諧波對電氣設計的影響及防范對策探討

黃偉

摘 要：在建筑電氣設計過程中，受到各種線路和設備的影響會出現諧波，從而影響建筑供配電系統的正常運行，嚴重影響人們的日常生活。因此，筆者在本文會深入探究諧波對電氣設計的影響，并針對此提出相關的諧波防范對策，為類似研究提供一些參考。

關鍵詞：諧波；電氣設計；影響；防范對策

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）06-0171-02

1 引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對建筑物的安全性能追求越來越高。在建筑電氣系統中，應用的電子設備日益增加，由此產生的大量諧波會嚴重降低電能質量，造成一定的能源損耗和安全隱患，不利于建筑內居民的安全性。因此，建筑電氣設計人員必須充分考慮諧波對電氣系統的影響，優(yōu)化建筑電氣設計方案，落實諧波的防范對策，緩解電氣設計的壓力，全面提高電氣設計的安全性，保障人們的性命財產安全。

2 建筑電氣設計中的諧波來源

在建筑電氣設計中，最理想的狀態(tài)是整個電氣系統是無能耗損失的，而且電流和電壓運行正常，表現出標準正弦波圖形。由于在實際的電氣系統中會受到非線性負載的影響，導致諧波產生，電流經過負載位置后與電壓不存在線性關聯，整個電力系統的負荷加大，難以保證建筑電氣系統的安全性。

因此，建筑電氣設計人員必須充分重視對諧波的防治，采取有效措施防止諧波的出現，達到良好的諧波抑制效果。要避免諧波的出現應以諧波的來源作為切入點，事實上，諧波主要來源于：第一，城市電力電網系統會自帶一定量諧波，而電網中的配電變壓器也是諧波源，由此產生的諧波會經過電網的電力輸送到建筑配電系統中；第二，建筑電力系統中涉及眾多會產生非線性復合的設備，如計算機系統、通信設備、可控開關電源等，此時電力系統中的電流、電壓容易出現畸變進而產生諧波。

3 諧波對電氣設計的影響分析

3.1 諧波對變壓器的影響

3.1.1 諧波對變壓器輸入輸出電壓的影響

在諧波電流的影響下，變壓器會產生集膚效應，其內部的參數會隨之改變，當變壓器具備T型等效電路時，它就會將不同諧波分量當做電流源疊加到變壓器上，以形成在諧波影響下的等效電路。然而，不論諧波源是電網自身或是負載都會增加變壓器的諧波電流，從而降低電壓質量，導致諧波電壓的畸變機率增加，損害用電設備。當諧波通過高壓點，會對高壓電網造成污染，影響供電質量。此時，電力系統中的電阻、電抗會發(fā)生變化，導致變壓器的輸入輸出電壓質量嚴重降低。

3.1.2 諧波對變壓器損耗的影響

當諧波電流通過變壓器線圈時，線圈附近會產生交變電場，導致線圈中電流不均勻分布而集中在線圈表面，引起導體的抗阻和耗損變大，這就是我們所說的集膚效應。隨著科學技術的不斷發(fā)展，變壓器的制造工藝逐步提升，在忽略變壓器自身諧波對電網影響的情況下，諧波仍然會對變壓器的損耗帶來重大影響。常見的變壓器耗損有兩種形式，即空載耗損和負載耗損，空載耗損是指變壓器內部的磁力作用可通過導線材料進行傳遞，其大小與電壓有關；負載耗損是由經過變壓器繞組負荷電流所引起的。

3.2 諧波對導線的影響

3.2.1 諧波對導線線路的損耗

當低壓配電系統中產生諧波電流，導線線路就會產生耗損，以電纜直接埋地敷設的情況進行分析：電容的兩極分別是地面和導體，此時電容介質就是導線絕緣材料及相關的中間材料，那么理想電容器是不存在的，因為無法保證電流恰好超前電壓90度，此時必然會有導線耗損的出現。

3.2.2 諧波對中性線的影響

電氣系統中的諧波會使線路耗損惡化，容易引起相線過載情況，諧波尤其對三相四線制和三相五線制配電系統的中性線影響重大。以普通的民用建筑為例，由于傳統舊式的民用住宅家用電器非線性負載數量少，可以忽略諧波對其帶來的影響；然而，隨著社會經濟的不斷發(fā)展，電氣設備更新迅速，非線性負載數量不斷增加，電氣回路中的諧波電流日益增加，導致絕緣性能變差，甚至引起電氣火災。

3.3 諧波對電容器的影響

當諧波產生時，電容器的額外功率耗損隨之出現，加快電容器中絕緣介質的老化速度，諧波電流也會增大，此時電容器與電力系統其他電氣元件會產生諧振效應，導致整個電容器處于超載狀態(tài)。在這種情況下，與電容器相連的電氣設備和導線線路容易出現閃變、超壓的情況，從而引起大范圍的電網損害。

