谐波治理在工业建筑电气设计中的应用

庞亚夫

【摘要】谐波主要是由称为谐波源的大功率换流设备（包括化工电解整流设备）及其它非线性负荷产生，谐波源产生的谐波不但危及电网及其它电力用户而且也危及自身，因此谐波的治理是十分必要且有实际效益的。本文对谐波存在于智能建筑中的危害进行了分析，对谐波的产生及治理进行了分析研究。

【关键词】建筑电气 电气设计 谐波治理措施 危害

0. 引言

随着企业的技术改造及设备升级换代，非线性电力设备愈加广泛应用，由此导致电力系统中谐波问题越来越严重，一方面造成了电力设备的损坏，加速绝缘老化，诱发火灾等安全事故，另一方面也影响了计算机、可编程控制器等自动化控制设备正常工作，直接扰乱了人们正常的生产、生活。

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。

2. 谐波治理的主要措施

电力消费的趋势是高效率用电与高质量用电相接合。进行谐波治理，提高电力品质是第一位的，其次是节能。谐波治理是个综合治理过程，一方面应从源头抓起，加强设备的管理防止谐波的产生，更重要的一方面是提高认识，积极进行谐波治理，防止灾害产生。目前国内一些企业已开始重视谐波的污染，取得了节能和提高电网品质的双重效果。

解决电力电子装置和其它谐波源污染问题的基本思路有两条：一是装设谐波补偿装置，即采用LC組成的无源调谐滤波器；二是对电力电子装置本身进行改造，改进整流装置，采用多相脉冲整流使其尽量不产生谐波，由于其电流电压同相位，称高功率因数整流器或高功率因数变流器。因为谐波补偿装置既可补偿谐波，又可提高电网的功率因数，而且结构简单，因此一直广泛使用。其缺点是只能补偿固定频率的谐波，其补偿特性也受电网感抗的制约，补偿效果也不理想，但仍是补偿谐波的主要手段。

目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。其基本原理是实时监测电网中电流，快速分离出谐波电流分量，发出控制指令，实时产生大小相等方向相反的补偿电流注入电网中，实现瞬时滤除谐波电流。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波电流进行跟踪补偿，其运行不受系统的影响，也不会产生谐波放大，同时可补偿无功功率，提高功率因数是一种较先进的谐波抑制技术。但由于其造价较高，只适用于小容量谐波补偿。

具体措施如下：

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。

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]王兆安、黄俊，电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]宋文南、刘宝仁，电力系统谐波分析[M].北京：水利电力出版社，1995.

[3]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.