智能建筑諧波的特點(diǎn)分析和綜合治理

汪云峰（北京市建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100045）

智能建筑涵蓋了辦公、商業(yè)、文化、體育、醫(yī)院、學(xué)校、住宅等民用建筑及通用工業(yè)建筑，信息技術(shù)設(shè)備和電力電子裝置的應(yīng)用日益增多，其在提供高效工作、舒適生活的同時(shí)，還給公用電網(wǎng)和用電單位的電氣設(shè)施帶來(lái)嚴(yán)重危害，其產(chǎn)生的諧波電流和諧波電壓導(dǎo)致電能質(zhì)量日益惡化，變壓器和電動(dòng)機(jī)的損耗增加，斷路器誤動(dòng)作，繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置工作異常，功率因數(shù)降低，電力電容器損壞，配電柜在高頻磁場(chǎng)下發(fā)生機(jī)械諧振，過(guò)零噪擾影響電子控制器的運(yùn)行，精密設(shè)備運(yùn)行故障，通訊系統(tǒng)音頻干擾，載流導(dǎo)體的集膚效應(yīng)加重，中性線(xiàn)過(guò)熱使絕緣老化甚至引發(fā)火災(zāi)。隨著人們安全、環(huán)保和節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)智能建筑中的諧波問(wèn)題越來(lái)越重視。

1 諧波的特點(diǎn)分析

智能建筑內(nèi)大量非線(xiàn)性電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)，電壓、電流波形會(huì)有不同程度的畸變，這些非正弦波可分解為基波分量和具有基波分量整數(shù)倍的諧波分量。向電網(wǎng)注入諧波電流或在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備被稱(chēng)為諧波源，其種類(lèi)很多（見(jiàn)表1），按特性可分為：

表1 常見(jiàn)設(shè)備的主要諧波特征

對(duì)一些應(yīng)用廣泛的諧波源實(shí)測(cè)結(jié)果應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的重視（詳見(jiàn)表2～表6）。

表2 熒光燈諧波電流含量（In/I1）

表3 高壓鈉燈和汞燈諧波電流含量（In/I1） 單位：%

表6 單臺(tái)變頻器諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

THDi 36.1% 35.7% 33.1%

對(duì)比國(guó)家諧波限值標(biāo)準(zhǔn)（表7～表8），不難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的嚴(yán)重性，抑制諧波勢(shì)在必行。

表7 諧波電壓（相電壓）限值

2 諧波對(duì)電氣設(shè)計(jì)的影響

下面的公式對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)講并不陌生，常用來(lái)做負(fù)荷計(jì)算、無(wú)功補(bǔ)償、整定開(kāi)關(guān)、選取導(dǎo)線(xiàn)，當(dāng)電壓近似為正弦波時(shí)，可得出：

有功功率 P ≈P1=U1·I1·cosψ1

智能建筑內(nèi)含有大量的諧波源，配電系統(tǒng)除了基波分量，還包含了諧波分量：

顯而易見(jiàn)，諧波畸變率THDi越大，實(shí)際的功率因數(shù)越小，與工程實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。諧波畸變率的高低直接影響著系統(tǒng)的供電質(zhì)量。智能建筑含有的大量諧波，在很多方面增加了設(shè)計(jì)的難度，諧波電流在變壓器上產(chǎn)生附加損耗，引起發(fā)熱使絕緣介質(zhì)老化加速，使鐵芯產(chǎn)生磁滯伸縮和噪聲，變壓器需降容使用（見(jiàn)圖2）；并聯(lián)電容器吸收諧波電流而引起過(guò)載發(fā)熱，當(dāng)系統(tǒng)中的容性阻抗與感性阻抗相匹配時(shí)構(gòu)成諧振，使電容器發(fā)熱導(dǎo)致絕緣擊穿的故障增多；高次諧波電流使斷路器的開(kāi)斷能力降低，諧波電流的發(fā)熱作用大于有效值相等的工頻電流，會(huì)降低熱元件的發(fā)熱動(dòng)作電流；使一些繼電保護(hù)失效，如變壓器及母線(xiàn)復(fù)合電壓保護(hù)由于相位變化而誤動(dòng)或拒動(dòng)；使相位控制設(shè)備因控制信號(hào)紊亂而受到干擾，如電子計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作、電子設(shè)備誤觸發(fā)、電子元件測(cè)試無(wú)法進(jìn)行等；使通信線(xiàn)路、信息線(xiàn)路產(chǎn)生噪聲，引發(fā)故障。設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮上面種種因素的影響。

