智能建筑谐波的特点分析和综合治理

汪云峰（北京市建筑设计研究院，北京 100045）

智能建筑涵盖了办公、商业、文化、体育、医院、学校、住宅等民用建筑及通用工业建筑，信息技术设备和电力电子装置的应用日益增多，其在提供高效工作、舒适生活的同时，还给公用电网和用电单位的电气设施带来严重危害，其产生的谐波电流和谐波电压导致电能质量日益恶化，变压器和电动机的损耗增加，断路器误动作，继电保护和自动装置工作异常，功率因数降低，电力电容器损坏，配电柜在高频磁场下发生机械谐振，过零噪扰影响电子控制器的运行，精密设备运行故障，通讯系统音频干扰，载流导体的集肤效应加重，中性线过热使绝缘老化甚至引发火灾。随着人们安全、环保和节能意识的增强，对智能建筑中的谐波问题越来越重视。

1 谐波的特点分析

智能建筑内大量非线性电气设备运行时，电压、电流波形会有不同程度的畸变，这些非正弦波可分解为基波分量和具有基波分量整数倍的谐波分量。向电网注入谐波电流或在电网中产生谐波电压的电气设备被称为谐波源，其种类很多（见表1），按特性可分为：

表1 常见设备的主要谐波特征

对一些应用广泛的谐波源实测结果应引起设计人员的重视（详见表2～表6）。

表2 荧光灯谐波电流含量（In/I1）

表3 高压钠灯和汞灯谐波电流含量（In/I1） 单位：%

表6 单台变频器谐波实测数据

THDi 36.1% 35.7% 33.1%

对比国家谐波限值标准（表7～表8），不难发现问题的严重性，抑制谐波势在必行。

表7 谐波电压（相电压）限值

2 谐波对电气设计的影响

下面的公式对设计人员来讲并不陌生，常用来做负荷计算、无功补偿、整定开关、选取导线，当电压近似为正弦波时，可得出：

有功功率 P ≈P1=U1·I1·cosψ1

智能建筑内含有大量的谐波源，配电系统除了基波分量，还包含了谐波分量：

显而易见，谐波畸变率THDi越大，实际的功率因数越小，与工程实测结果基本吻合。谐波畸变率的高低直接影响着系统的供电质量。智能建筑含有的大量谐波，在很多方面增加了设计的难度，谐波电流在变压器上产生附加损耗，引起发热使绝缘介质老化加速，使铁芯产生磁滞伸缩和噪声，变压器需降容使用（见图2）；并联电容器吸收谐波电流而引起过载发热，当系统中的容性阻抗与感性阻抗相匹配时构成谐振，使电容器发热导致绝缘击穿的故障增多；高次谐波电流使断路器的开断能力降低，谐波电流的发热作用大于有效值相等的工频电流，会降低热元件的发热动作电流；使一些继电保护失效，如变压器及母线复合电压保护由于相位变化而误动或拒动；使相位控制设备因控制信号紊乱而受到干扰，如电子计算机误动作、电子设备误触发、电子元件测试无法进行等；使通信线路、信息线路产生噪声，引发故障。设计人员应考虑上面种种因素的影响。

图2 为电子负荷供电的变压器的降容率

3 抑制谐波实现有效节能

“节能环保”是衡量智能建筑的一项重要指标，谐波产生危害的同时，还导致导体和设备的电能损耗。

表8 注入公共连接点的谐波电流允许值

表4 计算机设备谐波实测数据

3.1 导体中的损耗

有功功率（通过基波电流I1的作用）传递给负荷，当负荷电流包含谐波时，电流有效值I＞I1，由前面公式可导出：

对于给定了基波电流的负荷，谐波畸变率THDi增大，电流有效值I相应增加。不考虑集肤效应，热损加大，谐波电流通过的所有导体都会引起热损增加，在变压器、设备、电缆等引起附加温度升高。

