諧波治理在工業(yè)建筑電氣設(shè)計中的應(yīng)用

龐亞夫

【摘要】諧波主要是由稱為諧波源的大功率換流設(shè)備（包括化工電解整流設(shè)備）及其它非線性負(fù)荷產(chǎn)生，諧波源產(chǎn)生的諧波不但危及電網(wǎng)及其它電力用戶而且也危及自身，因此諧波的治理是十分必要且有實際效益的。本文對諧波存在于智能建筑中的危害進(jìn)行了分析，對諧波的產(chǎn)生及治理進(jìn)行了分析研究。

【關(guān)鍵詞】建筑電氣 電氣設(shè)計 諧波治理措施 危害

0. 引言

隨著企業(yè)的技術(shù)改造及設(shè)備升級換代，非線性電力設(shè)備愈加廣泛應(yīng)用，由此導(dǎo)致電力系統(tǒng)中諧波問題越來越嚴(yán)重，一方面造成了電力設(shè)備的損壞，加速絕緣老化，誘發(fā)火災(zāi)等安全事故，另一方面也影響了計算機、可編程控制器等自動化控制設(shè)備正常工作，直接擾亂了人們正常的生產(chǎn)、生活。

1. 諧波對智能建筑的危害

智能建筑中諧波主要來自兩方面：一是大量非線性負(fù)荷形成的諧波源，例如計算機系統(tǒng)、開關(guān)電源、電子式熒光整流器等導(dǎo)致配電系統(tǒng)的電壓、電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波；二是公用電網(wǎng)本身具有一定的諧波含量和配電變壓器作為諧波源產(chǎn)生的諧波，由公用電網(wǎng)側(cè)傳輸至配電系統(tǒng)。惡劣的諧波環(huán)境將會對智能建筑中用電設(shè)備和系統(tǒng)造成巨大的危害，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

① 由于設(shè)備自身產(chǎn)生的接地電流在設(shè)備和真實地之間產(chǎn)生一個電壓降，因此，容易使電腦死機；高次諧波會在中性線上疊加，中性線電流能夠在建筑物金屬結(jié)構(gòu)上任意流動，從而產(chǎn)生不受控制的磁場，即引發(fā)計算機屏幕的頻閃現(xiàn)象；由于開關(guān)、短路以及負(fù)載變化而引起的短時間電壓變化將會引起燈光頻閃，過度的頻閃將會使人體不舒服；嚴(yán)重的諧波畸變會引起在一個正弦周波內(nèi)的額外過零點，影響測試設(shè)備，干擾程序控制裝置的同步性，導(dǎo)致控制裝置死機。

② 智能建筑中線纜密布，系統(tǒng)設(shè)備繁多，微電子裝備復(fù)雜，且防護(hù)能力弱，高次諧波將會使智能化系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生誤碼、錯碼、誤動作，使信號系統(tǒng)受到污染、產(chǎn)生噪聲，甚至連通話質(zhì)量都不能保證。隨著低電壓信號在IT設(shè)備中使用的增加，比特錯誤率也隨之提高，甚至可以高到使整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

③ 在諧波電壓作用下，電容器會產(chǎn)生額外的功率損耗，加快絕緣介質(zhì)的老化。更為嚴(yán)重的是，大量諧波電流很可能引發(fā)電容器和系統(tǒng)其他元件之間的并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，造成電容器超載而損壞；使與電容器連接的配電回路中所有線路、設(shè)備因電壓閃變、超壓、過負(fù)荷而損壞。

④ 配電回路的諧波電流含量高會使斷路器遮斷能力降低。這是因為畸變電流過零點時，電弧電流隨時間的變化要比工頻正弦電流大，電弧電壓的恢復(fù)要迅速得多，使電弧容易重燃，導(dǎo)致誤跳閘或在該跳閘的時候根本不跳。剩余電流可能會達(dá)到使剩余電流保護(hù)裝置動作的設(shè)定值。事實表明，空氣電磁斷路器不能遮斷其分?jǐn)嗄芰Ψ秶鷥?nèi)波形畸變率超過50%的故障電流，而且還會導(dǎo)致斷路器損壞。

2. 諧波治理的主要措施

電力消費的趨勢是高效率用電與高質(zhì)量用電相接合。進(jìn)行諧波治理，提高電力品質(zhì)是第一位的，其次是節(jié)能。諧波治理是個綜合治理過程，一方面應(yīng)從源頭抓起，加強設(shè)備的管理防止諧波的產(chǎn)生，更重要的一方面是提高認(rèn)識，積極進(jìn)行諧波治理，防止災(zāi)害產(chǎn)生。目前國內(nèi)一些企業(yè)已開始重視諧波的污染，取得了節(jié)能和提高電網(wǎng)品質(zhì)的雙重效果。

