民用建筑電氣系統諧波污染問題探討

劉曉坤

【摘要】針對民用建筑電氣系統諧波污染問題及產生的原因分析，通過進行諧波抑制時必須兼顧諧波抑制和功率補償的要求，有效防治諧波污染。

【關鍵詞】諧波污染? 電氣系統? 民用建筑? 防治措施

隨著樓宇自動化進程的不斷發展，形式多樣的非線性負載，如熒光燈、不間斷電源以及變頻空調等非線性設備在辦公樓宇等民用建筑中的廣泛應用，這些非線性設備產生了大量的諧波，正日益成為低壓配電系統主要的諧波源，非線性負載產生的諧波電流如果不加抑制直接注入系統，必然引起電網波形畸變，導致變壓器發熱，增加電網網損，造成電能浪費，給電網安全運行帶來影響;另一方面，非線性負載造成電網波形畸變，污染周圍的電氣環境，影響其他的敏感設備正常運行。

一、民用建筑電氣系統諧波問題

民用建筑電氣系統諧波源及其危害性分析。民用建筑電氣系統中具有非線性特性的用電設備主要是電子開關型設備，包括交直流換流設備，雙向晶閘管可控開關設備，以及PM變頻器等電力電子設備。

單相整流負載。單相負載主要包括辦公樓宇中廣泛使用的計算機、顯示屏幕、節能燈、電梯，空調等負載。其中計算機負載的諧波電流最大。分析測試單相負載的諧波電流主要以3次、5、7次以及9次等諧波為主。計算機負載的諧減電流含量較大。不同品的個人計算機諧波電流含量有所不同，多臺計算機負載諧波疊加后總畸變率將有所減小，但是3次、5次諧波疊加后幅值減小的程度不大。節能燈的諧波在30%左右。電梯扶梯和空調負載的諧波電流在20%左右。其諧波含量隨運行狀態變化而有所不同。

三相負裁。三相負載主要是三相變頻負載，包括各種生活水泵，三相UPS電源。對不同品牌變頻器，UPS電源進行了諧波電流含量測試和分析，可知：變頻整流設備產生的諧波電流以5次和7次為主，不采取諧波抑制措施諧波電流畸變率可達到70%以上。在不進行諧波抑制情況下，變頻裝置諧波電流的大小跟的功率有關，一般情況下功率越小，其諧波電流畸變愈大，但諧波電流在電網上產生的電壓畸變與電網的阻抗密切相關。某些變頻器產品自身配備了一些諧波抑制裝置，如直流平波電抗器，3%或者4%的進線電抗器，可將諧波電流減小到40%或更低。

二、民用建筑電氣系統變壓器側諧波

民用建筑電氣系統中，變壓器主要存在幾方面的問題：由于單相負載的大量使用，零序諧波電流在中線疊加，使得零線電流過大，造成變壓器過熱，造成火災隱患。通常情況下，單線負載功率因數較高，常存在功率因數超前的問題。單相負載個人如計算機和電梯的運行與停止有很大的不可預測性，諧波變化較大。負載變化隨機性較大，負載隨季節性變化較大。

三、民用建筑電氣系統諧波污染的防治措施

目前，對民用建筑電氣系統諧波治理可采用兩種方式，第一種，改變負載運行方式，減小負載諧波電流注入電網，如，盡量使單相負載在三相配電系統中平衡運行，增加三相負載的脈動數以減小諧波電流;第二種，在裝設濾波器為諧波電流提供支路以減小電流注入電網，濾波器包括無源濾波器和有源濾波器兩種類型，有源濾波器效果較好，但目前而言穩定性和經濟性不比無源濾波器。無源濾波器又包括并聯LG濾波器，中線串聯阻斷器類型，以及曲折接線變壓器型。對于設計成熟的建筑電氣系統，采用第二種方式較為自由和方便，以下將著重分析不同結構形式的無源濾波器在民用建筑電氣系統中的使用優勢。

調諧LG濾波器。調諧LC濾波器可以對單相系統、三相系統以及三相四線制系統進行諧波抑制，具有較廣泛的使用范圍。LG濾波器常采用單調諧形式，傳統的單調諧濾波器為并聯形式，為了提高濾波器效果，在負載上游用來進行諧波治理濾波器也常設計采用串聯電抗器和并聯電抗器相組合的方式進行抑制諧波，國外的MTE、 Schaffner以及國內的航天706所均有成熟產品。單調諧濾波器利用R、L、G電路串聯諧振原理構成通常也具有無功補償的功能分析測試結釆可知，①組合LCL濾波器的濾波效果優于并聯LC濾波器。組合LCL濾波器可以將諧波電流畸變率降低到12.3%，而并聯LC濾波器濾波效果達到23%。②傳統并聯LC濾波器引入功率因數超前的問題，功率補償和濾波效果不能兼顧。在并聯支路容量為負載容量的30%情況下，采用并聯調諧濾減器的形式儀能將諧波總畸變率抑制到30%左右。三次諧波電流較大，因此需要較大容量補償電容器濾除諾波，因此存在了補償功率與諧波抑制難以干做的問題。③細合LCL濾波器適用于負載側，愛負我影響較大一些。④LCL濾波器價多一組元件，成本較高。

中線串聯型濾波器。為了抑制中性線諾液電流。可在三相四線制中線串聯濾波器串聯斷器將電溶電抗部聯，設置諧振在3米，從而對干次諾波形成高阻抗回路，從而抑制中線上3次諧波電流達到抑制中線電流的目地。某民用建筑安裝串聯阻斷器型濾波器，對該建筑的廣告顯示彩燈帶來的中線諧波電流進行了抑制，測試安裝濾器前后諧電力數據分析可知。①厘斷器可以對中性線電流具有顯著的抑制作用。在負載不平衡情況下，諧波抑制性能也較好。②串聯阻斷器會引起中線電壓偏移，增大中線阻抗。在電容濾波的整流橋，零線電壓漂移將穩定為30-40V左右，若整流橋中具有電抗器，則零線漂移將隨中線電流的的增大而增大，影響負載端電壓。③串聯阻斷器對中線零序諧波電流具有抑制作用，但是對與相線上5次、7次諧波電流具有放大作用。測試可知，安裝濾波器后，5次、7次諧波電流可分別由23.9%和8%升高到4%4和20%。

民用建筑電氣系統負載相對于其他負載，一般功率因數較高，相線諧波含量高，中線上零序諧波電流較大，負載變化較大，不易控制。對建筑電氣系統進行諧波治理可分為幾種方式：對建筑電氣系統中的較大功率的三相負載以及單相負載果中使用的場合，可以采用LC調諧濾波器的形式，針對單獨的負載進行諧波抑制，減小諧波電流向上流發射。并聯LC濾波器二般向系統發出較大的無功功率，且濾波效果不佳，可采用組合LCL的濾波方式。單相負載集中使用的場合，中線零序諧波電流的治理可采取安裝曲折接線變壓器的形式。負載單一，且負載對端電壓具有一定容忍性的環境如單獨配電的使用節能燈彩燈的廣告屏，其中線諧波治理可采取串聯阻斷器的形式，采用這種方式，投入成本低。無源濾波器可靠性較高，但是不能動態跟蹤負載諧波變化，在負載變化較大。同時對諧波敏感的需要動態控制的環境，可考慮采用有源濾波器的方式。

民用建筑電氣系統負載多樣，均不同程度的產生諧波電流，同時功率因數較高，進行諧波抑制時必須兼顧諧波抑制和功率補償的要求。

參考文獻：

[1]陳國.現代建電程中的電源諧波研究[J].科技資訊，2017，（03）.