民用建筑電氣系統(tǒng)諧波污染問題探討

劉曉坤

【摘要】針對民用建筑電氣系統(tǒng)諧波污染問題及產(chǎn)生的原因分析，通過進(jìn)行諧波抑制時(shí)必須兼顧諧波抑制和功率補(bǔ)償?shù)囊?，有效防治諧波污染。

【關(guān)鍵詞】諧波污染? 電氣系統(tǒng)? 民用建筑? 防治措施

隨著樓宇自動(dòng)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，形式多樣的非線性負(fù)載，如熒光燈、不間斷電源以及變頻空調(diào)等非線性設(shè)備在辦公樓宇等民用建筑中的廣泛應(yīng)用，這些非線性設(shè)備產(chǎn)生了大量的諧波，正日益成為低壓配電系統(tǒng)主要的諧波源，非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流如果不加抑制直接注入系統(tǒng)，必然引起電網(wǎng)波形畸變，導(dǎo)致變壓器發(fā)熱，增加電網(wǎng)網(wǎng)損，造成電能浪費(fèi)，給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來影響;另一方面，非線性負(fù)載造成電網(wǎng)波形畸變，污染周圍的電氣環(huán)境，影響其他的敏感設(shè)備正常運(yùn)行。

一、民用建筑電氣系統(tǒng)諧波問題

民用建筑電氣系統(tǒng)諧波源及其危害性分析。民用建筑電氣系統(tǒng)中具有非線性特性的用電設(shè)備主要是電子開關(guān)型設(shè)備，包括交直流換流設(shè)備，雙向晶閘管可控開關(guān)設(shè)備，以及PM變頻器等電力電子設(shè)備。

單相整流負(fù)載。單相負(fù)載主要包括辦公樓宇中廣泛使用的計(jì)算機(jī)、顯示屏幕、節(jié)能燈、電梯，空調(diào)等負(fù)載。其中計(jì)算機(jī)負(fù)載的諧波電流最大。分析測試單相負(fù)載的諧波電流主要以3次、5、7次以及9次等諧波為主。計(jì)算機(jī)負(fù)載的諧減電流含量較大。不同品的個(gè)人計(jì)算機(jī)諧波電流含量有所不同，多臺(tái)計(jì)算機(jī)負(fù)載諧波疊加后總畸變率將有所減小，但是3次、5次諧波疊加后幅值減小的程度不大。節(jié)能燈的諧波在30%左右。電梯扶梯和空調(diào)負(fù)載的諧波電流在20%左右。其諧波含量隨運(yùn)行狀態(tài)變化而有所不同。

三相負(fù)裁。三相負(fù)載主要是三相變頻負(fù)載，包括各種生活水泵，三相UPS電源。對不同品牌變頻器，UPS電源進(jìn)行了諧波電流含量測試和分析，可知：變頻整流設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流以5次和7次為主，不采取諧波抑制措施諧波電流畸變率可達(dá)到70%以上。在不進(jìn)行諧波抑制情況下，變頻裝置諧波電流的大小跟的功率有關(guān)，一般情況下功率越小，其諧波電流畸變愈大，但諧波電流在電網(wǎng)上產(chǎn)生的電壓畸變與電網(wǎng)的阻抗密切相關(guān)。某些變頻器產(chǎn)品自身配備了一些諧波抑制裝置，如直流平波電抗器，3%或者4%的進(jìn)線電抗器，可將諧波電流減小到40%或更低。

二、民用建筑電氣系統(tǒng)變壓器側(cè)諧波

民用建筑電氣系統(tǒng)中，變壓器主要存在幾方面的問題：由于單相負(fù)載的大量使用，零序諧波電流在中線疊加，使得零線電流過大，造成變壓器過熱，造成火災(zāi)隱患。通常情況下，單線負(fù)載功率因數(shù)較高，常存在功率因數(shù)超前的問題。單相負(fù)載個(gè)人如計(jì)算機(jī)和電梯的運(yùn)行與停止有很大的不可預(yù)測性，諧波變化較大。負(fù)載變化隨機(jī)性較大，負(fù)載隨季節(jié)性變化較大。

