諧波對建筑電氣設計的影響及對策分析

唐振宇　劉釗

摘要：在建筑電氣設計中，諧波是一個必須要考慮的因素，因為諧波會影響用電設備的正常運行，甚至會導致電力系統崩潰，嚴重影響電能質量。文章在分析諧波產生原因的基礎上，分析了諧波對建筑供配電系統產生的影響，并提出了相應的處理對策，對保證建筑電氣供配電系統能夠安全、可靠、經濟運行具有一定的實用價值。

關鍵詞：諧波；建筑電氣設計；電能質量；用電設備；電力系統；建筑供配電系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU85 文章編號：1009-2374（2017）10-0162-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.081

建筑電氣供配電系統中，由于用電設備及線路的干預，很容易產生諧波。諧波對電氣設備、供電系統會產生很大的危害，不僅影響電能質量，甚至會導致電氣系統崩潰或是引發火災。因此，在建筑電氣設計中，必須要考慮諧波干擾問題，必須要制定出科學合理的諧波治理方案，盡可能地減少諧波帶來的危害，以保障建筑電氣系統能夠安全、可靠、經濟運行。

1 諧波產生的原因

在供配電系統中，從理論分析，如果電流和電壓都處于理想狀態，那么電流和電壓都會表現出正弦波形，而如果周期性電量超出基波頻率整數倍，電流大于基波頻率時，諧波就會出現。在公用電網系統中，配電變壓器就是一個諧波源，通過諧波源產生諧波，然后傳輸到配電系統中。在建筑工程的供配電系統中，無論是計算機系統、各種消防設施、常用的通訊設備以及各種照明設施、開關電源等，在日常使用的環節都不可避免會出現諧波。這些設備之所以會產生諧波，主要是其在運行過程中產生了很多非線性負荷，電流與電壓產生了畸變。諧波出現后，會對供配電系統及電氣設備帶來較大危害，不僅會增加建筑電氣系統的運行負擔，也可能會導致供配電系統損壞或崩潰，影響供電質量。在建筑電氣設計過程中，考慮諧波的危害并制定科學合理的治理措施是很有必要的。

2 諧波對電氣設備產生的影響

2.1 諧波對變壓器設備產生的影響

2.1.1 變壓器輸入電壓以及輸出電壓的影響因素。變壓器主要由線圈和鐵芯組成，當諧波電流經過變壓器線圈時，線圈周圍就會產生交變磁場，形成集膚效應，變壓器內部的電阻、電抗等參數也會發生改變，進而會影響到變壓器的輸入電壓和輸入電壓。設定變壓器的電路屬于T型電路，那么諧波分量就是電流源，能夠在變壓器上產生疊加，此時的T型等效電路就會成為諧波作用下的等效電路，疊加到第n次諧波時，就會形成如圖1所示的諧波T型等效電路，此時變壓器的輸入電壓及輸入電壓都會發生改變。另外，由于變壓器的鐵芯在材料、工藝及結構上有很大不同，這也是導致變壓器輸入電壓以及輸出電壓不斷惡化的關鍵影響因素。

2.1.2 影響變壓器的損耗。變壓器的常見損耗主要分成兩個部分，也就是負載損耗還有空載損耗。所謂負載損耗指的是經過變壓器繞組負荷電流所產生的損耗，空載損耗則是發生在變壓器內部鐵芯疊片上的損耗。在不分析變壓器生成的諧波影響的基礎上，諧波會給變壓器的損耗帶來直接的影響，諧波電流經過變壓器線圈時，集膚效應會導致變壓器線圈阻抗變大，這將導致變壓器的損耗增大。

2.2 諧波對導線產生的影響

2.2.1 對線路損耗的影響。諧波電流在通過導線的時候能夠生成線路損耗，導線的等效電路圖、理想介質損耗及實際介質損耗如圖2所示。假設電纜是以直接埋地的方式敷設，導線和地就構成了電容器，導線和地是電容的兩極，導線的絕緣材料及其他中間物質是電容介質，由于理想電容器不存在，所以一定會產生介質損耗。

