建筑配電系統(tǒng)諧波與防范方法研究

阿榮江

近幾年來，隨著我國電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，各類電力電子設(shè)備在社會各行各業(yè)上都到了廣泛的應(yīng)用，比如工業(yè)領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域等，極大地方便了人們的生產(chǎn)生活，但是也使得由電力電子設(shè)備所產(chǎn)生的電網(wǎng)諧波危害逐漸凸顯，愈發(fā)受到社會各界的廣泛關(guān)注。世界上對于電網(wǎng)質(zhì)量的評價將不僅僅局限于對于電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定性的分析，對于諧波也有了不同的標(biāo)準(zhǔn)和限制，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，各個行業(yè)中所產(chǎn)生的配電系統(tǒng)諧波問題中，以建筑配電系統(tǒng)諧波污染問題最為嚴(yán)重，所以本文將對其進(jìn)行分析，并討論相應(yīng)的抑制方法。

隨著用電電器設(shè)備的不斷增加和發(fā)展電網(wǎng)諧波危害逐漸凸顯，愈發(fā)受到社會各界的廣泛關(guān)注。世界上對于電網(wǎng)質(zhì)量的評價將不僅僅局限于對于電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定性的分析，對于諧波也有了不同的標(biāo)準(zhǔn)和限制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，各個行業(yè)中所產(chǎn)生的配電系統(tǒng)諧波問題中，以建筑配電系統(tǒng)諧波污染問題最為嚴(yán)重，所以本文將對其進(jìn)行分析，并討論相應(yīng)的抑制方法。

我國城市化進(jìn)程正在不斷加快，由于電力電氣設(shè)備的應(yīng)用增加許多問題逐漸滋生，比如：由于電氣火災(zāi)、電容器燒損、變壓器過載超溫等，這些問題出現(xiàn)的原因大多與供電系統(tǒng)中的諧波問題有關(guān)，所以諧波的危害已經(jīng)成為城市建設(shè)中不容忽視的重要問題之一。

在抑制和治理諧波的過程中，確定諧波源的存在和分析其諧波特性是采取正確措施的關(guān)鍵。諧波的抑制和治理就成為電氣工程師必須面對的問題，現(xiàn)在部分年輕工程師們因經(jīng)驗(yàn)不足、不會計(jì)算諧波電流或?yàn)榱粟s設(shè)計(jì)周期不太重視諧波源的分析，筆者經(jīng)過多年的實(shí)際設(shè)計(jì)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了分析其諧波的特性，對相應(yīng)的電氣設(shè)計(jì)同行們相互淺談一下。

一、建筑配電系統(tǒng)諧波分析

1.諧波的定義

建筑配電系統(tǒng)內(nèi)對于諧波的定義認(rèn)為是周期性、非正弦電量按照傅立葉級數(shù)進(jìn)行級別劃分，不僅會獲得與電網(wǎng)繼波頻率相同的數(shù)值，也會獲得一系列大于整個電網(wǎng)的基波頻率數(shù)值，這些數(shù)值將被統(tǒng)統(tǒng)一命名為諧波。電力配電系統(tǒng)中與諧波失真相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象有：過電壓或欠壓問題；斷路器跳閘；通訊干擾；線纜升溫；圖絕緣故障等等。

2.諧波的危害表現(xiàn)

一方面，建筑配電系統(tǒng)諧波在電力網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有很強(qiáng)的敏感性，會在整流元件上發(fā)生諧振，進(jìn)而造成部分區(qū)域內(nèi)諧波電流迅速放大，增加了電壓產(chǎn)生諧振過電流和過電壓數(shù)值，這樣就會導(dǎo)致電氣電子設(shè)備出現(xiàn)錯誤操作，測量儀數(shù)值表現(xiàn)上出現(xiàn)偏差，甚至?xí)?dǎo)致電器設(shè)備或者電子元件遭受損壞而出現(xiàn)故障；另一方面，諧波會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，使整個電網(wǎng)系統(tǒng)的通信質(zhì)量受到負(fù)面影響，進(jìn)而導(dǎo)致整個電網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)的自動裝置出現(xiàn)混亂，無法有序工作。

二、建筑配電系統(tǒng)中的諧波源分析

建筑配電系統(tǒng)中的諧波往往產(chǎn)生于發(fā)電環(huán)節(jié)、輸電環(huán)節(jié)、供電環(huán)節(jié)和用電環(huán)節(jié)任何一個環(huán)節(jié)之中，但是一般情況下，諧波增加幅度最大的時候是在電網(wǎng)系統(tǒng)用電量最高的時候，電力諧波來源于電網(wǎng)系統(tǒng)中各類非線性元件，一般情況下可以分為兩種。

1.非線性電光源

該元件主要是指在氣體放電燈等區(qū)域內(nèi)發(fā)光燈所出現(xiàn)的光束來源。比如，城市建設(shè)中常見的熒光燈、霓虹燈、二極管燈、鈉離子燈、金屬鹵化物等，這些燈的發(fā)光原理都需要來自輝光弧光燈放電裝置，而這些裝置在放電過程中就會產(chǎn)生大量的諧波，為了保障整個發(fā)電過程的穩(wěn)定性，必須使用到鎮(zhèn)流器。對于鎮(zhèn)流器的使用，無論是電感式鎮(zhèn)流器，亦或是電容鎮(zhèn)流器，甚至是現(xiàn)在最為先進(jìn)的電子式組合鎮(zhèn)流器，在消除諧波上都無法完全發(fā)揮出作用，即便是通過組合型的增加鎮(zhèn)流器設(shè)備，也仍然會使這些光源中至少還存留十分之一以上的三次諧波。

