建筑電氣設計中電源諧波抑制方法探析

袁紅

[摘 要]電力是一種常用的能源，無論是人們的日常生活還是工業生產，都離不開電力供應。人們對于供電質量的要求越來越高，電源諧波的存在成為了電氣設計中的一大危害。本文通過簡述電源諧波的概念，討論電源諧波存在的危害性，并提出建筑電氣設計中電源諧波抑制方法，從而更為有效地減輕或消除電源諧波，提高供電質量與可靠性。

[關鍵詞]電氣設計；電源諧波；諧波抑制

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.20.053

1 電源諧波的概念

電源諧波的定義是：在一個周期之內電氣量的正弦波分量，電源諧波的頻率與基波頻率之間是整數倍的關系。從電源諧波的定義中可以看出來，只要電源的電壓或者電流的波形并非是正弦波，那么，就會出現電源諧波。而當電壓加在電阻、電容、電感之類的線性負載上時，不會改變波形，因此，其電壓與電流的波形都是正弦波。然而，當電壓加在非線性負載時上，其電壓與電流的波形都會變成非正弦波，這時，通過電網的電流就是非線性的，就產生了電源諧波。

2 電源諧波存在的危害性

2.1 電源諧波會增加電器設備的附加諧波損耗

一是諧波電流會增加變壓器的銅損與漏磁消耗，并且諧波電壓會增加變壓器的鐵損，使變壓器溫度上升，加速變壓器損壞。二是電源諧波會使電機的振動與機座發生共振，從而使電機過熱，損壞電機元件。三是電源諧波會使電容產生額外的功率，不僅消耗大量電力，還會造成電容過熱、過壓。

2.2 電源諧波會損壞敏感電子設備

一是敏感電子設備極易受到電源諧波的影響而發生誤動，尤其是一些由大量零部件組成的電子設備，受電源諧波影響非常大。二是電子設備的正常運行依靠的是波形峰值來使電容器全充電，而電源諧波這種不規律的波形，將會使波形峰值過高或者過低，使電子設備無法正常使用。三是電源諧波會引起建筑物內的一些自動化、報警、安全防護系統內部的電子設備誤動作，引起設備的非正常工作。

2.3 電源諧波會破壞電力電纜的絕緣性

電纜內部存在的電容會在一定程度上放大電源諧波，當諧波電流流過電纜時，就會產生部分熱量，當電流產熱達到一定程度時，就會造成電纜過熱，從而破壞電纜絕緣性。電纜絕緣性被破壞之后，將會造成電纜漏電等故障，容易誘發漏電危險。

2.4 電源諧波會削弱開關設備的開斷能力

當電路內存在明顯的諧波電流時，電路中的斷路器的磁吹線圈將會受到影響而無法正常工作，使電源開關失去開斷能力，同時，由于電源開短時間過程，進一步延長了故障電流切除的時間，容易造成重新合閘后產生再燃的問題。另外，當電路中的電感電流被切斷時，將會產生更大的諧波電壓，對電路中的電容器產生更嚴重的影響。而諧波電流會影響電磁接觸器的動作電流，造成電路中電壓、電流雖然在正常符合范圍內，卻出現跳閘現象。

2.5 電源諧波會引起繼電保護、自動控制裝置的誤動、拒動

繼電保護、自動控制裝置的工作原理就是利用加在設備上的電壓以及電流的頻率來判斷其應當采取的動作。然而，當電源諧波出現時，就會嚴重干擾這些設備的正常工作條件，也就會產生誤動作。

2.6 電源諧波會對計量儀、通信系統等產生影響

通常來說，電力計量儀都設計為按照正弦頻率進行工作，當電源諧波出現時，不規律的諧波就會對計量儀產生影響。由于儀器自身設計原理和結構、工作條件有所不同，計量時所產生的誤差的會有所區別。另外，電源諧波對通信系統所產生的干擾，是目前國際上最為重視的電力干擾問題。電源諧波會對距離較近的通信線路產生與原本正弦電壓不同的諧波電壓，從而產生靜電，另外諧波電流也將會引起電磁干擾，當通信設備受到電源諧波的影響時，會產生噪聲，降低通信信號的質量，通信終端所接收到圖像、聲音清晰度會大大降低。

