智能建筑電氣設計中諧波治理措施的研究

劉堯　許威

【摘 要】智能建筑中的諧波來源于兩個方面，一方面是電弧和鐵磁非線性設備（如變壓器、旋轉電機）的諧波源，另一方面是半導體非線性元件電力電子裝置的諧波源。隨著近年來我國智能建筑的高速發(fā)展，各類型電子類電器的負荷比重逐漸增加，這導致電網的諧波污染日益嚴重，從無功補償、變壓器、電纜、弱電系統(tǒng)及電容器等方面降低了電能質量，為此在智能建筑電氣設計中采取適當的諧波治理措施至關重要。

【關鍵詞】智能建筑 電氣設計 諧波治理

1 智能建筑中諧波特性的分析

第一，智能建筑的諧波具有對稱性。首先，智能建筑的諧波具有奇對稱性，即展開為傅里葉級數時沒有余弦項，f（-t）=-f（t）；其次，智能建筑的諧波具有偶對稱性，即展開為傅里葉級數時沒有正弦項，f（-t）=f（t）；最后，智能建筑的諧波具有半波對稱性，即沒有直流分量且偶次諧波被抵消。

第二，智能建筑的諧波具有獨立性。平衡電力系統(tǒng)的線性網絡對不同諧波的響應是獨立的，總的響應相當于單個諧波相加的總和，所以各次諧波可以獨立出來進行分析和治理。

第三，智能建筑的諧波具有相序性?；?、四次、七次......諧波是正序的；二次、五次、八次......諧波是負序的，三的倍數次諧波都是零序的。此外，如果系統(tǒng)中存在諧波，則無論該系統(tǒng)是否平衡，都將存在零序和負序電流。

2 智能建筑電氣設計中諧波的治理措施

2.1 選擇合適的配電設備、變壓器及電線電纜

第一，選擇合適的配電設備。為減少諧波引發(fā)的開關設備誤動作，低壓配電設備選擇時要遵循如下原則：熱繼電器、接觸器要適當降容使用；熱磁型、電子型配電斷路器要適當降容使用；諧波嚴重的配電回路則放大一級選擇配電設備。

第二，選擇合適的變壓器型號及容量。選擇配電變壓器時，宜選擇Dynll連接組別的變壓器（該組別變壓器可以有效抑制三的倍數次諧波）；在確定電壓器容量時，將諧波畸變引起的變壓器發(fā)熱影響考慮在內，使變壓器負荷率控制在70%-80%。

第三，選擇合適的電線電纜。諧波傳輸過程中會引發(fā)電線電纜的發(fā)熱，因此選擇電線電纜截面時要考慮諧波的影響。三相四線制系統(tǒng)中，要考慮諧波電流的集膚效應引起電線電纜發(fā)熱的影響，以及中性線上諧波電流的疊加，在選擇中性線截面時要留有裕量。如果配電系統(tǒng)中設置了有源濾波器，則相應回路中性線截面不必增大；如果弱配電系統(tǒng)中設置了無源濾波器，則中性線截面可與相線等截面；三相不平衡系統(tǒng)中，中性線截面不應小于相線截面；三相平衡系統(tǒng)中三次諧波電流大于10%時，中性線截面不應小于相線截面。

2.2 選擇合適的濾波方案

（1）變壓器額定容量Sn≤2000KVA時的濾波方案（見表1）

表1 變壓器額定容量Sn≤2000KVA時的濾波方案

Gh

0.25Sn

Gh>0.5Sn

濾波方案

電容器額定電壓增加10%加諧波抑制電流

有源電力濾波器

注：Gh為連接到接有電容器組的母線上所有產生諧波裝置的視在功率額定值的總和。

通常情況下智能高層建筑的Gh>0.5Sn，應采用無源濾波器加有源濾波器的方式來治理諧波，其中無源濾波器可以采用針對3次諧波的調諧頻率為131、147Hz，電抗系數12.5%、15%的電抗器，有源濾波器可主要針對無源濾波器無法濾除的高次諧波進行設置，使治理后總的諧波畸變率控制在國標規(guī)定的范圍內。

（2）有源濾波器的選型方案。有源濾波器（APF）具有專門的電源供電，利用向電網注入與諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。

如果智能建筑中具有大量注入計算機、空調、熒光燈等單相用電設備，此時應該采用三相四線制有源濾波器。有源濾波器容量的選擇要根據安裝位置處多個非線性負載產生的諧波電流疊加得到（每個諧波源產生的諧波電流大小根據現場測得的諧波數據得出，將該支路中諧波電流依次進行疊加）。如果不同確定兩個諧波源各次諧波的相位角，那么由下式計算某次諧波的總諧波電流：

兩個諧波源的某次諧波電流： 。 式中In1為第1個諧波源的第n次諧波電流；In2為第2個諧波源的第n次諧波電流；Kn的取值：N=3，Kn=1.62；N=5，Kn=1.28；N=7，Kn=0.72；N=11，Kn=0.18；N=13，Kn=0.08；N=9、偶次或大于13，Kn=0。

將各次諧波計算出來后，再按下式計算需要濾波的總諧波電流有效值：

然后按下式確定有源電力濾波器的濾波電流： 。 式中，Irms-Filter為有源濾波器的有效濾波電流（A）。

2.3 其他方案的設計

智能建筑電氣設計中，為有效抑制諧波對電子設備的干擾可以采取如下措施：在容易受干擾電子設備的回路中裝設濾波裝置，抑制或消除諧波；為受諧波影響嚴重的電子設備設計專用的配電回路，避免諧波干擾沿線路引入；對電子設備采取屏蔽措施或遠離諧波嚴重的電路，避免空間電磁干擾。

智能建筑中含有大量信息技術設備，供配電系統(tǒng)接地應采用TN-S系統(tǒng)。需設置總等電位聯結和局部等電位聯結，宜在每層設置等電位聯結網絡。不同層的等電位聯結網絡之間應相互連通。同一建筑物內的保護性接地、功能性接地以及防雷接地應分別接至總接地端子并應共用接地極，智能建筑單體接地裝置與車庫接地裝置連接，組成聯合接地體。

3 結語

本文在對智能建筑諧波對稱性、獨立性及相序性進行分析的基礎上，就如何在智能建筑電氣中治理諧波提出了幾點建議（如選擇合適的濾波方案，選擇合適的配電設備、變壓器及電線電纜等），旨在讓相關工作者增加對智能建筑諧波治理的認識和關注。

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