4 電氣設計中諧波的防范對策

針對諧波對建筑電力系統的影響和危害，建筑電氣設計人員應采取有效措施防治諧波，有效降低諧波對電力系統的危害，保障建筑內居民的性命安全財產。

4.1 減少諧波出現機會

4.1.1 增加供電量

增加供電量能有效防止諧波的出現，因此，電氣設計人員應盡可能加大電纜的橫截面積，通過集膚效應來避免諧波的產生。此外，設計人員也可以選擇大容量的發(fā)電機和電容器，減少諧波危害，但該方法無法真正徹底消除諧波，只能相對減少諧波出現的機會，而且會增加電力投資，提高用戶的電力使用成本。若要采用該方式防治諧波，應與非線性負荷協同作用，合理增加建筑電氣系統設計的容量裕度。

4.1.2 更換變壓器

更換使用一些特定變壓器能有效抑制諧波的產生，例如：使用Yn11變壓器能有效防止3次3乘n次諧波的產生，阻斷諧波進入電氣系統的途徑。由此可見，更換特殊的變壓器操作便捷，能有效防止典型諧波的產生，但該方法需要投入大量資金成本，主要用于特殊的環(huán)境場合中，當采用該方式進行諧波治理時，要全面考慮非線性負載的情況。

4.2 安裝濾波器

濾波器能有效檢測并過濾建筑電氣系統中的諧波。目前，建筑電氣設計中常用的濾波器包括有源濾波器、無源濾波器及混合濾波器。

4.2.1 有源濾波器

有源濾波器具有反應迅速的特點，當有源濾波器與非線性負載并聯時，它能檢測出電力系統中由非線性負載而產生的電流諧波，并對諧波進行過濾。需要注意的是，在應用有源濾波器防治諧波時，必須科學選擇濾波器的安裝地點，盡量遠離諧波源，全面提升濾波效果。

4.2.2 無源濾波器

無源濾波器在電氣系統中會與電容器、電抗器等設備串聯，能檢測和過濾電氣系統中的諧波。若要過濾電力系統中不同種類的諧波，必須采用與其相對應的額定濾波器。然而，在電力系統過載情況下，無源濾波器容易出現燒損，甚至會失去控制，由此可見，無源濾波器對諧波的治理效果較有源濾波器差。

4.2.3 混合濾波器

混合濾波器實際上是有源濾波器和無源濾波器的混合應用，其作用原理是有源濾波器可以從直流電容中得到穩(wěn)定直流電壓，從而降低濾波電感，再與無源濾波器共同作用抑制諧波產生?；旌蠟V波器主要用于用電安全性要求高、濾波污染控制要求高的場所，該種濾波器充分結合了有源濾波器和無源濾波器的優(yōu)勢，全面發(fā)揮了混合濾波器的使用功能。

4.3 導線控制

諧波治理中對導線的控制主要是指合理控制導線的橫截面積，針對諧波對建筑電氣系統導線的影響，對導線橫截面積的控制可采用以下方式：第一，當諧波電流不大于15%基波電流時，控制中性線要與相線界面相等；第二，當諧波電流大于等于15%基波電流時，若相線為明敷，則要求減小相線的橫截面積，以加大帶電導體的距離，為導線留出散熱距離，加快諧波額外熱量的散失速度，盡可能減少導線的截留量，再通過降低系數的原理校正優(yōu)化電氣設計中的導線設計，全面提升電氣設計的安全性和可靠性。

4.4 電容器控制

在建筑電氣設計中，電容器能有效消除電氣系統中的諧振風險，防止諧波放大而造成電力系統超壓。電容器在電氣設計中對諧波的治理主要表現為兩個方面：第一，若電容器與電抗器串聯時，電容器的諧振點和電抗率能得到合理控制，有效消除電氣系統中的諧波源；第二，在設計電容器容量時，要全面考慮電容器的無功補償，諧波電流在電力系統中能受到電容器的阻抗，此時的電容器電流需要記錄好并以此為基礎計算出電容器的容量，有效抑制諧波的產生。

5 結語

總之，諧波的出現是具有隨機性、多發(fā)性、不穩(wěn)定性等特點的，它會對電氣系統中的各種電力設備產生不同程度的干擾，引起電力設備的不正常工作，降低電力系統的運行穩(wěn)定性，不利于建筑內居民的性命財產安全。因此，在建筑電氣設計中，設計人員必須重視電氣設計的綠色化發(fā)展，采取有效的諧波治理對策，排除電氣諧波的危害，保證建筑電氣設計的合理性和安全性，保障建筑電氣系統運行穩(wěn)定可靠。

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