谐波对电气设计的影响及防范对策探讨

黄伟

摘 要：在建筑电气设计过程中，受到各种线路和设备的影响会出现谐波，从而影响建筑供配电系统的正常运行，严重影响人们的日常生活。因此，笔者在本文会深入探究谐波对电气设计的影响，并针对此提出相关的谐波防范对策，为类似研究提供一些参考。

关键词：谐波；电气设计；影响；防范对策

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）06-0171-02

1 引言

随着科学技术的不断发展，人们对建筑物的安全性能追求越来越高。在建筑电气系统中，应用的电子设备日益增加，由此产生的大量谐波会严重降低电能质量，造成一定的能源损耗和安全隐患，不利于建筑内居民的安全性。因此，建筑电气设计人员必须充分考虑谐波对电气系统的影响，优化建筑电气设计方案，落实谐波的防范对策，缓解电气设计的压力，全面提高电气设计的安全性，保障人们的性命财产安全。

2 建筑电气设计中的谐波来源

在建筑电气设计中，最理想的状态是整个电气系统是无能耗损失的，而且电流和电压运行正常，表现出标准正弦波图形。由于在实际的电气系统中会受到非线性负载的影响，导致谐波产生，电流经过负载位置后与电压不存在线性关联，整个电力系统的负荷加大，难以保证建筑电气系统的安全性。

因此，建筑电气设计人员必须充分重视对谐波的防治，采取有效措施防止谐波的出现，达到良好的谐波抑制效果。要避免谐波的出现应以谐波的来源作为切入点，事实上，谐波主要来源于：第一，城市电力电网系统会自带一定量谐波，而电网中的配电变压器也是谐波源，由此产生的谐波会经过电网的电力输送到建筑配电系统中；第二，建筑电力系统中涉及众多会产生非线性复合的设备，如计算机系统、通信设备、可控开关电源等，此时电力系统中的电流、电压容易出现畸变进而产生谐波。

3 谐波对电气设计的影响分析

3.1 谐波对变压器的影响

3.1.1 谐波对变压器输入输出电压的影响

在谐波电流的影响下，变压器会产生集肤效应，其内部的参数会随之改变，当变压器具备T型等效电路时，它就会将不同谐波分量当做电流源叠加到变压器上，以形成在谐波影响下的等效电路。然而，不论谐波源是电网自身或是负载都会增加变压器的谐波电流，从而降低电压质量，导致谐波电压的畸变机率增加，损害用电设备。当谐波通过高压点，会对高压电网造成污染，影响供电质量。此时，电力系统中的电阻、电抗会发生变化，导致变压器的输入输出电压质量严重降低。

3.1.2 谐波对变压器损耗的影响

当谐波电流通过变压器线圈时，线圈附近会产生交变电场，导致线圈中电流不均匀分布而集中在线圈表面，引起导体的抗阻和耗损变大，这就是我们所说的集肤效应。随着科学技术的不断发展，变压器的制造工艺逐步提升，在忽略变压器自身谐波对电网影响的情况下，谐波仍然会对变压器的损耗带来重大影响。常见的变压器耗损有两种形式，即空载耗损和负载耗损，空载耗损是指变压器内部的磁力作用可通过导线材料进行传递，其大小与电压有关；负载耗损是由经过变压器绕组负荷电流所引起的。

3.2 谐波对导线的影响

3.2.1 谐波对导线线路的损耗

当低压配电系统中产生谐波电流，导线线路就会产生耗损，以电缆直接埋地敷设的情况进行分析：电容的两极分别是地面和導体，此时电容介质就是导线绝缘材料及相关的中间材料，那么理想电容器是不存在的，因为无法保证电流恰好超前电压90度，此时必然会有导线耗损的出现。

3.2.2 谐波对中性线的影响

电气系统中的谐波会使线路耗损恶化，容易引起相线过载情况，谐波尤其对三相四线制和三相五线制配电系统的中性线影响重大。以普通的民用建筑为例，由于传统旧式的民用住宅家用电器非线性负载数量少，可以忽略谐波对其带来的影响；然而，随着社会经济的不断发展，电气设备更新迅速，非线性负载数量不断增加，电气回路中的谐波电流日益增加，导致绝缘性能变差，甚至引起电气火灾。

3.3 谐波对电容器的影响

当谐波产生时，电容器的额外功率耗损随之出现，加快电容器中绝缘介质的老化速度，谐波电流也会增大，此时电容器与电力系统其他电气元件会产生谐振效应，导致整个电容器处于超载状态。在这种情况下，与电容器相连的电气设备和导线线路容易出现闪变、超压的情况，从而引起大范围的电网损害。