圖2 為電子負(fù)荷供電的變壓器的降容率

3 抑制諧波實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能

“節(jié)能環(huán)保”是衡量智能建筑的一項(xiàng)重要指標(biāo)，諧波產(chǎn)生危害的同時(shí)，還導(dǎo)致導(dǎo)體和設(shè)備的電能損耗。

表8 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

表4 計(jì)算機(jī)設(shè)備諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.1 導(dǎo)體中的損耗

有功功率（通過(guò)基波電流I1的作用）傳遞給負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷電流包含諧波時(shí)，電流有效值I＞I1，由前面公式可導(dǎo)出：

對(duì)于給定了基波電流的負(fù)荷，諧波畸變率THDi增大，電流有效值I相應(yīng)增加。不考慮集膚效應(yīng)，熱損加大，諧波電流通過(guò)的所有導(dǎo)體都會(huì)引起熱損增加，在變壓器、設(shè)備、電纜等引起附加溫度升高。

3.2 異步電機(jī)中的損耗

為異步電機(jī)供電的諧波電壓會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生頻率高于50Hz的電流，這將導(dǎo)致附加損耗。例如：一個(gè)矩形供電電壓會(huì)增加20%的損耗；諧波等于10%時(shí)，造成6%的附加損耗。

3.3 變壓器中的損耗

因?yàn)榻苟?yīng)和渦流，變壓器中的諧波電流會(huì)引起銅損和鐵損增加；由于磁滯，諧波電壓會(huì)引起鐵損。繞組中的損耗增加與成正比，鐵心損耗增加與THDu成線(xiàn)性關(guān)系。對(duì)公用網(wǎng)絡(luò)變壓器由于畸變率的限值，這種損耗的增加在10%～15%。

3.4 電容器中的損耗

作用于電容器的諧波電壓產(chǎn)生的諧波電流與諧波頻率成正比，該電流會(huì)引起附加損耗。例如：諧波THDu等于10%時(shí)，電流是原來(lái)的1.19倍，熱損是原來(lái)的1.192=1.4倍。

3.5 經(jīng)濟(jì)上的損耗

電源設(shè)備（變壓器、發(fā)電機(jī)和UPS電源）受諧波影響需降容使用，導(dǎo)體尺寸必須計(jì)入諧波電流，由于集膚效應(yīng)導(dǎo)體電阻隨著頻率而增大。此外，當(dāng)電源電壓的畸變程度達(dá)到10%時(shí)，設(shè)備的使用壽命會(huì)明顯縮短，減少量大約為：?jiǎn)蜗嘣O(shè)備32.5%；三相設(shè)備18%；變壓器5%。在額定負(fù)載不變，為了保持使用壽命，設(shè)備必須加大，電氣設(shè)備的經(jīng)濟(jì)投入需增大。

4 諧波的綜合治理

智能建筑因使用功能的不同，其主要諧波源的組成、各自所占的比例、自控程度的高低、業(yè)主的使用要求及經(jīng)濟(jì)投入情況都存在差異，如何才能既有效又合理地抑制諧波？下面談?wù)勔恍┰O(shè)計(jì)心得，綜合治理可以分為四個(gè)環(huán)節(jié)：

確定目標(biāo)——了解工程定位、列出主要的諧波源（前面已介紹）；

治理原則——遵循一定規(guī)律、有針對(duì)性去計(jì)算分析；

抑制措施——選用與工程相適宜的諧波治理方法；

實(shí)際驗(yàn)證——投入使用后進(jìn)行諧波測(cè)量、總結(jié)積累經(jīng)驗(yàn)。

4.1 治理原則

首先需要根據(jù)諧波的危害程度（見(jiàn)表9）確定是否需要治理

表9 諧波的危害程度

諧波抑制措施的選擇應(yīng)根據(jù)達(dá)標(biāo)水平、措施效果、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)成熟程度等因素，綜合比較后確定，并掌握下列原則：諧波源的諧波電流發(fā)射量限制與系統(tǒng)諧波治理相結(jié)合；諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償相結(jié)合；有源濾波與無(wú)源濾波相結(jié)合；濾波裝置集中裝設(shè)與分散裝設(shè)相結(jié)合。

