建筑电气设计中谐波治理措施的探讨

莫勇兵

摘要：近几年来，我国电子电力技术得到了快速的发展，并已广泛应用于许多领域，如工业、交通运输行业等，但在电力系统中谐波问题的客观存在，给电力系统带来了巨大的影响，很可能会使得它不能够正常运转，这不但严重影响电能质量的水平，也会导致经济与社会效益的损失。同时，如果电力系统发生故障或其中一条线路出现了短路，谐波也会因此增加，这将影响电力系统整体的运行状况。因此，对于建筑物的电气设计，必须注意谐波问题，避免各种谐波问题对电网造成的危害与影响。

关键词：建筑电气；设计；谐波治理

一、谐波的来源

1.1变压器的影响

在变压器的励磁电流中，存在非正弦波形，因此变压器中产生的谐波主要来自磁路非线性电感，对于平顶波或者尖顶波来说，都存在着不同程度的奇次谐波，并且次谐波的量相对较大，这主要考虑来自磁路的非线性问题，形成正弦波磁通。实际上，变压器中谐波的含量随着其工作状态的改变而有所不同，当变压器处于正常工作状态下，谐波含量相对较低；而额定电压处于轻载或者空载状态时，铁心就会进入到饱和工作状态，此时变压器中感应电动势就会在降低励磁电流的情况下，存有谐波成分。

1.2电力电子变流装置的影响

由于家用电器、电力电子设备的广泛使用，给电力系统带来了各种谐波源。由于设备本身的结构和工作性质决定了电力设备产生的谐波含量，所有这种设备都可以看作是恒定的谐波源。当谐波电流进入电力系统后，会在电力系统内产生谐波压降，这些压降很容易造成系统中电压产生畸变。所以电力电子变流装置也是重要的谐波污染源之一。

1.3低压电器的影响

在现代建筑应用过程中，大多电器设施的电源来自低压电网供给，而电器设施中普遍带有容量偏小的变压器、整流装置等，因此电器的励磁电流在总电流中占据一定比例，虽然单个电器的容量比较小，但是由于数量较多，形成的高次谐波也将对建筑电气系统造成影响。

二、谐波带来的危害

2.1降低电气设备的整体运行效率。受谐波影响，建筑工程内部的各项电气元件运行效率不断下降，例如，电能表可以将谐波能量作为用电，从而进行相应的计量，使得电能表和实际用电之间存在较大的误差。高次谐波对电力系统内部的智能设备干扰较大，设备容易发出错误指令。同时，电力系统内部旋转电机，受谐波影响，其附加转矩不断增加，输出扭矩不断下降，系统局部发热现象严重。

2.2给通信线路的正常运行带来诸多干扰。受谐波的影响，建筑项目内部的通信线路在日常运行期间，容易产生较多噪声，严重影响居民的通话质量。电力系统当中的继电保护装置在运行期间，受外部谐波影响，容易出现拒动故障。

2.3设备的运行损耗明显增加。如果谐波频率过高，导线的损耗量不断提升，尤其是三次与其倍数谐波，在变压器绕组当中，会产生较大的环流，增加电能损耗。结合电力设备的运行特点能够得知，受谐波影响，设备特别容易出现发热与老化现象，不断缩短设备运行寿命。电力系统线路在运行期间，由于绝缘发热现象严重，会明显增加建筑火灾发生概率。

三、电气设计中谐波治理的有效措施

3.1对谐波过电压问题采取技术策略

理论上，只要非线性电气产生的谐波不注入电网，建筑物中其他电气设备就不会被注入谐波电流，自然就不会导致电气设备过电压现象。如果供电系统向建筑物电气设备注入谐波电流，建筑物电气设备的谐波电流频率，那么在谐波电流的作用下，将导致谐波过电压瞬间减小。

通过在电气设备上加装滤波器可以有效地降低谐波电流水平。为了防止谐波电流注入电气设备，必须采取必要的技术措施。将多重整流技术应用到电力设备上，将大大降低注入建筑物电气设备的谐波电流水平，也将降低谐波频率。

