電機主磁通呈脈動性，將產生高頻噪音、振動和轉動的周期變動，容易與機座發生共振現象，破壞機械設備本體。

1.2 諧波對敏感電子設備的主要影響，過零檢測以基波頻率為基準的電子設備，因諧波的的影響造成過零誤動作，這種多個過零破壞電子設備的運行；諧波會引起樓宇自動化、消防報警、辦公自動化、安全防范等系統的電子裝置誤動作，甚至無法工作。

1.3 諧波惡化電力電纜絕緣和母線過熱。電纜的分布電容可使諧波放大，諧波流過電力電纜時，所產生的集膚效應將會加重，使電纜產生過熱，附加損耗增大。諧波引起電纜損壞的主要原因是浸漬絕緣的局部放電、介損和溫升的增大。

1.4 降低開關設備的開斷能力。高次諧波含量較高的電流將使斷路器的分斷能力降低。這是因為當電流的有效值相同時，波形畸變嚴重的電流與工頻正弦波形的電流相比，在電流過零處的di/dt可能較大。

1.5 起系統各類繼電保護和自動控制裝蓋誤動和拒動。在我國的電力系統中受諧波影響而導致工作失誤或性能劣化的裝置中，以繼電保護和自動裝置為最多。這些繼電保護和自動控制裝置通常都是按照工作于所加電壓或電流為工業頻率和正弦波形而設計的，諧波的存在使它們的正常工作條件受到干擾，嚴重時將造成誤動作。

1.6 對計儀表產生影響，電力測量儀表通常是按工頻正弦波形設計的，當有諧波時，將會產生測量誤差。對通信系統產生干擾，諧波會對鄰近通信線路產生諧波電壓的靜電干擾和諧波電流的電磁干擾，諧波干擾會引起通信系統的噪音，降低信號的傳輸質量，降低語言或圖像的清晰度，干擾嚴重時會破壞信號的正常傳遞，引起信號的丟失，使系統無法正常工作。

1.7 諧波對辦公、民用低壓電器的影響。計算機、繪圖儀、打印機和很多家用電器、燈具既是小型或微型諧波源，又是受諧波有害影響的電器，諧波會使計算機數據丟失，程序出錯，甚至損壞。

2 電力系統發展過程中諧波源的來源

2.1 發電機的諧波同步發電機產生的諧波電動勢是由于轉子和定子之間空氣隙中的磁場非正弦分布所引起的。發電機每對磁場下氣隙中的磁場不可能完全按正弦分布，發電機實際運行時，氣隙磁場非嚴格正弦波，含有一定諧波成分，而這是由磁場的結構所決定的。因此發電機的輸出電壓本身就含有一定的諧波，其諧波電壓的幅值和頻率取決于發電機本身結構和工作狀態。

2.2 變壓器的諧波該諧波主要是磁路非線性引起的。變壓器的勵磁回路具有非線性電感，因此勵磁電流是非正弦波形。變壓器的原邊繞組通常認為加的是正弦電壓，變壓器勵磁電流im產生了鐵心中的磁通，由于磁路的非線性，要產生正弦波磁通，勵磁電流應為尖頂波，若勵磁電流為正弦波，磁通將為平頂波。無論尖頂波還是平頂波，它們中都含有全部的奇次諧波，其中以次諧波含量最大。若勵磁電流為尖頂波，則作為受電端的變壓器原邊，其電流含有諧波。若磁通為尖頂波，那么副邊相電壓將為非正弦波，輸出電壓就含有諧波成份。

2.3 電力電子變流裝置的諧波隨著科技的發展和辦公、家用電器的普及，各種電力電子裝置進入了電力系統，這些大大小小的諧波源都給電力系統造成了諧波污染。由于諧波的含量取決于裝置本身的特性和工作狀況，基本上與電力系統的參數無關，因此可看作諧波恒流源。而實際上，由于電力系統，尤其是低壓配電網的容量有限，諧波電流注入電力系統后，在系統內阻上造成的諧波壓降，使電力系統中各點電壓產生畸變。

2.4 低壓電器的諧波由低壓電網供給電源的各種電器設備，在現代建筑中的辦公樓、商住樓、住宅公寓中廣泛使用。它們都帶有小功率的整流裝置，有的電器帶小容量變壓器，其勵磁電流所占比例較大，雖然其單個容量小，數十瓦到數千瓦，但數量較多且分布很廣，它們產生的高次諧波也會對電力系統造成影響，加重電力網的諧波污染。

3 電氣設計中諧波抑制的方法

現在的研究主要是從兩個方面考慮，一是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的二是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控制為，這通常適用于中小功率裝置或系統中比較集中的主要諧波源的電力電子裝置。

3.1 采用LC組成的無源調諧濾波器(Passive Power Filter)以前傳統的諧波補償辦法主要是采用LC組成的無源調諧濾波器，由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成。它利用電容、電感在諧波頻率時發生諧振，提供諧波入地的低阻通路，使諧波導入大地脫離電網。它工作在基波時呈容性，能夠同時補償電網中感性無功功率，具有結構簡單、技術成熟、前期投資少、功率容量大、運行可靠性高、運行費用低等優點，一直被廣泛使用。

3.2 有源電力濾波器(Active Power Filter-APF)有源濾波器是20世紀80年代以來逐漸興起的諧波抑制新方法，目前已經成為諧波抑制的一種趨勢。有源電力濾波器也是電力電子裝置，原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個大小相同極性相反的諧波電流，從而達到補償諧波的效果，使電網電流只含有基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，補償特性不受電網阻抗的影響，因而受到廣泛的重視，日本在這方面的研究與應用走在世界前列。一些世界知名電氣設備制造商也都有各自的APF產品。

3.3 高功率因數變流器整流裝置是電力系統的主要諧波源。對整流裝置改進，使其盡量不產生諧波，并且電流電壓同相位，稱高功率因數整流器或高功率因數變流器。主要包括，采用整流電路的多重化，采用PWM(脈寬調制Pulse Width Modulation)整流電路，采用帶斬波器的二極管整流電路，矩陣式變頻電路等等。

4 結語

電網諧波是影響電能質量的一個重要方面，現代建筑中諧波主要來自于兩方面，一是來自公用電網本身具有一定的諧波含量，對敏感的電子設備的正常運行構成了嚴重威脅，甚至毀壞硬件，數據丟失，所造成的經濟損失是巨大的。二是現代建筑中大量的非線性負荷如電子設備及電氣設備形成的諧波源對配電系統污染嚴重，導致配電系統的電壓、電流發生畸變，產生諧波。

參考文獻：

[1]王琮澤，周佳峰，池耀丹.諧波電流的產生和諧波電流引發的問題的研究[J].長春理工大學學報(高教版).2007.04.

[2]王少杰，羅安.新型諧波電流預測技術研究[J].電氣傳動.2008.10.

作者簡介：

袁恒（1985—），男，山東省城建設計院二分院

王麗娟（1983—），女，山東省城建設計院二分院