4.2 抑制措施

1）消除諧波源——是最有效的辦法。國(guó)家已經(jīng)頒布了各類(lèi)電氣設(shè)備的限值標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際應(yīng)用中執(zhí)行情況并不理想，不少生產(chǎn)廠(chǎng)家和用戶(hù)對(duì)此重視不夠，即使能夠提供諧波檢測(cè)報(bào)告，也與實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品存在一定差異。一些注重技術(shù)和質(zhì)量的企業(yè)在堅(jiān)持不懈地進(jìn)行研發(fā)和推廣，例如，某品牌電子鎮(zhèn)流器功率因數(shù)達(dá)到0.99，諧波得到有效控制。

2）無(wú)源濾波器——是利用電容、電抗、電阻元件構(gòu)成諧波電流濾波器。在諧波頻率下，為一低阻抗回路以吸收諧波，在基波頻率下，提供無(wú)功電流以改善功率因數(shù)。無(wú)源濾波器用于諧波電流和無(wú)功負(fù)荷比較穩(wěn)定，自然功率因數(shù)又較低，頻譜特征明顯，諧波集中于連續(xù)的三種或以下（如3、5、7次）的系統(tǒng)中的諧波治理。

3）有源濾波器——是自動(dòng)控制技術(shù)和高速計(jì)算機(jī)等新技術(shù)的綜合。通過(guò)逆變器產(chǎn)生一個(gè)與系統(tǒng)中各次諧波大小相等、相位相反的諧波電流注入電網(wǎng)中，以達(dá)消諧目的。有源濾波器用于諧波頻譜較寬（如大功率整流設(shè)備）諧波電流較大，諧波源的自然功率因數(shù)較高（如變頻調(diào)速、核磁共振機(jī)等）時(shí)諧波治理較為合適。

4）混合型濾波器——結(jié)合了無(wú)源濾波器和有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)。混合型濾波器通常是將系統(tǒng)中諧波電流大的恒定部分由無(wú)源濾波器過(guò)濾，而其小諧波電流及波動(dòng)部分由有源濾波器處理，以節(jié)約總體造價(jià)。

5）用戶(hù)側(cè)諧波保護(hù)器——可以隨時(shí)跟蹤電壓波形，瞬時(shí)濾除電源中的尖峰、浪涌雜波，矯正因諧波影響而產(chǎn)生畸變的電壓波形，對(duì)噪聲進(jìn)行消化并把被吸收的噪聲能量部分返回到電網(wǎng)中，以矯正電網(wǎng)波形。體積小可導(dǎo)軌安裝，用于電話(huà)/網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、有精密儀器、對(duì)諧波敏感的場(chǎng)所。

4.3 實(shí)際驗(yàn)證

工程設(shè)計(jì)階段無(wú)法進(jìn)行實(shí)際諧波測(cè)量，智能電力監(jiān)控儀表的推廣使用提供了分析測(cè)量諧波的便利條件，它能夠運(yùn)算諧波數(shù)據(jù)、功能檢測(cè)、功率因數(shù)、峰值系數(shù)、畸變功率、電壓和電流諧波畸變率、單次諧波畸變率、諧間波，并可實(shí)時(shí)提供電流和電壓的頻譜分析，具有校正、統(tǒng)計(jì)、檢測(cè)、顯示、通信等功能。既能檢測(cè)我們的設(shè)計(jì)效果，又為以后的設(shè)計(jì)積累可參考的資料。

5 工程應(yīng)用實(shí)例

我們對(duì)智能建筑中的諧波特征已經(jīng)有了較全面的認(rèn)識(shí)，各種諧波治理設(shè)備的適用場(chǎng)合不盡相同，下面結(jié)合典型工程實(shí)例，在充分掌握其主要諧波源特性的前提下，通過(guò)計(jì)算分析比較，靈活運(yùn)用適合的諧波抑制方法，從而實(shí)現(xiàn)有效治理諧波。

5.1 辦公建筑

主要負(fù)載為電腦、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、繪圖儀、小型UPS、會(huì)議擴(kuò)聲、節(jié)能燈、氣體放電燈、變頻電梯、變頻空調(diào)等。配電系統(tǒng)諧波具有以下特點(diǎn)：?jiǎn)蝹€(gè)負(fù)載容量較小，但數(shù)量較多；諧波電流畸變率較高；主要為3次諧波，中性線(xiàn)電流較大存在安全隱患；對(duì)樓宇自控、網(wǎng)絡(luò)通訊、安防監(jiān)控等系統(tǒng)影響較大。