2.7 電源諧波會對低壓電器造成影響

一些辦公、民用電力設備，它們自身既能夠產生電源諧波，同時，又極易受到電源諧波的影響。當計算機受到電源諧波的影響時，將會數據丟失、程序錯誤等情況，無法正常使用。電視、收音機等電力設備受到電源諧波的影響時，會降低其使用壽命。電源諧波所造成的危害程度取決于電源諧波量的大小以及電力設備自身的條件。為了保護電力設備，保障電力正常使用，就必須加強對電源諧波的控制。

3 建筑電氣設計中電源諧波抑制方法

3.1 運用LC組成無源調諧濾波器

傳統的抑制電源諧波的方法主要是運用LC構成的無源調諧濾波器，這種濾波器的主要由以下幾個組成部分：一是濾波電容器，二是電抗器，三是電阻器。其工作原理是利用電容和電阻在出現電源諧波諧波時，發生諧振，從而為諧波提供一條入地的低電阻通路，引導諧波進入大地而脫離電路。這種濾波器結構較為簡單，對技術要求低，并且資金投入少，是傳統抑制電源諧波的主要方法。然而，這種濾波器也存在很多不足之處，如濾波器極容易受到電網阻抗和運行狀態的影響，并且容易與電力系統發生并聯諧振，從而使電源諧波被再一次放大。并且這種濾波器只能處理固定頻率的電源諧波，當電路的容量增大而阻抗較小時，對濾波器的性能要求極高，另外，當基波頻率本身就存在波動時，濾波器能夠發揮的作用非常有限。

3.2 運用有源電力濾波器

第一，有源電力濾波器的優點。相對于傳統的無源調諧濾波器來說，有源電力濾波器不容易受到諧波頻率變化及幅度大小的影響，能夠有效地抑制電源諧波，對電路進行更為高效的無功補償。并且能夠基本不受電力系統阻抗的影響，不會與電路形成共振，電力系統的結構變化不會影響濾波器的補償效果，同一臺濾波器能夠對不同諧波同時進行補償，即使高次諧波發生了一定的變化，濾波器也能夠進行無功補償，濾波器自身能夠對輸出進行限制，不會因過載而導致濾波器損壞。

第二，有源電力濾波器的工作原理。這種濾波器主要由兩部分組成，一部分是指令電流運算電路，其主要功能是檢測出補償對象電流中的諧波以及無功等分量；另一部分則是補償電流發生電路，其主要作用是根據指令電流運算電路所得到的補償電流發出的指令信號，產生相應的補償電流，從而抑制電路中的電源諧波，使電路中的電壓與電流都能夠達到穩定狀態，消除諧波為電路帶來的影響。

第三，有源電力濾波器的發展前景。一是要進一步完善有源電力濾波器的相關理論，從理論上為處理電路諧波、無功補償提供更為可靠的保障。二是要進一步研究關于降低補償裝置相對于諧波源裝置的容量，并將其投入到實際應用中。三是要不斷完善濾波器的控制系統，運用更為簡單的結構來設計有源電力濾波器裝置，使其更易操作、維護。四是要不斷豐富補償裝置的功能，達到更好地抑制電源諧波的效果。

第四，有源電力濾波器的種類。根據用戶常用的電源種類的不同，可以講有源電力濾波器分為交流有源電力濾波器和直流有源電力濾波器兩種。另外，根據有源電力濾波器與電力系統以及負載之間不同的連接方式，還可以分為并聯型有源電力濾波器、串聯型有源電力濾波器以及混合串聯型有源電力濾波器、混合并聯有源電力濾波器等多種類型。

3.3 運用高功率因數變流器

電力系統中，產生電源諧波的主要裝置就是整流裝置，如果能夠對整流裝置進行適當的改進，消除其產生的諧波的可能性，并且使其產生的電流與電壓保持在同一相位上，就能夠有效地抑制電源諧波。高功率因數變流器就是通過改進整流裝置來達到抑制電源諧波的目的。利用高功率因數變流器，能夠對進入電路的電流進行控制，使整個電路中的電流與電壓都呈正弦波形，并且避免受電網頻率的影響，從而使電流電壓的波形始終保持相同的正弦型。并且高功率因數變流器能夠提高電路中的功率因數，增加電力的利用效率，為用戶提供更高質量的電力資源。

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