諧波對(duì)建筑電氣設(shè)計(jì)的影響及對(duì)策研究

仇玉敏

摘要：建筑電氣系統(tǒng)內(nèi)，諧波的危害非常大，不僅影響電氣設(shè)備、系統(tǒng)的運(yùn)行，更是潛在火災(zāi)、過電壓等問題，不利于建筑內(nèi)居民的安全性，同時(shí)增加了電氣設(shè)計(jì)的壓力。建筑電氣設(shè)計(jì)中，掌握諧波的實(shí)際影響，在此基礎(chǔ)上，才能全面落實(shí)諧波治理的對(duì)策，緩解電氣設(shè)計(jì)的壓力，規(guī)避諧波的干擾，維護(hù)建筑電氣設(shè)計(jì)的可靠性。

關(guān)鍵詞：諧波;建筑電氣設(shè)計(jì);影響;對(duì)策

一、諧波對(duì)建筑電氣設(shè)備的影響

1.1諧波對(duì)變壓器的影響

1.1.1影響變壓器輸入輸出電壓

在諧波電流的影響下，變壓器會(huì)形成集膚效應(yīng)，變壓器內(nèi)部很多參數(shù)都會(huì)發(fā)生改變，假設(shè)變壓器具備了T型等效電路，在此前提下會(huì)將不同諧波分量當(dāng)做電流源在變壓器上疊加，以此形成諧波作用下的等效電路，對(duì)于第n次諧波來說，變壓器諧波T型等效電路模型如圖1所示。

不管所帶上級(jí)電網(wǎng)為諧波源還是負(fù)載為諧波源，變壓器諧波電流都會(huì)增加，進(jìn)而使原邊或副邊電壓質(zhì)量發(fā)生變化，使得諧波電壓畸變率增加，使用電設(shè)備受到損壞。如果諧波躥到高壓側(cè)，這時(shí)會(huì)對(duì)高壓電網(wǎng)造成污染，甚至對(duì)供電質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。從整個(gè)變壓器構(gòu)造來看，變壓器由鐵芯、線圈等部分組成，鐵芯材料選擇、制造工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都各不相同，因此圖1中電抗、電阻等相關(guān)參數(shù)會(huì)隨之發(fā)生變化，最終使變壓器輸入輸出電壓質(zhì)量進(jìn)一步惡化。

1.1.2影響變壓器損耗

如果諧波電流經(jīng)過變壓器線圈，那么線圈周圍將會(huì)出現(xiàn)交變磁場(chǎng)，線圈中電流的分布就會(huì)不均勻，集中在線圈的表面，這就是集膚效應(yīng)，集膚效應(yīng)的出現(xiàn)將會(huì)增大導(dǎo)體抗阻和損耗。隨著變壓器制造工藝的提升，在不考慮變壓器自身諧波對(duì)電網(wǎng)影響的前提下，諧波將會(huì)對(duì)變壓器損耗產(chǎn)生嚴(yán)重影響。變壓器損耗主要包括空載和負(fù)載兩種損耗，其中空載損耗是指在變壓器內(nèi)部鐵芯疊片中發(fā)生的現(xiàn)象，磁力線將會(huì)出現(xiàn)周期性變化，磁力通過材料的過程中，由材料磁滯及渦流產(chǎn)生的，其大小與運(yùn)行電壓、分接頭電壓都存在緊密的聯(lián)系;負(fù)載損耗是指由經(jīng)過變壓器繞組負(fù)荷電流所產(chǎn)生的。通常情況下，空載損耗和負(fù)載損耗為變壓器主要損耗，因此要想對(duì)變壓器損耗進(jìn)行分析，其中雜散損耗可以不考慮，在集膚效應(yīng)的影響下變壓器線圈阻抗將會(huì)進(jìn)一步加大。

1.2諧波對(duì)導(dǎo)線的影響

1.2.1影響線路損耗

①如果低壓配電系統(tǒng)有諧波電流存在，導(dǎo)線將會(huì)產(chǎn)生線路損耗。②以電纜直接埋地敷設(shè)為例，地和導(dǎo)體就是電容的兩極，導(dǎo)線絕緣材料及相關(guān)中間材料就是電容介質(zhì)，那么實(shí)際上理想的電容器是不存在的，不可能電流剛剛超前電壓90°，圖2為電流通過導(dǎo)線的等效電路圖、理想介質(zhì)損耗及實(shí)際介質(zhì)損耗示意圖。

1.2.2影響中性線

在電氣設(shè)計(jì)過程中，諧波的產(chǎn)生將會(huì)增加線路損耗，進(jìn)而出現(xiàn)相線過載的問題。在三相四線制、三相五線制兩種配電系統(tǒng)中，諧波對(duì)中性線的影響非常嚴(yán)重，拿一般民用住宅來說，因?yàn)橐郧凹矣秒娖鞣蔷€性負(fù)載數(shù)量少，諧波造成的影響通常忽略不計(jì)，這是要是因?yàn)橹行跃€通過的電流比較小，但是隨著電氣設(shè)備的快速更新，非線性負(fù)載越來越多，因此電氣回路中諧波電流快速增長(zhǎng)。很多建筑都發(fā)生了電氣火災(zāi)事故，其主要原因就是非線性設(shè)備越來越多的進(jìn)入到家庭用戶中，造成導(dǎo)線絕緣劣化。

