建筑配电系统谐波与防范方法研究

阿荣江

近几年来，随着我国电力电子技术的快速发展，各类电力电子设备在社会各行各业上都到了广泛的应用，比如工业领域、建筑领域等，极大地方便了人们的生产生活，但是也使得由电力电子设备所产生的电网谐波危害逐渐凸显，愈发受到社会各界的广泛关注。世界上对于电网质量的评价将不仅仅局限于对于电网频率和电压稳定性的分析，对于谐波也有了不同的标准和限制，据相关统计，各个行业中所产生的配电系统谐波问题中，以建筑配电系统谐波污染问题最为严重，所以本文将对其进行分析，并讨论相应的抑制方法。

随着用电电器设备的不断增加和发展电网谐波危害逐渐凸显，愈发受到社会各界的广泛关注。世界上对于电网质量的评价将不仅仅局限于对于电网频率和电压稳定性的分析，对于谐波也有了不同的标准和限制。据统计，各个行业中所产生的配电系统谐波问题中，以建筑配电系统谐波污染问题最为严重，所以本文将对其进行分析，并讨论相应的抑制方法。

我国城市化进程正在不断加快，由于电力电气设备的应用增加许多问题逐渐滋生，比如：由于电气火灾、电容器烧损、变压器过载超温等，这些问题出现的原因大多与供电系统中的谐波问题有关，所以谐波的危害已经成为城市建设中不容忽视的重要问题之一。

在抑制和治理谐波的过程中，确定谐波源的存在和分析其谐波特性是采取正确措施的关键。谐波的抑制和治理就成为电气工程师必须面对的问题，现在部分年轻工程师们因经验不足、不会计算谐波电流或为了赶设计周期不太重视谐波源的分析，笔者经过多年的实际设计工程经验进行了分析其谐波的特性，对相应的电气设计同行们相互浅谈一下。

一、建筑配电系统谐波分析

1.谐波的定义

建筑配电系统内对于谐波的定义认为是周期性、非正弦电量按照傅立叶级数进行级别划分，不仅会获得与电网继波频率相同的数值，也会获得一系列大于整个电网的基波频率数值，这些数值将被统统一命名为谐波。电力配电系统中与谐波失真相关联的现象有：过电压或欠压问题；断路器跳闸；通讯干扰；线缆升温；图绝缘故障等等。

2.谐波的危害表现

一方面，建筑配电系统谐波在电力网络内有很强的敏感性，会在整流元件上发生谐振，进而造成部分区域内谐波电流迅速放大，增加了电压产生谐振过电流和过电压数值，这样就会导致电气电子设备出现错误操作，测量仪数值表现上出现偏差，甚至会导致电器设备或者电子元件遭受损坏而出现故障；另一方面，谐波会产生强烈的电磁干扰，使整个电网系统的通信质量受到负面影响，进而导致整个电网系统相关的自动装置出现混乱，无法有序工作。

二、建筑配电系统中的谐波源分析

建筑配电系统中的谐波往往产生于发电环节、输电环节、供电环节和用电环节任何一个环节之中，但是一般情况下，谐波增加幅度最大的时候是在电网系统用电量最高的时候，电力谐波来源于电网系统中各类非线性元件，一般情况下可以分为两种。

1.非线性电光源

该元件主要是指在气体放电灯等区域内发光灯所出现的光束来源。比如，城市建设中常见的荧光灯、霓虹灯、二极管灯、钠离子灯、金属卤化物等，这些灯的发光原理都需要来自辉光弧光灯放电装置，而这些装置在放电过程中就会产生大量的谐波，为了保障整个发电过程的稳定性，必须使用到镇流器。对于镇流器的使用，无论是电感式镇流器，亦或是电容镇流器，甚至是现在最为先进的电子式组合镇流器，在消除谐波上都无法完全发挥出作用，即便是通过组合型的增加镇流器设备，也仍然会使这些光源中至少还存留十分之一以上的三次谐波。

2.整流设备及开关电源

电网系统中出现谐波的关键性装置往往来自整流设备，整流设备中是由多个整流元件所组成，这些元件会通过硬性短路或者是阻断电流等方式来完成一些功能，而这样的过程就会导致谐波出现。原则上整流设备产生谐波的频率往往会为某一相数的整数级倍数，同时会出现装置中的电流量与谐波出现的频率成反比例关系的情况。以单相整流电为例，单相整流电路中的三次谐波的含量可以达到击波的三分之一左右；五次谐波的含量可以达到几拨的五分之一左右；三相全控桥式六脉整流器电路中五次谐波含量则能够达到击波的五分之一左右。

