谐波对建筑电气设计的影响及对策研究

叶伟

（哈尔滨工业大学建筑设计研究院，黑龙江 哈尔滨150000）

随着我国经济体制的不断发展与完善，现代居民的整体生活质量水平也得到了保障，由此为更好的满足生活与工作需求，建筑中用电设备的功能与类型也逐渐朝着多元化发展。从电气设计角度来看，此种复杂的用电环境，极易产生谐波问题，若是未能根据用电需求进行管控，不但会极大降低用电设备与线缆的使用寿命，同时也极易诱发恶性事件，使居民的生命与财产安全无法得到保障。因此，如何做好谐波治理工作，理应得到设计单位的重视。

1 建筑电气设计中的谐波特征概述

基于以往电气设计与调查资料可知，谐波特征主要可分为对称性、独立性、相序性三个方面。对称性是指谐波在电气系统内存有奇偶对称的特征，在傅里叶级数分析中，不存在正弦的状况；独立性是指谐波出现在电力系统中线性网格内，会呈现出谐波之和等于总谐波量的特征，并且各个谐波的特征完全不同；相序性是指谐波出现在电力系统后，不论环境如何，都存在负序与零序电流。

2 谐波对建筑电气设计工作的影响

从低压配电系统设计角度来看，谐波电压与电流对低压系统的正常使用会造成较大的影响，若无法进行有效的调控与之力啊，不但会对电子设备、电器元件、用电设备的使用寿命造成影响，使居民生活与工作用电环境质量变差，而且也会对周围无线通信环境造成干扰，造成不必要的无线信号受损状况。特别是现代建筑中，随着家用电器数量与功能的不断增多，用户对于建筑用电质量的要求普遍增高，若是仍旧沿用原有的电气系统设计规范与标准，势必会造成较多谐波干扰问题，最终影响整座建筑的电力供应质量。而基于调查可知，谐波对建筑电气设计的影响主要可从以下几方面论述。

首先，在谐波电流高于相电流的环境下，势必会诱发三相负载不均衡的情况，诱使电力系统内的变压设备发热，造成电气设备加速老化、能耗水平增高与噪音等问题，久而久之，变压器功能无法彻底发挥，导致功率下降与电压过载等问题出现。其次，从能源传输角度来看，谐波电流通常强于常规电流，受线缆阻抗值的影响，线缆的功率损耗明显增大，甚至会诱发线缆发热等状况，使线缆的使用寿命与安全性无法得到保障。期间，甚至容易直接对绝缘层造成伤害，使建筑电力系统出现接地故障等风险，不但会因为漏电等问题威胁住户的生命安全，而且受高温影响，也极易产生火灾。再次，谐波极易诱发电压与电流畸变，受电力系统波动等影响，其中噪声与振动频率会增高，使居民在日常使用中产生恐慌情绪。最后，谐波自身能耗通常高于常规电力系统，在电流与电压波动性影响下，线缆与电容器等装置势必会承受更高的能耗，最终使电容器等装置的使用寿命缩短。而基于调查资料可知，受谐波等因素影响，电容器与线缆等部件也极易产生谐振反应，不但极易诱发装置短路等故障，同时与电容器相连的设备和线路，也极易被烧毁，最终损害住户生命与经济安全。另外，感应式电机作为建筑电力系统能源的产生渠道，在谐波环境中，会将部分能量以热量的方式从线缆与设备中消耗，极大增加电机运转的能耗，同时也会加速电气系统的老化速度。

3 建筑电气设计治理谐波的优化对策

3.1 有源与无源滤波器的安装。传统建筑工程电气设计中多采用无源滤波器来治理谐波，具有结构简单、成本低、运行安全可靠的优势，至今也是治理谐波的主要措施。比如：LC滤波器就是典型的无源滤波器，由滤波电容器、电抗器、电阻器等结构共同组成，将LC滤波器和谐波源相互并联，既能起到滤波的效果，也可以进行无功补偿。但是容易发生过载问题，一旦过载运行，滤波器就会被烧损，并且无源滤波器无法有效控制，随着运行时间的增加，配件老化严重，会导致谐振频率发生改变，降低谐波治理效果。并且无源滤波器只能治理三次谐波，如果需要过滤不同的谐波，需要额外添加滤波器，增加设备投资。