2.2.2 影響中性線。由于諧波會引起線路損耗增加，當線路損耗超過某一介值時，則會導致相線過載。在具體的配電系統當中，不管是三相四線制或者還是三相五線制，產生的諧波都會對中性線產生非常嚴重的影響。以居民住宅建筑為例，隨著用電設備的不斷更新，非線性負載不斷增多，諧波電流不斷增長，通過中性線的電流不斷變大，這將導致導線絕緣加速老化，甚至會引發電氣火災事故。

2.3 諧波對電容器的影響

在電氣系統當中，諧波對電容器產生的影響是不容忽視的。一旦出現諧波問題，電容器就會相應的出現功率損耗，導致電容器的絕緣介質加速老化，隨著諧波電流的不斷增加，電容器以及設備系統當中的各種電氣元件會出現諧振，最終使得電容器運行超載，相關的那些設備及線路就會發生超壓、閃變等問題，將可能導致供電系統發生大范圍損害。

2.4 諧波對繼電器的影響

繼電器主要有電磁型繼電器、感應型繼電器和整流型繼電器三種，諧波對這三種繼電器的影響有較大差異。電磁型繼電器主要由電磁鐵、銜鐵、低壓電源和開關組成，電磁鐵通電后產生電磁動作轉矩，銜鐵在電磁鐵引力下產生動作。電磁繼電器當中的電磁轉矩磁以及鐵線圈電流的平方成正比，動作電流根據基波電流完成設計。諧波帶來的主要影響體現在不管諧波的次數，動作電流在到達特定的取值之后，電磁繼電器當中的銜鐵就會隨之產生動作，尤其是當線路中含有諧波含量比較高的勵磁涌流時，繼電器就會產生誤動作，導致開關跳閘。感應型繼電器受到諧波的影響較小，主要是由于這種類型的繼電器如果是圓盤形狀或者是圓筒形狀，在磁場的影響下會生成電流從而產生轉矩，在此基礎上推動圓筒或者是圓盤活動，因為圓盤或者是圓筒在活動的時候有很大的慣性，因此即便諧波在瞬時作用影響下也會生成感應電流，繼電器的圓筒或者是圓盤幾乎不會發生誤動作問題。整流型的繼電器則是借助于整流之后的電壓信號或者是電流信號來實現繼電器的控制，諧波問題會使得回路當中的電流或者是電壓在短時間內顯著上升，因此整流型繼電器受諧波的影響最為嚴重。

2.5 諧波對電能計量設備的影響

電能計量設備主要有電磁感應式電能表和電子式電能表兩種，諧波對這兩種電能表的影響有不同的表現。電磁感應式電能表不能測量出諧波電流所產生的有功功率，當有諧波出現時，電能表的測量值與實際電流功率相比會產生誤差。電子式電能表能夠測量出諧波電流產生的有功功率，但值得注意的是，如果諧波源屬于負載側，而諧波向則向著電網一側流動，同基波的方向是不同的，這個時候電能表計算得到的電量實際上要顯著低于具體負載所需要的電量，這個問題是電子式電能表的顯著缺陷。

2.6 諧波對通信線路的影響

通常情況下，電力系統的傳輸功率是以兆瓦（MW）為單位進行計算，而通信系統的功率是以毫瓦（mW）為單位進行計算，因此即便電力系統中有很小的諧波電流，一旦耦合到通信線路中，整個過程就很有可能會產生很大分貝的噪聲，導致通信線路當中的信號出現嚴重的失真問題，從而給通信質量帶來不良影響，同時也會對通信設備造成嚴重的干擾，使得通信線路中斷，在問題嚴重的時候可能會發生人身方面的安全事故。研究表明，不平衡諧波電流對通信系統的干擾是最嚴重的，因此為了降低諧波對通信系統的影響，應適量保持電力線路與通信線路之間的距離，盡量采用屏蔽電纜或是絞線電纜，提高通信設備的抗干擾能力。