随着技术的快速发展，现代电子设备得到了广泛应用，比如电视机、空调、计算机等，这些电器电子设备都会使用开关电源，开关电源会将传统变压器、整流器等设备功能直接变化成供电电源功能，成为可以直接控制的整流设备，通过采取存储电容器进行充电的方法实现断电或者供电的功能，在这样的过程中，高频脉冲宽度调制信号控制开关会在相同的时间内，共同输出多个渠道的直流电流，并通过调整脉冲宽度调制信号控制开关，进而实现稳定输出的目的。这样的过程中将导致无法从供电电源中获取稳定的、连续性强的阳极电流，只能够获得一定量的脉冲电流，这样就会导致三次甚至是更高次数的谐波数量增加。传统的开关电源设备，相较于传统整流设备在谐波含量上会更为突出，但是现代科学技术的发展，对相关装置进行模块化和谐波隔离技术的融合建设，已经可以有效地降低谐波含量。

3.家用电器谐波分析

本文主要分析的是电视机、空调机以及计算机等常用家用电器的谐波情况。

电视作为日常家居环境中产生谐波问题最大的家电设备，其原理是单相桥式整流电容平波电路构架，各个电路设备需要等到整流电压大于电容器储值电压时，才能够实现信息传递的目的，所以只有在阳极电流的开端才能够完成电路流通功能，其中最显著的优势是电视机产生的谐波一般都为奇次谐波，同时谐波最大值与基波最大值是相同的，相同电源环境下，同时供电数台电视机设备所生成的谐波也应该是相同的，所以使用级别越高，整个电网系统中的谐波影响就越为突出。

随着城市热环境压力愈发明显，城镇居民对于空调的依赖度也在逐渐攀升，许多城市空调电能损耗稳居榜首，由空调设备所生成的谐波问题也会受到空调机运行方式的不同而发生变化，如果只开空调中的风扇功能，谐波含量一般为百分之九以下；空调在制冷时，谐波含量一般在百分之三十以下；制热时则能够达到百分之三十左右。

信息时代的到来，使得家庭和办公单位的电子计算机得到了广泛的应用，大多数情况下，电子计算机设备在用电量上和由其产生的谐波电流，大多都是来自显示器运行时所导致的，这一点与电视机十分类似，电子计算机如果是整机运行，相较于只让显示器单独运行而言，谐波含量只有轻微减少，另外与电子计算机搭配使用的打印机、游戏机、传真机等所产生的谐波表现也会与计算机表现一致。计算机谐波含有率较高，所以就会导致一些特殊的时间段内出现谐波高峰，谐波危害程度也会攀升，所以对此造成的谐波问题也必须给予关注。

三、建筑配电系统谐波防范措施建议

1.改善供配电结构

应该尽可能地选择谐波含量较低的电气装置，将产生谐波负荷问题量不同的各类用电设备进行灵活搭配使用，将这些设备会分布在不同线路的供电结构中，同时运用谐波互补原理，能够通过巧妙的手段实现在一定程度上降低电网谐波含量的目的。

根据《民用建筑电气设计标准GB51348-2019》第22.3.2条相关要求写的很明确，根据谐波源和非线性负载的性质来采取不同治理谐波的措施。

建议优先使用Dyn11接线组别的配电变压器，当然选择变压器容量时根据《民贵》要求降容系数D值计算后变压器的实际负载率应在合理范围内确定，使能够削减三次谐波分量，是抑制谐波最为常用的方法之一。变压器不能是纯线性的设备，在工作时，变压器会向电网内输入谐波，尤其是变压器处于重载或轻载状态时，变压器会向电网内输入的谐波量会更多，所以对于变压器容量选择时，应该考虑到用电设备的谐波问题，应该使变压器与用电设备的谐波负荷量相匹配，适当地提高谐波负荷的配线截面，能够有效地降低阻抗，进而实现降低谐波电压畸变的目的。功率因数补偿电容器组可按其连接点的谐波特征频率配置电抗器。

2.安装滤波器

为了实现防范配电系统谐波的作用，滤波器应该安装在非线性负荷侧母线上，利用固有的频率共振原理，可以实现吸收谐波源的目的。常用的谐波器包括两种类型，分别为调谐滤波器和高通滤波器。调谐滤波器主要的功能价值使可以协调某一级别的频率，并建立起为建立低阻通路，可以运用在幅值高的谐波滤波上，也可以运用在滤波器协调功能上；高通滤波器一般应用在抑制谐波功能上，可以调控更高层次的谐波或者福值更小的低次谐波上。

四、结语

本文主要对建筑配电系统谐波类型进行了分析，并讨论了谐波的污染问题，我们可以发现谐波问题所带来的污染虽然日益加剧，但是只要给予充分的重视，采取恰当的方法，提高防治措施的力度，仍然可以有效地控制谐波危害，使其降低到可接受的程度。所以广大业界人士应该积极地加强技术应用能力，充分了解与分析谐波产生的原因，并采取主动防范的方式降低谐波危害，更好地保障城市建设，提高国家电网的应用效益。