三、民用建筑電氣系統(tǒng)諧波污染的防治措施

目前，對民用建筑電氣系統(tǒng)諧波治理可采用兩種方式，第一種，改變負(fù)載運(yùn)行方式，減小負(fù)載諧波電流注入電網(wǎng)，如，盡量使單相負(fù)載在三相配電系統(tǒng)中平衡運(yùn)行，增加三相負(fù)載的脈動(dòng)數(shù)以減小諧波電流;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，但目前而言穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性不比無源濾波器。無源濾波器又包括并聯(lián)LG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(jì)成熟的建筑電氣系統(tǒng)，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系統(tǒng)中的使用優(yōu)勢。

調(diào)諧LG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，具有較廣泛的使用范圍。LG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(jì)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所均有成熟產(chǎn)品。單調(diào)諧濾波器利用R、L、G電路串聯(lián)諧振原理構(gòu)成通常也具有無功補(bǔ)償?shù)墓δ芊治鰷y試結(jié)釆可知，①組合LCL濾波器的濾波效果優(yōu)于并聯(lián)LC濾波器。組合LCL濾波器可以將諧波電流畸變率降低到12.3%，而并聯(lián)LC濾波器濾波效果達(dá)到23%。②傳統(tǒng)并聯(lián)LC濾波器引入功率因數(shù)超前的問題，功率補(bǔ)償和濾波效果不能兼顧。在并聯(lián)支路容量為負(fù)載容量的30%情況下，采用并聯(lián)調(diào)諧濾減器的形式儀能將諧波總畸變率抑制到30%左右。三次諧波電流較大，因此需要較大容量補(bǔ)償電容器濾除諾波，因此存在了補(bǔ)償功率與諧波抑制難以干做的問題。③細(xì)合LCL濾波器適用于負(fù)載側(cè)，愛負(fù)我影響較大一些。④LCL濾波器價(jià)多一組元件，成本較高。

中線串聯(lián)型濾波器。為了抑制中性線諾液電流。可在三相四線制中線串聯(lián)濾波器串聯(lián)斷器將電溶電抗部聯(lián)，設(shè)置諧振在3米，從而對干次諾波形成高阻抗回路，從而抑制中線上3次諧波電流達(dá)到抑制中線電流的目地。某民用建筑安裝串聯(lián)阻斷器型濾波器，對該建筑的廣告顯示彩燈帶來的中線諧波電流進(jìn)行了抑制，測試安裝濾器前后諧電力數(shù)據(jù)分析可知。①厘斷器可以對中性線電流具有顯著的抑制作用。在負(fù)載不平衡情況下，諧波抑制性能也較好。②串聯(lián)阻斷器會(huì)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的增大而增大，影響負(fù)載端電壓。③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。測試可知，安裝濾波器后，5次、7次諧波電流可分別由23.9%和8%升高到4%4和20%。

民用建筑電氣系統(tǒng)負(fù)載相對于其他負(fù)載，一般功率因數(shù)較高，相線諧波含量高，中線上零序諧波電流較大，負(fù)載變化較大，不易控制。對建筑電氣系統(tǒng)進(jìn)行諧波治理可分為幾種方式：對建筑電氣系統(tǒng)中的較大功率的三相負(fù)載以及單相負(fù)載果中使用的場合，可以采用LC調(diào)諧濾波器的形式，針對單獨(dú)的負(fù)載進(jìn)行諧波抑制，減小諧波電流向上流發(fā)射。并聯(lián)LC濾波器二般向系統(tǒng)發(fā)出較大的無功功率，且濾波效果不佳，可采用組合LCL的濾波方式。單相負(fù)載集中使用的場合，中線零序諧波電流的治理可采取安裝曲折接線變壓器的形式。負(fù)載單一，且負(fù)載對端電壓具有一定容忍性的環(huán)境如單獨(dú)配電的使用節(jié)能燈彩燈的廣告屏，其中線諧波治理可采取串聯(lián)阻斷器的形式，采用這種方式，投入成本低。無源濾波器可靠性較高，但是不能動(dòng)態(tài)跟蹤負(fù)載諧波變化，在負(fù)載變化較大。同時(shí)對諧波敏感的需要?jiǎng)討B(tài)控制的環(huán)境，可考慮采用有源濾波器的方式。

民用建筑電氣系統(tǒng)負(fù)載多樣，均不同程度的產(chǎn)生諧波電流，同時(shí)功率因數(shù)較高，進(jìn)行諧波抑制時(shí)必須兼顧諧波抑制和功率補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]陳國.現(xiàn)代建電程中的電源諧波研究[J].科技資訊，2017，（03）.