4 电气设计中谐波的防范对策

针对谐波对建筑电力系统的影响和危害，建筑电气设计人员应采取有效措施防治谐波，有效降低谐波对电力系统的危害，保障建筑内居民的性命安全财产。

4.1 减少谐波出现机会

4.1.1 增加供电量

增加供电量能有效防止谐波的出现，因此，电气设计人员应尽可能加大电缆的横截面积，通过集肤效应来避免谐波的产生。此外，设计人员也可以选择大容量的发电机和电容器，减少谐波危害，但该方法无法真正彻底消除谐波，只能相对减少谐波出现的机会，而且会增加电力投资，提高用户的电力使用成本。若要采用该方式防治谐波，应与非线性负荷协同作用，合理增加建筑电气系统设计的容量裕度。

4.1.2 更换变压器

更换使用一些特定变压器能有效抑制谐波的产生，例如：使用Yn11变压器能有效防止3次3乘n次谐波的产生，阻断谐波进入电气系统的途径。由此可见，更换特殊的变压器操作便捷，能有效防止典型谐波的产生，但该方法需要投入大量资金成本，主要用于特殊的环境场合中，当采用该方式进行谐波治理时，要全面考虑非线性负载的情况。

4.2 安装滤波器

滤波器能有效检测并过滤建筑电气系统中的谐波。目前，建筑电气设计中常用的滤波器包括有源滤波器、无源滤波器及混合滤波器。

4.2.1 有源滤波器

有源滤波器具有反应迅速的特点，当有源滤波器与非线性负载并联时，它能检测出电力系统中由非线性负载而产生的电流谐波，并对谐波进行过滤。需要注意的是，在应用有源滤波器防治谐波时，必须科学选择滤波器的安装地点，尽量远离谐波源，全面提升滤波效果。

4.2.2 无源滤波器

无源滤波器在电气系统中会与电容器、电抗器等设备串联，能检测和过滤电气系统中的谐波。若要过滤电力系统中不同种类的谐波，必须采用与其相对应的额定滤波器。然而，在电力系统过载情况下，无源滤波器容易出现烧损，甚至会失去控制，由此可见，无源滤波器对谐波的治理效果较有源滤波器差。

4.2.3 混合滤波器

混合滤波器实际上是有源滤波器和无源滤波器的混合应用，其作用原理是有源滤波器可以从直流电容中得到稳定直流电压，从而降低滤波电感，再与无源滤波器共同作用抑制谐波产生。混合滤波器主要用于用电安全性要求高、滤波污染控制要求高的场所，该种滤波器充分结合了有源滤波器和无源滤波器的优势，全面发挥了混合滤波器的使用功能。

4.3 导线控制

谐波治理中对导线的控制主要是指合理控制导线的横截面积，针对谐波对建筑电气系统导线的影响，对导线横截面积的控制可采用以下方式：第一，当谐波电流不大于15%基波电流时，控制中性线要与相线界面相等；第二，当谐波电流大于等于15%基波电流时，若相线为明敷，则要求减小相线的横截面积，以加大带电导体的距离，为导线留出散热距离，加快谐波额外热量的散失速度，尽可能减少导线的截留量，再通过降低系数的原理校正优化电气设计中的导线设计，全面提升电气设计的安全性和可靠性。

4.4 电容器控制

在建筑电气设计中，电容器能有效消除电气系统中的谐振风险，防止谐波放大而造成电力系统超压。电容器在电气设计中对谐波的治理主要表现为两个方面：第一，若電容器与电抗器串联时，电容器的谐振点和电抗率能得到合理控制，有效消除电气系统中的谐波源；第二，在设计电容器容量时，要全面考虑电容器的无功补偿，谐波电流在电力系统中能受到电容器的阻抗，此时的电容器电流需要记录好并以此为基础计算出电容器的容量，有效抑制谐波的产生。

5 结语

总之，谐波的出现是具有随机性、多发性、不稳定性等特点的，它会对电气系统中的各种电力设备产生不同程度的干扰，引起电力设备的不正常工作，降低电力系统的运行稳定性，不利于建筑内居民的性命财产安全。因此，在建筑电气设计中，设计人员必须重视电气设计的绿色化发展，采取有效的谐波治理对策，排除电气谐波的危害，保证建筑电气设计的合理性和安全性，保障建筑电气系统运行稳定可靠。

参考文献

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