智能建筑在电气设计中多采用有源滤波器来治理谐波，对谐波进行跟踪补偿，并且补偿效果不会受电气系统阻抗的影响，在PWM控制技术持续发展，基于瞬时无功功率理论提出后，有源滤波器得到了飞速发展，其治理谐波的原理为：可从补偿对象中检测出谐波电流，通过补偿装置，形成一个和该谐波电流大小相同，但极性相反的补偿电流频谱，以抵消谐波电流，促使电气系统中运行的电流只含有基波分量，整个谐波治理过程由DSP 和IGBT 来完成。

另外，受建筑电气使用环境等因素影响，目前越来越多的设计者为规避谐波对电气系统的影响，经常会选择有源与无源滤波器相互结构的举措，既能够有效发挥无源滤波器成本低廉、结构简单、便于操作与安装的优势，同时也能够降低有源滤波器容量，使建筑电气系统的构建成本得以有效降低。

3.2 降低回路阻抗或切断线路。从谐波形成的主要诱因来看，其来源是建筑电气系统中的非线性负荷，受此类负荷的影响，通常谐波会含有频率为基波数倍的电量，若存在于电力系统内，不但会对电气装置与线材造成极大的损耗，同时也会影响供电质量的稳定性与可靠性，极易引发不必要的经济损失。因此，为更有效的治理谐波风险，电气设计者通常会采用前期工作对负载供电线路的质量与参数进行研究，判断对谐波是否敏感，并做好供电线路分离等工作。而在电气系统运行方面，则会将非线性负载归类于畸变电流，通过线缆传输过程中会诱发畸变电压等问题，最终使线缆的使用寿命受损的结论，站在经济性与用电安全性的角度合理增加线缆界面尺寸，并主动降低供电回路中的阻抗值，以便谐波治理的效果更显著。

但基于实践数据可知，上述增加线缆截面尺寸，提升变压器容量与降低线缆阻抗值等方法，并不能从根源解决谐波问题，甚至很难为后续建筑电气系统的升级与改良提供帮助，由此间接增加设计与施工成本，也会为电气系统埋下较多的安全隐患。面对此种问题，设计者可在电源接口处设置分流装置，以便将线性负载与非线性负载分别供电，通过此种方法，便能够避免非线性负载的畸变电压作用于线性负载中，由此降低谐波的产生率，同时能够避免造成建筑电力供应的波动性，使电力系统的稳定性与可靠性等得到更全面的保障。

3.3 无谐波变频器的合理应用。无谐波绿色变频器是基于谐波处理要求衍生的新型产品。此类变频器在使用过程中，输入与输出电流都属于正弦波，并且基于电控平台，能够有效控制变频器输入功率因数，以便根据建筑功能需求提供任意数值的输出功率，降低电气设备使用与传输过程中的能源损耗，其中通常会设置交流电抗器，通过此装置可有效遏制谐波对建筑电气系统的影响；其次，绿色变频器装置的应用，能够通过变频元件识别电源电压瞬间尖波，为整流桥提供较全面的保护。而基于相关工程的调查资料可知，建筑电气中带有减抗器的谐波电流明显弱于不带减抗器的电流，由此可见，若要有效降低谐波污染对电气系统的影响，设计者便需要在输出回路系统内装配适宜的滤波器，以便使电流质量的可控性增强。

对此，设计者便可在逆变单元设计期间提出并联多量化的设计理念，通过多个单元的衔接，使谐波波形相互叠加，以此有效消除谐波；其次，在变频器的选择上，应尽量选择多脉冲的整流装置，以便降低谐波的产生量。

3.4 多功能谐波保护器的应用。多功能谐波保护器是基于磁性吸收谐波能量原理衍生来的装置，此类装置的使用能够从根本上解决谐波对电气系统的损伤，并且产品结构较简单，具有较长的使用寿命与可靠性。特别是采用了超微晶合金材料的特殊电路，能够吸收各种频率的谐波，使谐波问题在源头被解决，避免对用户经济权益带来损害。

4 结论

建筑电气设计工作中谐波治理措施的有效落实，既能够为电力系统内的线缆与设备提供更全面且完善的能源管控渠道，降低整体设备系统寿命的损耗率，同时凭借滤波器等装置的运用，也能够从源头解决谐波对电力系统的影响，为居民与业主的财产安全提供保障。故而，在论述谐波对建筑电气设计的影响及对策期间，必须明确谐波的特征与风险，并站在设备角度判断事宜的解决方案，确保仍满足经济性设计的基本要求，才能使建筑电气工程体系的构建质量得到更全面的保障。