賓館建筑的諧波防治

吳 顥

上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200041

為了滿足賓館的功能需求，越來越多的電氣設(shè)備在賓館中投入使用，其中存在著大量非線性用電設(shè)備。這些非線性用電設(shè)備的使用在提升賓館檔次和建筑品質(zhì)的同時(shí)也不斷增加配電系統(tǒng)中諧波的含量。由此，這些諧波的危害和電能的浪費(fèi)也逐步引起重視，諧波的治理也成為了賓館建筑能效提升的重要措施。

1 賓館建筑中諧波的基本原理

電力諧波 (harmonic wave)是指電流中所含有的頻率為基波（國(guó)標(biāo)為50Hz）的整數(shù)倍分量，高次諧波的干擾降低了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，對(duì)于設(shè)備的安全可靠運(yùn)行和電能的高效綠色的使用都十分不利。電力諧波主要體現(xiàn)為諧波電流及諧波電壓。諧波電流是由配電系統(tǒng)和電力設(shè)備產(chǎn)生并相加到基波電流上的一種異常電流。而由諧波電流和系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生的電壓降，再相加到基波電壓上，則稱為諧波電壓。

1.1 賓館建筑中的諧波來源

諧波來源主要有電源端（電網(wǎng)）產(chǎn)生的諧波和賓館的非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波。電源端的諧波由外部電網(wǎng)向用戶側(cè)傳導(dǎo)，一般來說在賓館建筑的諧波中占比相對(duì)較少。賓館的電氣設(shè)備產(chǎn)生的諧波是賓館建筑諧波的主要來源，這類設(shè)備主要由整流設(shè)備、變頻設(shè)備、調(diào)壓設(shè)備等組成。賓館建筑常見的諧波源設(shè)備有氣體放電類燈具、調(diào)光燈具、燈具鎮(zhèn)流器；變頻風(fēng)機(jī)、電梯、水泵；UPS電源系統(tǒng)；電動(dòng)汽車充電樁等。這些在賓館建筑中常見的電氣設(shè)備是賓館建筑中諧波的主要來源。

1.2 諧波在賓館建筑中的危害

（1）對(duì)變壓器：諧波電流和變壓器的銅損正相關(guān)，諧波電流越大，銅損越大；諧波電壓和變壓器的鐵損正相關(guān)，諧波電壓越大，鐵損越大；由此使變壓器的工作噪聲和溫升都變大，使變壓器能效降低。

（2）對(duì)電機(jī)：由于諧波的作用，電機(jī)的轉(zhuǎn)子、定子以及鐵芯中會(huì)產(chǎn)生多余的損耗，這些損耗直接降低用電效率，降低電機(jī)使用壽命。

（3）對(duì)配電線路：諧波電流相對(duì)于基波電流來說是額外的異常電流，同時(shí)由于高頻電流在導(dǎo)體阻抗的疊加效應(yīng)，高頻諧波電流將導(dǎo)致導(dǎo)體或用電設(shè)備過載過熱，無法工作在合理的設(shè)計(jì)值內(nèi)。并導(dǎo)致絕緣損害、并聯(lián)諧振等風(fēng)險(xiǎn)，威脅用電的安全。

（4）對(duì)能耗計(jì)量：高頻諧波使能耗計(jì)量產(chǎn)生誤差。

（5）對(duì)用電操作安全：高頻諧波可能使斷路器在短路時(shí)無法有效跳閘，導(dǎo)致嚴(yán)重危害。

（6）對(duì)空間電磁環(huán)境：高頻諧波產(chǎn)生的空間電磁干擾，影響通訊質(zhì)量。

1.3 從電磁兼容的角度分析電力諧波

諧波屬于傳導(dǎo)為主的電磁干擾，由干擾源、敏感設(shè)備、耦合途徑三個(gè)要素組成。從這三個(gè)要素和它們相互之間的關(guān)系分析入手，探索和總結(jié)賓館建筑的諧波防治的方法。賓館建筑的諧波干擾源分析：主要諧波干擾源是賓館中的非線性負(fù)載。敏感設(shè)備主要是賓館中的計(jì)量、通訊、控制、消防報(bào)警等較敏感的系統(tǒng)。諧波的干擾可能導(dǎo)致這些系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作。耦合途徑分析：賓館建筑的各類電器設(shè)備通過強(qiáng)電、弱電、接地等系統(tǒng)布線相互聯(lián)通，諧波等故障波形通過傳導(dǎo)干擾的方式在各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部傳播。