1.3諧波對(duì)電容器的影響

諧波一旦出現(xiàn)，電容器就會(huì)出現(xiàn)額外功率損耗，加劇電容器絕緣介質(zhì)老化的速度，大量諧波電流隨之出現(xiàn)，這時(shí)電容器和其他系統(tǒng)元件將會(huì)出現(xiàn)諧振反映，整個(gè)電容器運(yùn)行都將進(jìn)入到超載狀態(tài)中。這種情況下，和電容器連接的線路和設(shè)備，都會(huì)受到閃變、超壓等問題的影響，進(jìn)而面臨局部甚至大范圍的損害。

二、建筑電氣諧波治理的對(duì)策

2.1變壓器控制

（1）變壓器的電氣環(huán)境中，受到三次諧波的干擾，治理諧波時(shí)，可以在變壓器的原、副邊，連接成星型，變壓器的鐵心柱位置上，安裝三角形繞組，其不提供負(fù)載電流，在諧波激磁時(shí)，提供閉合成環(huán)的電流方式，促使鐵心柱的磁通處于正弦波形的狀態(tài)，排除三次諧波的干擾;（2）變壓器的容量選擇，促使繞組內(nèi)構(gòu)成環(huán)流，阻斷諧波在變壓器兩側(cè)的傳遞路徑，防止諧波擴(kuò)散，期間還要預(yù)防諧波的振動(dòng)干擾，保證變壓器能夠承受振動(dòng)壓力，排除諧波的振動(dòng)干擾，變壓器配合容量選擇，設(shè)計(jì)Dyn11的接線方式。

2.2導(dǎo)線控制

電氣系統(tǒng)導(dǎo)線的控制，主要是通過導(dǎo)線截面積控制，治理諧波問題。根據(jù)諧波對(duì)電氣系統(tǒng)導(dǎo)線的影響，分析導(dǎo)線截面積的控制方式，如：（1）諧波電流<15%基波電流，中性線=相線界面;（2）諧波電流≥15%基波電流，相線采取了明敷的方式，需要降低相線的截面積，便于增加帶電導(dǎo)體的距離，預(yù)留導(dǎo)線散熱的空間，促進(jìn)諧波額外熱量的散失，減少了導(dǎo)線的載流量，利用降低系數(shù)的方式，校正電氣系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)線設(shè)計(jì)，提高導(dǎo)線在電氣設(shè)計(jì)中的可靠性。

2.3電容器控制

電容器在建筑電氣設(shè)計(jì)中，規(guī)避了潛在的諧振風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防諧波放大超壓的問題。結(jié)合某建筑電氣設(shè)計(jì)中諧波的治理，分析電容器控制的方法，如：（1）電容器中串聯(lián)電抗器，變化電氣阻抗，控制電容器的諧振點(diǎn)，同時(shí)控制電抗率，消除潛在的諧波源;（2）電容器的容量設(shè)計(jì)，需重點(diǎn)考慮電容器的無功補(bǔ)償，電氣設(shè)計(jì)中的諧波電流，會(huì)經(jīng)過電容器的阻抗，此時(shí)標(biāo)記好電容器內(nèi)的電流，計(jì)算出電容的容量，便于抑制電氣設(shè)計(jì)的諧波。

2.4發(fā)電機(jī)控制

建筑電氣設(shè)計(jì)諧波治理中，發(fā)電機(jī)的控制，圍繞變頻器、額定功率展開。例如：某民用的建筑工程，電氣設(shè)計(jì)內(nèi)，電機(jī)電流=350A、電壓=380V，承載著大量的變頻設(shè)備，諧波畸變小于10%，在此基礎(chǔ)上，選擇恰當(dāng)?shù)陌l(fā)電機(jī)，保證發(fā)電機(jī)的運(yùn)行能夠抑制諧波的危害，保障電氣系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性。

2.5濾波器安裝

諧波治理中，可以根據(jù)電氣設(shè)計(jì)的狀態(tài)，安裝濾波器，專門用于過濾電氣系統(tǒng)內(nèi)的諧波。例如：某建筑電氣設(shè)計(jì)中，采用了無源濾波器，串聯(lián)到電容-電抗組內(nèi)，達(dá)到諧波治理的目的，該建筑在選擇無源濾波器時(shí)，要充分考慮額定電壓、電抗率等信息，低于該建筑電氣系統(tǒng)內(nèi)的5次主諧波，配置并聯(lián)的無功補(bǔ)償電容柜，提升諧波抑制的水平。除此以外，還包括有源濾波器、混合濾波器等。

三、結(jié)語

目前諧波已經(jīng)嚴(yán)重影響到了電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性，因此，必須加大對(duì)諧波問題的研究深度，采取有效措施解決諧波問題。隨著近年來我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，綠色建筑電氣設(shè)計(jì)中諧波問題開始引起人們的重視，這種情況下電氣設(shè)計(jì)人員應(yīng)清晰的了解諧波的危害，采取有效措施提升供電質(zhì)量。

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