探討諧波治理措施在建筑電氣設計中的應用

摘要：本文結合筆者多年工程的實(shí)踐經(jīng)驗，對諧波存在于智能建筑中的危害進(jìn)行了分析，并針對目前在建筑電氣設計中應用的諧波治理措施作了比較與分析，謹供大家作參考之用。

關(guān)鍵詞：智能建筑；電氣設計；諧波治理措施；危害

1 諧波對智能建筑的危害
智能建筑中諧波主要來(lái)自?xún)煞矫妫阂皇谴罅糠蔷�(xiàn)性負荷形成的諧波源，例如計算機系統、開(kāi)關(guān)電源、電子式熒光整流器等導致配電系統的電壓、電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波；二是公用電網(wǎng)本身具有一定的諧波含量和配電變壓器作為諧波源產(chǎn)生的諧波，由公用電網(wǎng)側傳輸至配電系統。
惡劣的諧波環(huán)境將會(huì )對智能建筑中用電設備和系統造成巨大的危害，主要表現在以下幾個(gè)方面：
①由于設備自身產(chǎn)生的接地電流在設備和真實(shí)地之間產(chǎn)生一個(gè)電壓降，因此，容易使電腦死機；高次諧波會(huì )在中性線(xiàn)上疊加，中性線(xiàn)電流能夠在建筑物金屬結構上任意流動(dòng)，從而產(chǎn)生不受控制的磁場(chǎng)，即引發(fā)計算機屏幕的頻閃現象；由于開(kāi)關(guān)、短路以及負載變化而引起的短時(shí)間電壓變化將會(huì )引起燈光頻閃，過(guò)度的頻閃將會(huì )使人體不舒服；嚴重的諧波畸變會(huì )引起在一個(gè)正弦周波內的額外過(guò)零點(diǎn)，影響測試設備，干擾程序控制裝置的同步性，導致控制裝置死機。
②智能建筑中線(xiàn)纜密布，系統設備繁多，微電子裝備復雜，且防護能力弱，高次諧波將會(huì )使智能化系統設備產(chǎn)生誤碼、錯碼、誤動(dòng)作，使信號系統受到污染、產(chǎn)生噪聲，甚至連通話(huà)質(zhì)量都不能保證。隨著(zhù)低電壓信號在IT設備中使用的增加，比特錯誤率也隨之提高，甚至可以高到使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )癱瘓。
③在諧波電壓作用下，電容器會(huì )產(chǎn)生額外的功率損耗，加快絕緣介質(zhì)的老化。更為嚴重的是，大量諧波電流很可能引發(fā)電容器和系統其他元件之間的并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，造成電容器超載而損壞；使與電容器連接的配電回路中所有線(xiàn)路、設備因電壓閃變、超壓、過(guò)負荷而損壞。
④配電回路的諧波電流含量高會(huì )使斷路器遮斷能力降低。這是因為畸變電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)，電弧電流隨時(shí)間的變化要比工頻正弦電流大，電弧電壓的恢復要迅速得多，使電弧容易重燃，導致誤跳閘或在該跳閘的時(shí)候根本不跳。剩余電流可能會(huì )達到使剩余電流保護裝置動(dòng)作的設定值。事實(shí)表明，空氣電磁斷路器不能遮斷其分斷能力范圍內波形畸變率超過(guò)50％的故障電流，而且還會(huì )導致斷路器損壞。
⑤電壓諧波會(huì )導致感應電動(dòng)機的額外損耗。高次諧波導致的扭矩脈動(dòng)在聯(lián)軸器和軸承處會(huì )產(chǎn)生磨損和裂紋。由于電機速度是固定的，諧波中儲藏的能量就以額外的熱量形式散發(fā)了，導致設備過(guò)早老化。
