民用建筑電氣中諧波污染及治理方法淺析

宋海英 周日紅

（1.中國聯合工程公司 浙江 杭州 310022；2.高地〈杭州〉房產開發有限公司 浙江 杭州 310000）

隨著科學的進步和人們生活水平的日益提高，越來越多的電力電子產品應用于日常生活中，這些非線形負載，致使電力電網中產生大量的諧波。這些設備產生的諧波對電網質量、電器設備、通訊系統等有很大危害。因此，諧波的測量、治理與抑制諧波意義重大。

在電力系統中諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致，非線性負載即諧波源。民用建筑電氣中，主要的諧波源有（1）照明系統中的照明鎮流器、調光設備（相位角控制器）。（2）計算機、復印機、打印機等辦公自動化設備。（3）UPS不間斷電源及開關電源。（4）電梯、水泵、空調等動力設備中普遍應用的變頻傳動裝置（VFD）（5）其他非線形家用電器和電子設備。當電流流經這些負載時,與所加的電壓不呈線性關系,就形成非正弦電流,即電路中產生了諧波。非正弦波通常是周期性電氣分量，,根據法國數學家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明,任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是非正弦波,每個諧波都具有不同的頻率,幅度與相角。諧波頻率是基波頻率的整倍數，按諧波次數可以分為偶次諧波與奇次諧波。在平衡的三相系統中,由于對稱關系,偶次諧波已經被消除了,只有奇次諧波存在。故奇次諧波對電力系統的危害更大。對于三相整流負載,出現的諧波電流是 6n±1 次諧波,例如 5、7、11、13、17、19等,變頻器主要產生5、7次諧波。諧波具有疊加性，例如當電網中僅有3次諧波出現時，對原有正弦基波波形影響如圖1所示；當3次、5次諧波同時出現時，就會使正弦波明顯地發生了變化，影響如圖2所示。

圖1 u1、u3及其疊加波形

圖2 u1、u3、u5及其疊加波形

如果繼續疊加，原正弦波就會發生質的變化。可見，諧波對電網影響之大。

民用建筑電氣中，諧波對電網的危害主要有:

（1）增加了變壓器和用電設備的附加損耗。

由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數倍，高頻電流流過導體時，集膚效應、磁滯、渦流也更大，變壓器的銅損、鐵損也更大，從而增加了變壓器的、電能損耗。諧波電流還會引起變壓器外殼、外層硅鋼片和某些緊固體的發熱。變壓器的發熱程度直接影響變壓器使用容量，有可能引起變壓器局部嚴重過熱，形成額外溫升而要考慮降容問題。

（2）電源對現代建筑輸電線路影響大。

諧波流過電力電纜時，因電纜的分布電容可放大諧波，電纜的集膚效應加重，使電纜過熱，附加損耗增大，電力電纜載流能力降低或燒壞導線，引發火災。同時，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正弦波形的電流相比，在電流過零處的可能較大。當存在嚴重的諧波電流時，某些斷路器的磁吹線圈不能正常工作，開斷將更為困難，而且由于開斷時間延長而延長了故障電流切除時間，容易造成電弧重燃，發生短路，甚至斷路器爆炸。

（3）影響電力測量儀器儀表讀數的準確性。

電力計量裝置都是按50Hz的標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下，當采用電子式電能表計量時，非線性負荷端，電能表除記錄了負荷吸收的基波電能外會扣除一小部分諧波電能，從而諧波源雖然污染了電網，卻反而少交電費；而與此同時，在線性負荷端，電能表記錄的是負荷吸收的基波電能及部分的諧波電能，這部分諧波電能不但使線性負荷性能變壞，而且還要多交電費。

（4）諧波會影響辦公、民用低壓電器的正常運行，使設備過熱，降低設備的效率和利用率。

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，影響自動控制的家用電器的正常工作，如電視機、收音機、洗衣機等熒光燈的伏安特性是嚴重非線性的，因此會引起嚴重的諧波電流，其中3次諧波電流含量最高，同時電網中的諧波叉會使日光燈、白熾燈異常發熱減少使用壽命，特別是對白熾燈光源的的影響，美國tES照明手冊指出，若諧波引起電壓升高5%，則白熾燈壽命降低47%。