2 賓館建筑中諧波防治的依據(jù)和限值

查閱《旅館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 62-2014，并未有對(duì)諧波指標(biāo)有明確規(guī)定，但分析酒管對(duì)供電質(zhì)量和供電可靠性的要求，可以得出結(jié)論，賓館建筑對(duì)于電能質(zhì)量的要求不低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以賓館建筑的諧波防治及限值應(yīng)參考相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求執(zhí)行。

查找相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可直接找到諧波的限值。公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值見表1。公共連接點(diǎn)的全部用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量（方均根值）不應(yīng)超過表2中規(guī)定的允許值。用戶側(cè)低壓配電系統(tǒng)諧波騷擾強(qiáng)度分級(jí)及其限值見表3。表1~表3寫明了可容忍的諧波的上限值，用于對(duì)諧波防治效果的考察。

3 賓館建筑的諧波防治的要點(diǎn)和常用方法

賓館建筑中的諧波防治主要有以下的作用：1）提升供電質(zhì)量和供電可靠性。2）降低各類諧波導(dǎo)致的損耗，提高能效。3）滿足電網(wǎng)對(duì)用戶的考核指標(biāo)。4）提升用電系統(tǒng)的安全性，降低隱患。

賓館建筑中抑制諧波的措施主要分為配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)技術(shù)措施和設(shè)置諧波抑制裝置。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值

表2 諧波次數(shù)及諧波電流允許值

表3 用戶側(cè)低壓電源系統(tǒng)中諧波騷擾強(qiáng)度分級(jí)及其限值（以基波電壓的百分比表示）

3.1 抑制諧波的基礎(chǔ)技術(shù)措施

（1）變壓器的接線方式：采用D/Y接線方式，3n次諧波會(huì)在一次側(cè)繞組內(nèi)形成一個(gè)環(huán)流，而在二次側(cè)繞組的相電流中雖然有3n次的諧波，但是這些諧波的相位相同，無法在線電流中形成電流。D/Y接線的變壓器雖然不能直接抑制諧波，但卻可以有效限制3n次諧波在一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組之間的互相傳導(dǎo)，減少了電網(wǎng)對(duì)配電系統(tǒng)的干擾，從源頭上掐死電網(wǎng)諧波對(duì)賓館建筑的影響。

（2）配電系統(tǒng)的接地制式：在TN-S接地系統(tǒng)中，N線和PE線僅在變壓器二次中性點(diǎn)處進(jìn)行一次可靠鏈接，這樣N線上的干擾僅僅只會(huì)發(fā)生在變電所內(nèi)和PE線聯(lián)通并傳導(dǎo)，避免賓館建筑的諧波干擾源設(shè)備通過接地系統(tǒng)傳導(dǎo)出變電所，從而保護(hù)了其他設(shè)備。

（3）考慮電磁兼容的配電設(shè)計(jì)：

三相平衡設(shè)計(jì)：就是使用電負(fù)荷均勻地分布在三相上，尤其是干擾源的配電需要特別重視，當(dāng)ABC各相上諧波的頻率和幅值相近時(shí)，N線上的諧波就會(huì)被有效抑制，從而降低整個(gè)配電系統(tǒng)上的電能損耗。

敏感設(shè)備和諧波干擾源設(shè)備分別配電：通過對(duì)所有用電設(shè)備的諧波特性的分析，將諧波干擾源和敏感設(shè)備分別用不同的變壓器或者不同的供電回路供電，可以有效降低配電系統(tǒng)之間的傳導(dǎo)干擾。

干擾源負(fù)荷集中布置：將非線性負(fù)荷進(jìn)行集中供電，可便于諧波治理；并且將這些非線性負(fù)荷連接在靠近電源側(cè)的話，可有效減少干擾源負(fù)荷對(duì)下游設(shè)備的諧波污染。

設(shè)置隔離電源：設(shè)置隔離變壓器阻止諧波的傳導(dǎo)；設(shè)置獨(dú)立的UPS電源系統(tǒng)確保敏感設(shè)備（比如安保設(shè)備和消防設(shè)備）的電能質(zhì)量。

3.2 設(shè)置諧波抑制裝置的方案

（1）加裝無源濾波設(shè)備，當(dāng)無源濾波設(shè)備中LC回路的諧振頻率和某次諧波的頻率相同時(shí)，可阻止諧波向配電系統(tǒng)污染。適用于非線性負(fù)載較集中、穩(wěn)定輸出同時(shí)特征頻率變動(dòng)不大的諧波抑制。