3.2 异步电机中的损耗

为异步电机供电的谐波电压会在转子中产生频率高于50Hz的电流，这将导致附加损耗。例如：一个矩形供电电压会增加20%的损耗；谐波等于10%时，造成6%的附加损耗。

3.3 变压器中的损耗

因为焦耳效应和涡流，变压器中的谐波电流会引起铜损和铁损增加；由于磁滞，谐波电压会引起铁损。绕组中的损耗增加与成正比，铁心损耗增加与THDu成线性关系。对公用网络变压器由于畸变率的限值，这种损耗的增加在10%～15%。

3.4 电容器中的损耗

作用于电容器的谐波电压产生的谐波电流与谐波频率成正比，该电流会引起附加损耗。例如：谐波THDu等于10%时，电流是原来的1.19倍，热损是原来的1.192=1.4倍。

3.5 经济上的损耗

电源设备（变压器、发电机和UPS电源）受谐波影响需降容使用，导体尺寸必须计入谐波电流，由于集肤效应导体电阻随着频率而增大。此外，当电源电压的畸变程度达到10%时，设备的使用寿命会明显缩短，减少量大约为：单相设备32.5%；三相设备18%；变压器5%。在额定负载不变，为了保持使用寿命，设备必须加大，电气设备的经济投入需增大。

4 谐波的综合治理

智能建筑因使用功能的不同，其主要谐波源的组成、各自所占的比例、自控程度的高低、业主的使用要求及经济投入情况都存在差异，如何才能既有效又合理地抑制谐波？下面谈谈一些设计心得，综合治理可以分为四个环节：

确定目标——了解工程定位、列出主要的谐波源（前面已介绍）；

治理原则——遵循一定规律、有针对性去计算分析；

抑制措施——选用与工程相适宜的谐波治理方法；

实际验证——投入使用后进行谐波测量、总结积累经验。

4.1 治理原则

首先需要根据谐波的危害程度（见表9）确定是否需要治理

表9 谐波的危害程度

谐波抑制措施的选择应根据达标水平、措施效果、经济性和技术成熟程度等因素，综合比较后确定，并掌握下列原则：谐波源的谐波电流发射量限制与系统谐波治理相结合；谐波抑制与无功补偿相结合；有源滤波与无源滤波相结合；滤波装置集中装设与分散装设相结合。

4.2 抑制措施

1）消除谐波源——是最有效的办法。国家已经颁布了各类电气设备的限值标准，但在实际应用中执行情况并不理想，不少生产厂家和用户对此重视不够，即使能够提供谐波检测报告，也与实际应用的产品存在一定差异。一些注重技术和质量的企业在坚持不懈地进行研发和推广，例如，某品牌电子镇流器功率因数达到0.99，谐波得到有效控制。

2）无源滤波器——是利用电容、电抗、电阻元件构成谐波电流滤波器。在谐波频率下，为一低阻抗回路以吸收谐波，在基波频率下，提供无功电流以改善功率因数。无源滤波器用于谐波电流和无功负荷比较稳定，自然功率因数又较低，频谱特征明显，谐波集中于连续的三种或以下（如3、5、7次）的系统中的谐波治理。

3）有源滤波器——是自动控制技术和高速计算机等新技术的综合。通过逆变器产生一个与系统中各次谐波大小相等、相位相反的谐波电流注入电网中，以达消谐目的。有源滤波器用于谐波频谱较宽（如大功率整流设备）谐波电流较大，谐波源的自然功率因数较高（如变频调速、核磁共振机等）时谐波治理较为合适。

4）混合型滤波器——结合了无源滤波器和有源滤波器的优点。混合型滤波器通常是将系统中谐波电流大的恒定部分由无源滤波器过滤，而其小谐波电流及波动部分由有源滤波器处理，以节约总体造价。

5）用户侧谐波保护器——可以随时跟踪电压波形，瞬时滤除电源中的尖峰、浪涌杂波，矫正因谐波影响而产生畸变的电压波形，对噪声进行消化并把被吸收的噪声能量部分返回到电网中，以矫正电网波形。体积小可导轨安装，用于电话/网络机房、有精密仪器、对谐波敏感的场所。

4.3 实际验证

工程设计阶段无法进行实际谐波测量，智能电力监控仪表的推广使用提供了分析测量谐波的便利条件，它能够运算谐波数据、功能检测、功率因数、峰值系数、畸变功率、电压和电流谐波畸变率、单次谐波畸变率、谐间波，并可实时提供电流和电压的频谱分析，具有校正、统计、检测、显示、通信等功能。既能检测我们的设计效果，又为以后的设计积累可参考的资料。

