民用建筑電氣系統(tǒng)中諧波問題的特點與治理措施

李恒富

【摘要】隨著我國經(jīng)濟的快速增長，民用建筑電氣系統(tǒng)的安全性也受到了人們的重視。電器產(chǎn)品在日常生活中占據(jù)了大部分的電氣系統(tǒng)，逐漸出現(xiàn)了諧波問題。本文通過分析民用建筑電氣系統(tǒng)中諧波問題的特點提出幾點有效的治理措施。

【關(guān)鍵詞】電氣系統(tǒng)；諧波；特點；治理方法

諧波問題大部分都是由于非線性負(fù)荷存在電氣系統(tǒng)中而產(chǎn)生的，對于變壓器、電容器、電動機等都會產(chǎn)生危害，目前諧波干擾已經(jīng)被列為電氣系統(tǒng)的三大公害之一，引起了人們的重視。

一、諧波產(chǎn)生的原因

諧波在電氣系統(tǒng)中產(chǎn)生的主要原因和以下兩方面有關(guān)：

（一）電源本身以及輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波

理論上來講，發(fā)電機是由三相繞組組成的，因此其必須完全對稱，發(fā)電機內(nèi)的鐵芯也一定要完全一致，這樣才能產(chǎn)生完美的三相正弦電壓。由于技術(shù)或設(shè)備等原因，在制作發(fā)電機三相繞組時是很難做到絕對對稱的，而且鐵芯也不是均勻一致，這樣的問題會使電源產(chǎn)生諧波電勢，但由于其值很小，一般可以忽略。

產(chǎn)生諧波的原因大多數(shù)是輸配電系統(tǒng)中的變壓器出現(xiàn)問題。由于鐵芯飽和時磁化曲線并不是線性的，相當(dāng)于非線性器件，變壓器就會因為飽和度過大導(dǎo)致波形畸變，成為了諧波源。而且在處于經(jīng)濟上的考慮，在設(shè)計變壓器時會使磁性材料在磁化曲線的近飽和區(qū)段工作，使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。

（二）用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波

當(dāng)電網(wǎng)中接入非線性負(fù)荷時，就算所加電壓為正弦電壓，電流流經(jīng)非線性負(fù)荷之后還是會形成非正弦電流，從而產(chǎn)生了諧波，另外還會使得其他并聯(lián)在電網(wǎng)中的線性負(fù)荷線路中也產(chǎn)生諧波。

二、諧波源的電器

隨著新時代的發(fā)展，電氣領(lǐng)域也在開發(fā)新的技術(shù)，特別是電力電子技術(shù)的發(fā)展。由于引入電氣系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷越來越多，諧波問題也越來越嚴(yán)重了。在民用建筑電氣系統(tǒng)中含有諧波源的主要有以下幾種電器：

（一）發(fā)電機和變壓器

民用建筑供配電系統(tǒng)中的發(fā)電機和變壓器必然會產(chǎn)生一定的諧波。

（二）電動機

電動機主要存在于民用建筑中的空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)和電梯系統(tǒng)中，如果電動機的定子或者轉(zhuǎn)子線槽中存在少許不對稱或三相繞組的纏繞方式就會產(chǎn)生諧波電流。另外磁芯飽和也將產(chǎn)生諧波電流。

（三）氣體放電類光源

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步民用建筑在照明方面開始使用熒光燈、緊湊型節(jié)能燈與金屬鹵化物燈作為主要光源，它們比白熾燈的效率要高許多。但在這其中由于白熾燈是線性負(fù)荷，不會產(chǎn)生諧波，而熒光燈、緊湊型節(jié)能燈和金屬鹵化物燈等氣體放電類光源其非線性十分嚴(yán)重，有的還含有負(fù)的伏安特性，它們會給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。