解決電力電子裝置和其它諧波源污染問題的基本思路有兩條：一是裝設(shè)諧波補償裝置，即采用LC組成的無源調(diào)諧濾波器；二是對電力電子裝置本身進(jìn)行改造，改進(jìn)整流裝置，采用多相脈沖整流使其盡量不產(chǎn)生諧波，由于其電流電壓同相位，稱高功率因數(shù)整流器或高功率因數(shù)變流器。因為諧波補償裝置既可補償諧波，又可提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，而且結(jié)構(gòu)簡單，因此一直廣泛使用。其缺點是只能補償固定頻率的諧波，其補償特性也受電網(wǎng)感抗的制約，補償效果也不理想，但仍是補償諧波的主要手段。

目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器。其基本原理是實時監(jiān)測電網(wǎng)中電流，快速分離出諧波電流分量，發(fā)出控制指令，實時產(chǎn)生大小相等方向相反的補償電流注入電網(wǎng)中，實現(xiàn)瞬時濾除諧波電流。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波電流進(jìn)行跟蹤補償，其運行不受系統(tǒng)的影響，也不會產(chǎn)生諧波放大，同時可補償無功功率，提高功率因數(shù)是一種較先進(jìn)的諧波抑制技術(shù)。但由于其造價較高，只適用于小容量諧波補償。

具體措施如下：

① 采用無源濾波器。采用無源濾波器是傳統(tǒng)的抑制諧波的方法。無源濾波器包括一組以串聯(lián)方式連接的電抗器與電容器。此電路的阻抗在某一頻率下，被設(shè)計成比電網(wǎng)中的其他電路低的多。這種裝置的缺點是容易過載，在過載時會被燒損。另外，可能造成功率因數(shù)過補償，同時無源濾波器不能受控。因此，隨著時間的改變以及配件老化或電網(wǎng)負(fù)載的變動，會改變諧波振頻率，使濾波效果下降。更重要的是，無源濾波器只可以過濾一種諧波成分。如果過濾不同的頻率，則要分別采用不同的濾波器，如有的濾波器只能濾除三次諧波。

② 采用有源濾波器。并聯(lián)型有源濾波器實質(zhì)上是一個受控的、快速反應(yīng)的諧波電流源，與非線性負(fù)荷并聯(lián)，自動檢測非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流。DSP產(chǎn)生的控制信號控制IGBT高速開關(guān)器件，經(jīng)過輸出電抗器，輸出與負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流，起到補償諧波的作用，其結(jié)果是系統(tǒng)只向負(fù)荷提供基波電流。

在設(shè)計有源濾波器治理位置時，需要根據(jù)劇場配電系統(tǒng)和負(fù)荷情況的不同，設(shè)計不同的安裝位置。有源濾波器的安裝與諧波源越近，濾波效果越好，這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法。但在一些非線性負(fù)荷分布負(fù)載的場合，可以采取變壓器總補償或二級配電補償?shù)姆桨?，而且不同方案可以配合使用?/p>

③ 采用混合型濾波器。可將有源電力濾波器與無源電力濾波器混合使用。其中，無源濾波器由3、5、7、9次單調(diào)諧濾波器支路及高通濾波器支路組成。有源濾波器由8個IGBT、直流電容及濾波電感構(gòu)成。直流電容可為有源濾波器提供一個穩(wěn)定的直流電壓；濾波電感可減小有源濾波器產(chǎn)生的高頻開關(guān)頻率諧波。有源濾波器和無源濾波器串聯(lián)后并人電網(wǎng)。由于有源濾波器不是直接對諧波電流進(jìn)行消除，它所產(chǎn)生的補償電壓中只含有諧波電壓，故其功率容量很小，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，從而可降低系統(tǒng)成本。

④ 采用諧波保護(hù)器。采用磁性方法治理諧波比有源濾波器成本更低。諧波保護(hù)器從任何一種諧波對電路系統(tǒng)帶來危害的本質(zhì)上著手解決問題，即采用磁場吸收諧波能量的方法，具有很高的可靠性與使用壽命。此類產(chǎn)品如諧波保護(hù)器（HPD），采用了超微晶合金材料與創(chuàng)新科技的特別電路，能吸收各種頻率各種能量的諧波干擾，將諧波消除在發(fā)生源，自動消除對用電設(shè)備產(chǎn)生的隨機高次諧波和高頻噪聲、脈沖尖峰、電涌等干擾。HPD并聯(lián)在電路中使用，本身并不耗電。

3. 結(jié)語

在實際工作中，由于諧波具有多發(fā)性、隨機性和不可重復(fù)性，導(dǎo)致智能建筑中的各種電氣設(shè)備性能下降、無法工作的現(xiàn)象時有發(fā)生，因此，為保證現(xiàn)代智能建筑中各種不同類型設(shè)備和計算機及精密電子裝置正常、可靠、高效地運行，必須要采取相應(yīng)措施，確保用電設(shè)備的使用壽命，從以上分析可知，筆者覺得采取混合濾波器能快速、有效地跟蹤諧波變化，抑制諧波，是最有成效的一種措施。

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