（2）加裝靜止無功補(bǔ)償裝置，此舉的意義在于可以極大地改善電能質(zhì)量，不僅僅只是諧波畸變。適用于非線性負(fù)載的功率變化較大且諧波嚴(yán)重時(shí)的諧波抑制。

（3）加裝有源濾波裝置，向配電系統(tǒng)中注入 “鏡像諧波電流”，這樣子，鏡像諧波電流與系統(tǒng)原有諧波電流相加就為零。適用于非線性負(fù)載較集中，運(yùn)行復(fù)雜同時(shí)頻率波動(dòng)較大的諧波抑制。

（4）加裝諧波的監(jiān)測(cè)裝置和預(yù)留治理方案，賓館建筑的諧波往往有不可預(yù)見性，在各級(jí)配電系統(tǒng)適當(dāng)加裝諧波的監(jiān)測(cè)，并預(yù)留后期治理?xiàng)l件。

通過上面所說的諧波防治措施，可以在賓館建筑中有效地降低各次諧波對(duì)配電系統(tǒng)的危害，延長(zhǎng)設(shè)備的使用年限，提高用電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命周期，減少更換設(shè)備的費(fèi)用，提升賓館建筑的能效。

4 賓館建筑的諧波防治案例

賓館的諧波防治設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，首先是對(duì)賓館建筑的電磁兼容性分析，然后整體規(guī)劃諧波防治方案，并根據(jù)分析結(jié)果和治理方案確定具體的治理措施，最后進(jìn)行治理效果分析和改進(jìn)。圖1是某賓館建筑的配電及其諧波治理示意圖。

圖1 某賓館建筑的配電及其諧波治理示意圖

4.1 賓館建筑的電磁兼容性分析

（1）干擾源分析：各種調(diào)光燈具；燈具的鎮(zhèn)流器；變頻風(fēng)機(jī)、電梯、水泵等大型設(shè)備。

（2）干擾對(duì)象分析：信息機(jī)房、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)（主要包括樓宇自控、門禁一卡通、視頻監(jiān)控、無線對(duì)講、綜合布線、智能照明等）等。

（3）耦合途徑：配電系統(tǒng)；接地系統(tǒng)等。

4.2 諧波防治方案的整體規(guī)劃

首先采用D/Y接線的變壓器和TN-S接地制式。主要的干擾源和干擾對(duì)象均采用直接從變電所低壓總配電柜放射式配電，整體降低線路耦合帶來的干擾。分級(jí)在低壓總配電處、干擾源和干擾對(duì)象處設(shè)置或預(yù)留濾波裝置。

4.3 某賓館建筑的諧波治理實(shí)例

變頻風(fēng)機(jī)、電梯、水泵和主要智能化系統(tǒng)均采用放射式配電，綜合考慮一次投資和節(jié)能效果，在末端預(yù)留濾波設(shè)備安裝空間（示意圖中，預(yù)留濾波設(shè)備2和預(yù)留濾波設(shè)備3）。在1600kVA變壓器低壓側(cè)安裝200A有緣濾波裝置，諧波治理的目標(biāo)值THD%不大于10%。

濾波設(shè)備工作前，變電所低壓側(cè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的電流畸變率在18%左右，如表4；濾波設(shè)備投入工作后的變電所低壓側(cè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的電流畸變率分別為5.3%、4.6%、4.9%，如表5。現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)截圖如圖2~圖5。

表4 治理前變電所低壓側(cè)諧波數(shù)據(jù)

表5 治理后變電所低壓側(cè)諧波數(shù)據(jù)

圖2 治理后變電所低壓側(cè)電流與電壓畸變率

圖3 治理后變電所低壓側(cè)A相各次諧波電流

圖4 治理后變電所低壓側(cè)B相各次諧波電流

圖5 治理后變電所低壓側(cè)C相各次諧波電流

5 結(jié)論

通過對(duì)賓館建筑的電磁兼容性分析，并根據(jù)分析結(jié)果制定了諧波治理方案。諧波治理方案基本達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，實(shí)際測(cè)量諧波電流畸變率大約降低了70%，達(dá)到了國(guó)家規(guī)范所規(guī)定的指標(biāo)，驗(yàn)證了前述辦法的有效性，減少了更換設(shè)備的費(fèi)用，提升了賓館建筑的能效，并為以后其他賓館建筑的諧波防治提供了切實(shí)可行的方法。