三、諧波產(chǎn)生的危害

（一）增加變壓器損耗

通常，諧波損耗來源于變壓器線圈中越來越多的熱量耗散和趨膚效應(yīng)以及銅耗和鐵耗。這種熱效應(yīng)會顯著減少變壓器絕緣材料的使用壽命，隨著諧波頻率的增高，趨膚效應(yīng)就會愈加嚴(yán)重，因此高次諧波分量比低次諧波分量更易引起變壓器的發(fā)熱。諧波電流還會引起變壓器外殼、外層硅鋼片和某些緊固件的發(fā)熱，并有可能引起變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波還會引起變壓器的噪聲增大，變壓器的振動噪聲主要是由于鐵芯的磁致伸縮引起的，隨著諧波次數(shù)的增加，振動頻率在1kHz左右的諧波使混雜噪聲增加。

（2）縮短電動機壽命

與變壓器類似，電動機也會因為諧波而引起附加損耗和產(chǎn)生熱效應(yīng)。因為導(dǎo)線的有效電阻是隨著頻率的增大而增大的，所以在有效值相同的前提下，繞組導(dǎo)線上含有大量的諧波電流要比正弦波形的電流產(chǎn)生的熱量多，這種熱效應(yīng)嚴(yán)重時使電動機過熱，縮短壽命。另外，正序諧波和負(fù)序諧波引起的磁通勢和基波頻率下磁通勢相互作用產(chǎn)生了不同頻率的轉(zhuǎn)矩分量，這種諧波轉(zhuǎn)矩引起了電動機的機械振動和噪聲。

四、民用建筑電氣諧波的治理方法

目前對民用建筑電氣諧波治理可采用兩種方式，第一種，改變負(fù)載運行方式，減小負(fù)載諧波電流注入電網(wǎng)，盡量使單相負(fù)載在三相配電系統(tǒng)中平衡運行，增加三相負(fù)載的脈動數(shù)從以達(dá)到減小諧波電流的效果；第二種，在裝設(shè)濾波器為諧波電流提供支路以減小電流注入電網(wǎng)，濾波器包括無源濾波器和有源濾波器兩種類型，有源濾波器效果較好，但由目前的技術(shù)來說其穩(wěn)定性和經(jīng)濟性要比無源濾波器差。無源濾波器又包括并聯(lián)LC濾波器，中線串聯(lián)阻斷器類型，以及曲折接線變壓器型。對于設(shè)計成熟的建筑電氣，采用第二種方式較為自由和方便，以下將著重分析不同結(jié)構(gòu)形式的無源濾波器在民用建筑電氣中治理諧波的優(yōu)勢。

（一）調(diào)諧LC濾波器

調(diào)諧LC濾波器可以對單相系統(tǒng)、三相系統(tǒng)以及三相四線制系統(tǒng)進(jìn)行諧波抑制，具有非常廣泛的使用范圍。LC濾波器常采用單調(diào)諧形式，傳統(tǒng)的單調(diào)諧濾波器為并聯(lián)形式，為了提高濾波器效果，在負(fù)載上游用來進(jìn)行諧波治理濾波器也常設(shè)計采用串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電抗器相組合的方式進(jìn)行抑制諧波，國外的MTE、Schaffner以及國內(nèi)的航天706所均有成熟的現(xiàn)成產(chǎn)品。單調(diào)諧濾波器利用R、L、C電路串聯(lián)諧振原理構(gòu)成，通常也具有無功補償?shù)墓δ堋?/p>

（二）中線串聯(lián)型濾波器

為了抑制中性線諧波電流?？稍谌嗨木€制中線串聯(lián)濾波器。串聯(lián)阻斷器將電容電抗串聯(lián)，設(shè)置諧振在3次，從而對三次諧波形成高阻抗回路。為了能有更顯著的抑制作用，應(yīng)對中性線電流使用阻斷器。在負(fù)載不平衡情況下，諧波抑制性能也較好。串聯(lián)阻斷器會引起中線電壓偏移，增大中線阻抗。在電容濾波的整流橋，零線電壓漂移將穩(wěn)定為30～40V左右，若整流橋中具有電抗器，則零線漂移將隨中線電流的增大而增大，影響負(fù)載端電壓。串聯(lián)阻斷器對中線零序諧波電流具有抑制作用，但是對與相線上5次、7次諧波電流具有放大作用。