3.2治理谐波的有效方法

采用无源滤波器是传统的谐波抑制方法。无源滤波器是将一组电抗器和电容器以串联方式组合在一起。在一定频率下，该电路的阻抗比电网中的其他电路低得多。无缘滤波装置的缺点是容易过载，在过载时容易被烧损。随着运行时间的延长，滤波装置配件的老化或者电网中用电负荷变动较大的时候，谐波振动频率就会有所变化，从而降低滤波效果。

当无源高通滤波器与供电系统的母线采用并联的连接方式时，建筑电气设备呈现其谐波特性。通过安装高通滤波器，在建筑电气设备运行过程中，谐波阻抗特性会发生变化：第一个变化是谐波阻抗值变小，在注入谐波电流时，谐波电压显著降低；第二个变化是谐波阻抗的频率已经从原来的高频移到低频，这样可以避免建筑电气设备受到谐波的影响产生频率，谐波的电压水平会相应降低。

采用有源滤波器抑制谐波是最常用的一种有效治理方法。并联型有源滤波器实质上是一个谐波电流源，它可以被控制、并能做出快速反应，与非线性负荷并联，能实现自动检测非线性负荷产生的谐波电流。其抑制谐波的原理是DSP产生的控制信号控制IGBT高速开关器件，经过输出电抗器，输出与负荷产生的谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流，补偿后的最终结果是系统只向负荷提供基波电流。有源滤波器的安装位置，需要根据配电系统和负荷情况的需要设置在相应位置。工程经验表明有源滤波器的安装位置与谐波源越近，滤波效果越好，这也是减小谐波电流和谐波电压畸变的最好办法。

3.3治理谐波过电压的实施方案探索

建筑物电气设备与高通滤波器并联是抑制谐波过电压的有效接地控制技术。建筑电气设备不同，谐波阻抗的特性也不同，影响及后果也会不同。为了做好这项工作，需要收集具体的工程数据信息，主要包括建筑电气设备的运行状态和谐波处理状态。为了有效控制谐波，需要利用外部电源测量建筑物电气设备的电流传输状态和电压传输状态，并进行深入分析，确定谐波的频谱，还要明确其内容、高通滤波形式及相关参数。

从理论的角度而言，在电气设备上安装滤波器可以起到一定的抑制谐波过电压的作用，可以降低过电压水平，也对抑制谐波有良好的效果。过滤器在使用过程中，为使其持续稳定地发挥最佳性能，必须做好技术维护、定期检查，并采取必要的保护措施，特别是在工程建设过程中，从现场环境条件出发，采取必要的技术维护措施。在供电系统和电气设备安装滤波器后，应做好调试工作，并进行技术评估，确定滤波器的正确安装位置，避免因安装位置不同而引起的谐波过电压水平的提高。

四、结语

随着技术的不断创新，新事物、新产品不断推陈出新，高科技电子产品的不断应用，用电环境会要求越来越高，谐波治理的重要性会越来越大。本文仅是在谐波治理方面进行了一些浅述，通过谐波的治理，从长期来看，对设备的保护是十分明显的，在用电安全方面的改善也是十分显著的，能够有效提高供配电系统的综合性能，对供电质量的提高具有重要意义。

参考文献：

［1］肖湘宁.电能质量分析与控制［M］.北京：中国电力出版社，2010：8－9.

［2］林海雪.No.3电力系统的间谐波及其国家标准［J］.供用电，2015，32（12）：32－38，15.

［3］孙卫明，赵伟.谐波和间谐波对全电能计量准确度的影响［J］.电测与仪表，2011，48（9）：49－52.

作者介绍：

莫勇兵（1985.4.18），性别：男；籍贯：重庆；民族：汉；学历：本科、学士；职称：中级工程师；职务：电气专业负责人；研究方向：建筑电气及配电。