浅析谐波治理措施在建筑电气设计中的应用

    摘要：本文结合笔者多年工程的实践经验，对谐波存在于智能建筑中的危害进行了分析，并针对目前在建筑电气设计中应用的谐波治理措施作了比较与分析，谨供大家作参考之用。

    关键词：智能建筑；电气设计；谐波治理措施；危害

    1  谐波对智能建筑的危害

    智能建筑中谐波主要来自两方面：一是大量非线性负荷形成的谐波源，例如计算机系统、开关电源、电子式荧光整流器等导致配电系统的电压、电流发生畸变，产生谐波；二是公用电网本身具有一定的谐波含量和配电变压器作为谐波源产生的谐波，由公用电网侧传输至配电系统。

    恶劣的谐波环境将会对智能建筑中用电设备和系统造成巨大的危害，主要表现在以下几个方面：

    ①由于设备自身产生的接地电流在设备和真实地之间产生一个电压降，因此，容易使电脑死机；高次谐波会在中性线上叠加，中性线电流能够在建筑物金属结构上任意流动，从而产生不受控制的磁场，即引发计算机屏幕的频闪现象；由于开关、短路以及负载变化而引起的短时间电压变化将会引起灯光频闪，过度的频闪将会使人体不舒服；严重的谐波畸变会引起在一个正弦周波内的额外过零点，影响测试设备，干扰程序控制装置的同步性，导致控制装置死机。

    ②智能建筑中线缆密布，系统设备繁多，微电子装备复杂，且防护能力弱，高次谐波将会使智能化系统设备产生误码、错码、误动作，使信号系统受到污染、产生噪声，甚至连通话质量都不能保证。随着低电压信号在IT设备中使用的增加，比特错误率也随之提高，甚至可以高到使整个网络瘫痪。

    ③在谐波电压作用下，电容器会产生额外的功率损耗，加快绝缘介质的老化。更为严重的是，大量谐波电流很可能引发电容器和系统其他元件之间的并联谐振或串联谐振，造成电容器超载而损坏；使与电容器连接的配电回路中所有线路、设备因电压闪变、超压、过负荷而损坏。

    ④配电回路的谐波电流含量高会使断路器遮断能力降低。这是因为畸变电流过零点时，电弧电流随时间的变化要比工频正弦电流大，电弧电压的恢复要迅速得多，使电弧容易重燃，导致误跳闸或在该跳闸的时候根本不跳。剩余电流可能会达到使剩余电流保护装置动作的设定值。事实表明，空气电磁断路器不能遮断其分断能力范围内波形畸变率超过50％的故障电流，而且还会导致断路器损坏。

    ⑤电压谐波会导致感应电动机的额外损耗。高次谐波导致的扭矩脉动在联轴器和轴承处会产生磨损和裂纹。由于电机速度是固定的，谐波中储藏的能量就以额外的热量形式散发了，导致设备过早老化。

    ⑥对于电力电缆和配电线路，谐波电流频率增高会引起明显的集肤效应，导线电阻增大，线损加大，发热增加，绝缘过早老化，容易发生接地短路故障，形成潜在的火灾隐患。在智能建筑中大量集中使用电子计算机和大面积采用电子节能气体光源照明的场合，中性线电流甚至达到相线电流的2倍，致使中性线过热、烧毁，甚至导致火灾。

    2  谐波治理的主要措施

    ①采用无源滤波器。采用无源滤波器是传统的抑制谐波的方法。无源滤波器包括一组以串联方式连接的电抗器与电容器。此电路的阻抗在某一频率下，被设计成比电网中的其他电路低的多。这种装置的缺点是容易过载，在过载时会被烧损。另外，可能造成功率因数过补偿，同时无源滤波器不能受控。因此，随着时间的改变以及配件老化或电网负载的变动，会改变谐波振频率，使滤波效果下降。更重要的是，无源滤波器只可以过滤一种谐波成分。如果过滤不同的频率，则要分别采用不同的滤波器，如有的滤波器只能滤除三次谐波。

②采用有源滤波器。并联型有源滤波器实质上是一个受控的、快速反应的谐波电流源，与非线性负荷并联，自动检测非线性负荷产生的谐波电流。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，起到补偿谐波的作用，其结果是系统只向负荷提供基波电流。

    在设计有源滤波器治理位置时，需要根据剧场配电系统和负荷情况的不同，设计不同的安装位置。有源滤波器的安装与谐波源越近，滤波效果越好，这是减小谐波电流和谐波电压畸变的最好办法。但在一些非线性负荷分布负载的场合，可以采取变压器总补偿或二级配电补偿的方案，而且不同方案可以配合使用。由于有源电力滤波器安装位置灵活，可以完全实现根据设计需要达到最完美的谐波治理效果。

    ③采用混合型滤波器。可将有源电力滤波器与无源电力滤波器混合使用。其中，无源滤波器由3、5、7、9次单调谐滤波器支路及高通滤波器支路组成。有源滤波器由8个IGBT、直流电容及滤波电感构成。直流电容可为有源滤波器提供一个稳定的直流电压；滤波电感可减小有源滤波器产生的高频开关频率谐波。有源滤波器和无源滤波器串联后并人电网。由于有源滤波器不是直接对谐波电流进行消除，它所产生的补偿电压中只含有谐波电压，故其功率容量很小，具有良好的经济性，从而可降低系统成本。

    ④采用谐波保护器。采用磁性方法治理谐波比有源滤波器成本更低。谐波保护器从任何一种谐波对电路系统带来危害的本质上着手解决问题，即采用磁场吸收谐波能量的方法，具有很高的可靠性与使用寿命。此类产品如谐波保护器（HPD），采用了超微晶合金材料与创新科技的特别电路，能吸收各种频率各种能量的谐波干扰，将谐波消除在发生源，自动消除对用电设备产生的随机高次谐波和高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰。HPD并联在电路中使用，本身并不耗电。

    3  结语

    在实际工作中，由于谐波具有多发性、随机性和不可重复性，导致智能建筑中的各种电气设备性能下降、无法工作的现象时有发生，因此，为保证现代智能建筑中各种不同类型设备和计算机及精密电子装置正常、可靠、高效地运行，必须要采取相应措施，确保用电设备的使用寿命，从以上分析可知，笔者觉得采取混合滤波器能快速、有效地跟踪谐波变化，抑制谐波，是最有成效的一种措施。

参考文献：

[1]戴瑜兴，张义兵，故庆伟.智能建筑谐波和无功功率的综合治理[J]．电工技术，2003（12）：31-33.