3 建筑電氣設計中諧波的治理對策

在建筑電氣設計中，如何治理諧波是設計人員必須要考慮的問題。治理諧波的方式主要從減少諧波的來源、檢測過濾諧波以及降低諧波的危害幾個方面進行考慮，具體來說主要有提高供電量、更換變壓器、利用濾波器、利用諧波保護器等形式。

3.1 減少諧波的出現

3.1.1 提高供電量。提高供電量能夠有效減少諧波的產生。建筑電氣設計人員在進行設計時可以適當考慮通過提高供電量來抑制諧波出現，包括采用加大電纜面積或者是增加發電機容量以及電容器容量的途徑。通過增加電纜面積，有利于最大限度避免集膚效應，防止諧波的出現，加大發電機容量或者是電容器容量能夠降低諧波出現的頻率。采取以上兩種方式來減少諧波的出現會在一定程度上增加電力的投資成本，同時也會增加用戶的用電成本，因此如果采取其他方式可以減少諧波產生的影響時，應避免采取這兩種方式。

3.1.2 更換變壓器。通過更換一些特殊的變壓器能夠有效抑制諧波的出現。這種處理方式雖然簡單高效，但需要投入很高的資金成本，而且只針對一些典型諧波起作用，因此在綜合考慮非線性負載的各種復雜情況下，這種方式只適合應用于一些特殊場合中。

3.2 利用濾波器檢測過濾諧波

3.2.1 有源濾波器。將有源濾波器與非線性的負荷進行并聯，可以高效快速檢測非線性負荷導致的諧波。利用有源濾波器檢測過濾諧波時應注意選擇合適的安裝點，盡量與諧波源接近，以抑制諧波發生畸變，提高過濾效果。

3.2.2 無源濾波器。無源濾波器與有源濾波器有很大區別，在檢測與過濾諧波時無源濾波器需要與電容器及電抗器相串聯，并且只有采用與諧波相對應的額定濾波器才能處理不同的諧波。另外，無緣濾波器由于在過載情況下容易燒毀，導致其失去檢測與過濾諧波的作用，因此無源濾波器與有源濾波器相比，效果較差。

3.2.3 混合濾波器。混合濾波器可以說是源濾波器以及無源濾波器之間的混合體，主要用于用電可靠程度高同時諧波控制嚴格的場合。濾波器通過有源濾波器從電容中得到直流電壓，通過濾波電感來降低諧波，再通過跟無源濾波器一起使用來有效控制諧波。混合濾波器綜合了有源濾波器與無源濾波器的優勢，能夠充分發揮濾波器的功用。

3.3 利用濾波保護器降低諧波影響

除采用部分措施降低諧波出現或通過濾波器檢測并過濾諧波外，還可以采用濾波保護器來降低諧波的影響，保障電氣系統中的用電設備及線路正常運行，提高用電質量。濾波保護器主要是根據諧波危害供配電系統的特點，采取合適的磁場吸收諧波的能量，最大限度消除減少諧波影響，實現用電設備保護目的。從諧波源處消除高次諧波及高頻噪聲，吸收諧波能量，保護電氣系統免受損害。

4 結語

諧波對建筑電氣系統的影響是不容忽視的，為了提高供配電系統的安全性與可靠性，對諧波進行深入研究很有必要，只有對諧波有了充分的認識，才能有更好的治理措施。建筑電氣設計人員應充分認識到諧波的危害，在設計過程中應根據具體情況采取科學合理的方式來減少諧波的發生，降低諧波的危害，提高供電質量。

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作者簡介：唐振宇（1987-），男（土家族），湖南長沙人，中機國際工程設計研究院工程師，研究方向：電氣設計；劉釗（1985-），男，河北石家莊人，中機國際工程設計研究院工程師，碩士，研究方向：電氣設計。

（責任編輯：小 燕）