⑥對于電力電纜和配電線(xiàn)路，諧波電流頻率增高會(huì )引起明顯的集膚效應，導線(xiàn)電阻增大，線(xiàn)損加大，發(fā)熱增加，絕緣過(guò)早老化，容易發(fā)生接地短路故障，形成潛在的火災隱患。在智能建筑中大量集中使用電子計算機和大面積采用電子節能氣體光源照明的場(chǎng)合，中性線(xiàn)電流甚至達到相線(xiàn)電流的2倍，致使中性線(xiàn)過(guò)熱、燒毀，甚至導致火災。
2 諧波治理的主要措施
①采用無(wú)源濾波器。采用無(wú)源濾波器是傳統的抑制諧波的方法。無(wú)源濾波器包括一組以串聯(lián)方式連接的電抗器與電容器。此電路的阻抗在某一頻率下，被設計成比電網(wǎng)中的其他電路低的多。這種裝置的缺點(diǎn)是容易過(guò)載，在過(guò)載時(shí)會(huì )被燒損。另外，可能造成功率因數過(guò)補償，同時(shí)無(wú)源濾波器不能受控。因此，隨著(zhù)時(shí)間的改變以及配件老化或電網(wǎng)負載的變動(dòng)，會(huì )改變諧波振頻率，使濾波效果下降。更重要的是，無(wú)源濾波器只可以過(guò)濾一種諧波成分。如果過(guò)濾不同的頻率，則要分別采用不同的濾波器，如有的濾波器只能濾除三次諧波。
②采用有源濾波器。并聯(lián)型有源濾波器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)受控的、快速反應的諧波電流源，與非線(xiàn)性負荷并聯(lián)，自動(dòng)檢測非線(xiàn)性負荷產(chǎn)生的諧波電流。DSP產(chǎn)生的控制信號控制IGBT高速開(kāi)關(guān)器件，經(jīng)過(guò)輸出電抗器，輸出與負荷產(chǎn)生的諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流，起到補償諧波的作用，其結果是系統只向負荷提供基波電流。
在設計有源濾波器治理位置時(shí)，需要根據劇場(chǎng)配電系統和負荷情況的不同，設計不同的安裝位置。有源濾波器的安裝與諧波源越近，濾波效果越好，這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法。但在一些非線(xiàn)性負荷分布負載的場(chǎng)合，可以采取變壓器總補償或二級配電補償的方案，而且不同方案可以配合使用。由于有源電力濾波器安裝位置靈活，可以完全實(shí)現根據設計需要達到最完美的諧波治理效果。
③采用混合型濾波器�？蓪⒂性措娏�濾波器與無(wú)源電力濾波器混合使用。其中，無(wú)源濾波器由3、5、7、9次單調諧濾波器支路及高通濾波器支路組成。有源濾波器由8個(gè)IGBT、直流電容及濾波電感構成。直流電容可為有源濾波器提供一個(gè)穩定的直流電壓；濾波電感可減小有源濾波器產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)頻率諧波。有源濾波器和無(wú)源濾波器串聯(lián)后并人電網(wǎng)。由于有源濾波器不是直接對諧波電流進(jìn)行消除，它所產(chǎn)生的補償電壓中只含有諧波電壓，故其功率容量很小，具有良好的經(jīng)濟性，從而可降低系統成本。
④采用諧波保護器。采用磁性方法治理諧波比有源濾波器成本更低。諧波保護器從任何一種諧波對電路系統帶來(lái)危害的本質(zhì)上著(zhù)手解決問(wèn)題，即采用磁場(chǎng)吸收諧波能量的方法，具有很高的可靠性與使用壽命。此類(lèi)產(chǎn)品如諧波保護器（HPD），采用了超微晶合金材料與創(chuàng )新科技的特別電路，能吸收各種頻率各種能量的諧波干擾，將諧波消除在發(fā)生源，自動(dòng)消除對用電設備產(chǎn)生的隨機高次諧波和高頻噪聲、脈沖尖峰、電涌等干擾。HPD并聯(lián)在電路中使用，本身并不耗電。
3 結語(yǔ)

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