（5）對通信系統產生干擾。

諧波對通信系統的干擾是一個在國際上被十分重視的問題，對此已進行了充分的研究。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，降低語占或圖像的清晰度，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。在電力線載波通信的系統中，由于諧波的影響，造成系統誤動作，甚至無法運行。電力網中的平衡電流一般對通信系統影響不大，而不平衡電流，特別是不平衡諧波電流對通信系統可能產生嚴重的干擾。

認識到諧波的危害，對配電網中的高次諧波的測量與治理十分的重要。諧波測量應在最嚴重的條件下進行。諧波的測量方法有:基于傅立葉變換的測量方法;基于瞬時無功功率理論的測量方法;基于神經網絡的檢測方法;基于小波分析的檢測方法.以上方法是目前諧波檢測的主要方法，我們可以根據不同的情況選擇測量算法。傅立葉算法是目前諧波測量中最基本的方法，廣泛應用于諧波測量儀器當中；以瞬時無功功率理論為基礎，可以得出實時檢測有源電力濾波器的諧波和無功電流的方法，也可應用于無功補償等諧波抑制領域；小波分析和人工神經網絡是目前諧波測量方法的熱門問題，是正在研究的新方法、新理論，它可以提高諧波測量的實時性和精度。隨著電網中非線性負荷的增多，諧波污染日益嚴重。今后的諧波測量算法應該從簡單的函數分析方法向復雜的數值分析和信號處理方向發展，同時這些算法應該是智能化的。諧波測量裝置，按測量功能分有頻譜分析儀和諧波分析儀。民用建筑電氣中，根據測量得出:熒光燈、緊湊節電燈、電腦、電視、電冰箱、洗衣機、單相變頻空調等，諧波電流的特征頻率為3、.5、7次，而3次最大；三相變頻調速風機、水泵、電梯諧波電流的特征頻率為5、7、11次，而5次最大。抑制諧波方法基本思路有三，其一是裝設諧波補償裝置來補償諧波，其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1，其三是市電網絡中采用適當措施來抑制諧波，具體方法有以下幾種:

（1）安裝適當電抗器

變頻器輸入側功率因數取決于裝置內部AC-DC變換電路系統，可利用并聯功率因數教正DC電抗器，電源側串聯AC電抗器方法，使進線電流THDV大約降低30%-50%，是不加電抗器諧波電流一半左右。

（2）裝設有源電力濾波器

除傳統LC調試濾波器目前還應用外，目前諧波抑制一個重要趨勢是采用有源電力濾波器。它串聯或是并聯于主電路中，實時從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等，方向想反補償電流，使電網電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化諧波進行跟蹤補償，其特性不受系統影響，無諧波放大危險，倍受關注，日本等國已獲廣泛應用。

（3）采用多相脈沖整流

條件允許或是要求諧波限制比較小情況下，可采用多相整流方法。12相脈沖整流THDV大約為10%-15%，18相脈沖整流THDV約為3%-8%，滿足國際標準要求。缺點是需要專用變壓器，不利于設備改造，價格較高。

（4）使用濾波模塊組件

目前市場上有很多專門用于抗傳導干擾濾波模件或組件。這些濾波器具有較強干擾能力，同時還具有防用電器本身干擾傳導給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對各類用電設備有很多好處。

（5）開發新型變流器

大容量變流器減少諧波主要方法是采用多重化技術。幾千瓦到幾百千瓦高功率因數整流器主要采用PWM逆變器可構成四象限交流調速用變頻器。這種變頻器輸出電壓、電流為正弦波，輸入電流也為正弦波，且功率因數為1，還可以實現能量雙向傳遞，代表了這一技術發展方向。

（6）選用D-YN11接線組別三相配電變壓器三相變壓器中把高壓側繞組接成三角形，低壓繞組為星型且中性點和“11”連接以保證相電動勢接近于正弦形，避免相電動勢波形畸變影響。此時，由區低壓電網供電220V負荷，線路電流不會超過30A，可用220V單相供電，否則應以220/380V三相四線供電。

總之，一般住宅建筑，尚未發現諧波造成嚴重后果實例的報導。現階段，可不考慮以濾波器抑制諧波而宜采用調諧濾波電容器。但對于公共建筑和通訊機樓，數據中心應裝設調諧濾波電容器組。在設計階段，當無法估算諧波值時，不應盲目地采用有源或無源濾波器，或采用調諧濾波電容器組。需系統運行之后，根據實測諧波量，再確定諧波抑制辦法。

［1］宋文南,劉寶仁.電力系統諧波分析[M].北京:水利電力出版社，1995.

［2］王兆安,楊君.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業出版社，1998.