5 工程应用实例

我们对智能建筑中的谐波特征已经有了较全面的认识，各种谐波治理设备的适用场合不尽相同，下面结合典型工程实例，在充分掌握其主要谐波源特性的前提下，通过计算分析比较，灵活运用适合的谐波抑制方法，从而实现有效治理谐波。

5.1 办公建筑

主要负载为电脑、传真机、复印机、打印机、绘图仪、小型UPS、会议扩声、节能灯、气体放电灯、变频电梯、变频空调等。配电系统谐波具有以下特点：单个负载容量较小，但数量较多；谐波电流畸变率较高；主要为3次谐波，中性线电流较大存在安全隐患；对楼宇自控、网络通讯、安防监控等系统影响较大。

谐波治理措施：配电系统中具有非线性稳定运行的负载，宜选用有效抑制3次谐波的无源滤波器。

计 算 得：P=5.5%，fh=214Hz；P=7%，fh=189Hz；P=12.5%，fh=141Hz；P=14%，fh=134Hz。

配电系统选用抑制3次谐波的电容器串联滤波电抗器（14%）自动安全补偿装置。

表10 谐波治理前后数据对比表

5.2 通信建筑

通信建筑中电信设备、数据机房设备、专用机房空调设备对供电连续性要求高，对电压波动敏感，各种电磁干扰对数据交换影响很大。主要负载为计算机、开关设备、变频设备、大容量UPS不间断供电设备，在使用过程中，产生了大量以5、7、11次为主的谐波，影响了正常运行。

谐波治理措施：通信系统内大量的精密通信设备易受干扰，为了安全运行必须全面有效地滤除各次谐波，选用有源滤波器效果良好。根据谐波电流计算经验公式确定有源滤波器补偿电流值：ITHD=ST×0.15×K1×K2

式中 ST——变压器额定容量，kVA

K1——负荷率

K2——补偿系数（通信建筑取 1.5～2.0）

表11 谐波治理前后数据对比表

5.3 剧场建筑

近年来，为满足人们精神生活的需要，各地对文化设施投入不断增加，作为代表性的剧场建筑含有大量的谐波源设备,如灯光、音响、UPS、舞台机械等,产生大量的谐波电流（以3、5、7次为主）,并在中性线上叠加,造成中性线电流过大,易引发电气事故。经过计算分析、多方论证后，确定采用混合滤波方式。

谐波治理措施：在用电负荷大、谐波源集中的硅控室和舞台机械控制室设置三相四线式有源滤波器（有效滤除3、5、7次谐波）；在变配电室设电容器串联滤波电抗器（14%）自动安全补偿装置，有效抑制高次谐波的谐振并能提高功率因数。

表12 谐波治理前后数据对比表

6 发展趋势

智能建筑中的谐波已成为配电系统中的一大隐患，谐波抑制和治理是“治少”不是“治无”；供电系统及其连接设备的谐波是可以实时监测的；采取有利于抑制谐波的综合治理措施，合理的选择滤波方案和有关技术参数是可以获得良好效果的。针对谐波治理的新技术、新产品在不断涌现，要求工程设计时必须认真地分析、比较，对适用的各种产品有较全面的认识，从中选用最适合、最有效的方案，真正做到“知己知彼，为我所用”。谐波的复杂性、多样性、可变性，决定了谐波治理还会在相当长的时间里成为人们探索研究的一项重要课题。抑制谐波已成为供配电系统设计中一项不可缺少的重要内容，需要不断地摸索规律、总结经验，最终的目的是针对不同的工程，选用适合的治理方法，设在合理的位置，将谐波的影响控制在最小的范围内。

[1] 中国航空工业规划设计研究院等.工业与民用配电设计手册（3版）[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2] 中华人民共和国建设部编.民用建筑电气设计规范JGJ16-2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3] 建设部工程质量安全监督与行业发展司，中国建筑标准设计研究院. 全国民用建筑工程设计技术措施：节能专篇(电气)[M].北京：中国计划出版社，2007.