諧波治理措施：配電系統(tǒng)中具有非線(xiàn)性穩(wěn)定運(yùn)行的負(fù)載，宜選用有效抑制3次諧波的無(wú)源濾波器。

計(jì) 算 得：P=5.5%，fh=214Hz；P=7%，fh=189Hz；P=12.5%，fh=141Hz；P=14%，fh=134Hz。

配電系統(tǒng)選用抑制3次諧波的電容器串聯(lián)濾波電抗器（14%）自動(dòng)安全補(bǔ)償裝置。

表10 諧波治理前后數(shù)據(jù)對(duì)比表

5.2 通信建筑

通信建筑中電信設(shè)備、數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備、專(zhuān)用機(jī)房空調(diào)設(shè)備對(duì)供電連續(xù)性要求高，對(duì)電壓波動(dòng)敏感，各種電磁干擾對(duì)數(shù)據(jù)交換影響很大。主要負(fù)載為計(jì)算機(jī)、開(kāi)關(guān)設(shè)備、變頻設(shè)備、大容量UPS不間斷供電設(shè)備，在使用過(guò)程中，產(chǎn)生了大量以5、7、11次為主的諧波，影響了正常運(yùn)行。

諧波治理措施：通信系統(tǒng)內(nèi)大量的精密通信設(shè)備易受干擾，為了安全運(yùn)行必須全面有效地濾除各次諧波，選用有源濾波器效果良好。根據(jù)諧波電流計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式確定有源濾波器補(bǔ)償電流值：ITHD=ST×0.15×K1×K2

式中 ST——變壓器額定容量，kVA

K1——負(fù)荷率

K2——補(bǔ)償系數(shù)（通信建筑取 1.5～2.0）

表11 諧波治理前后數(shù)據(jù)對(duì)比表

5.3 劇場(chǎng)建筑

近年來(lái)，為滿(mǎn)足人們精神生活的需要，各地對(duì)文化設(shè)施投入不斷增加，作為代表性的劇場(chǎng)建筑含有大量的諧波源設(shè)備,如燈光、音響、UPS、舞臺(tái)機(jī)械等,產(chǎn)生大量的諧波電流（以3、5、7次為主）,并在中性線(xiàn)上疊加,造成中性線(xiàn)電流過(guò)大,易引發(fā)電氣事故。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析、多方論證后，確定采用混合濾波方式。

諧波治理措施：在用電負(fù)荷大、諧波源集中的硅控室和舞臺(tái)機(jī)械控制室設(shè)置三相四線(xiàn)式有源濾波器（有效濾除3、5、7次諧波）；在變配電室設(shè)電容器串聯(lián)濾波電抗器（14%）自動(dòng)安全補(bǔ)償裝置，有效抑制高次諧波的諧振并能提高功率因數(shù)。

表12 諧波治理前后數(shù)據(jù)對(duì)比表

6 發(fā)展趨勢(shì)

智能建筑中的諧波已成為配電系統(tǒng)中的一大隱患，諧波抑制和治理是“治少”不是“治無(wú)”；供電系統(tǒng)及其連接設(shè)備的諧波是可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的；采取有利于抑制諧波的綜合治理措施，合理的選擇濾波方案和有關(guān)技術(shù)參數(shù)是可以獲得良好效果的。針對(duì)諧波治理的新技術(shù)、新產(chǎn)品在不斷涌現(xiàn)，要求工程設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真地分析、比較，對(duì)適用的各種產(chǎn)品有較全面的認(rèn)識(shí)，從中選用最適合、最有效的方案，真正做到“知己知彼，為我所用”。諧波的復(fù)雜性、多樣性、可變性，決定了諧波治理還會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里成為人們探索研究的一項(xiàng)重要課題。抑制諧波已成為供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)不可缺少的重要內(nèi)容，需要不斷地摸索規(guī)律、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，最終的目的是針對(duì)不同的工程，選用適合的治理方法，設(shè)在合理的位置，將諧波的影響控制在最小的范圍內(nèi)。

[1] 中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（3版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部編.民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范JGJ16-2008[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[3] 建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院. 全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施：節(jié)能專(zhuān)篇(電氣)[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.