2.整流設(shè)備及開關(guān)電源

電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波的關(guān)鍵性裝置往往來自整流設(shè)備，整流設(shè)備中是由多個整流元件所組成，這些元件會通過硬性短路或者是阻斷電流等方式來完成一些功能，而這樣的過程就會導(dǎo)致諧波出現(xiàn)。原則上整流設(shè)備產(chǎn)生諧波的頻率往往會為某一相數(shù)的整數(shù)級倍數(shù)，同時會出現(xiàn)裝置中的電流量與諧波出現(xiàn)的頻率成反比例關(guān)系的情況。以單相整流電為例，單相整流電路中的三次諧波的含量可以達(dá)到擊波的三分之一左右；五次諧波的含量可以達(dá)到幾撥的五分之一左右；三相全控橋式六脈整流器電路中五次諧波含量則能夠達(dá)到擊波的五分之一左右。

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代電子設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，比如電視機(jī)、空調(diào)、計(jì)算機(jī)等，這些電器電子設(shè)備都會使用開關(guān)電源，開關(guān)電源會將傳統(tǒng)變壓器、整流器等設(shè)備功能直接變化成供電電源功能，成為可以直接控制的整流設(shè)備，通過采取存儲電容器進(jìn)行充電的方法實(shí)現(xiàn)斷電或者供電的功能，在這樣的過程中，高頻脈沖寬度調(diào)制信號控制開關(guān)會在相同的時間內(nèi)，共同輸出多個渠道的直流電流，并通過調(diào)整脈沖寬度調(diào)制信號控制開關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出的目的。這樣的過程中將導(dǎo)致無法從供電電源中獲取穩(wěn)定的、連續(xù)性強(qiáng)的陽極電流，只能夠獲得一定量的脈沖電流，這樣就會導(dǎo)致三次甚至是更高次數(shù)的諧波數(shù)量增加。傳統(tǒng)的開關(guān)電源設(shè)備，相較于傳統(tǒng)整流設(shè)備在諧波含量上會更為突出，但是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對相關(guān)裝置進(jìn)行模塊化和諧波隔離技術(shù)的融合建設(shè)，已經(jīng)可以有效地降低諧波含量。

3.家用電器諧波分析

本文主要分析的是電視機(jī)、空調(diào)機(jī)以及計(jì)算機(jī)等常用家用電器的諧波情況。

電視作為日常家居環(huán)境中產(chǎn)生諧波問題最大的家電設(shè)備，其原理是單相橋式整流電容平波電路構(gòu)架，各個電路設(shè)備需要等到整流電壓大于電容器儲值電壓時，才能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳遞的目的，所以只有在陽極電流的開端才能夠完成電路流通功能，其中最顯著的優(yōu)勢是電視機(jī)產(chǎn)生的諧波一般都為奇次諧波，同時諧波最大值與基波最大值是相同的，相同電源環(huán)境下，同時供電數(shù)臺電視機(jī)設(shè)備所生成的諧波也應(yīng)該是相同的，所以使用級別越高，整個電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波影響就越為突出。

隨著城市熱環(huán)境壓力愈發(fā)明顯，城鎮(zhèn)居民對于空調(diào)的依賴度也在逐漸攀升，許多城市空調(diào)電能損耗穩(wěn)居榜首，由空調(diào)設(shè)備所生成的諧波問題也會受到空調(diào)機(jī)運(yùn)行方式的不同而發(fā)生變化，如果只開空調(diào)中的風(fēng)扇功能，諧波含量一般為百分之九以下；空調(diào)在制冷時，諧波含量一般在百分之三十以下；制熱時則能夠達(dá)到百分之三十左右。

信息時代的到來，使得家庭和辦公單位的電子計(jì)算機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，大多數(shù)情況下，電子計(jì)算機(jī)設(shè)備在用電量上和由其產(chǎn)生的諧波電流，大多都是來自顯示器運(yùn)行時所導(dǎo)致的，這一點(diǎn)與電視機(jī)十分類似，電子計(jì)算機(jī)如果是整機(jī)運(yùn)行，相較于只讓顯示器單獨(dú)運(yùn)行而言，諧波含量只有輕微減少，另外與電子計(jì)算機(jī)搭配使用的打印機(jī)、游戲機(jī)、傳真機(jī)等所產(chǎn)生的諧波表現(xiàn)也會與計(jì)算機(jī)表現(xiàn)一致。計(jì)算機(jī)諧波含有率較高，所以就會導(dǎo)致一些特殊的時間段內(nèi)出現(xiàn)諧波高峰，諧波危害程度也會攀升，所以對此造成的諧波問題也必須給予關(guān)注。

三、建筑配電系統(tǒng)諧波防范措施建議

1.改善供配電結(jié)構(gòu)

應(yīng)該盡可能地選擇諧波含量較低的電氣裝置，將產(chǎn)生諧波負(fù)荷問題量不同的各類用電設(shè)備進(jìn)行靈活搭配使用，將這些設(shè)備會分布在不同線路的供電結(jié)構(gòu)中，同時運(yùn)用諧波互補(bǔ)原理，能夠通過巧妙的手段實(shí)現(xiàn)在一定程度上降低電網(wǎng)諧波含量的目的。

根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB51348-2019》第22.3.2條相關(guān)要求寫的很明確，根據(jù)諧波源和非線性負(fù)載的性質(zhì)來采取不同治理諧波的措施。

建議優(yōu)先使用Dyn11接線組別的配電變壓器，當(dāng)然選擇變壓器容量時根據(jù)《民貴》要求降容系數(shù)D值計(jì)算后變壓器的實(shí)際負(fù)載率應(yīng)在合理范圍內(nèi)確定，使能夠削減三次諧波分量，是抑制諧波最為常用的方法之一。變壓器不能是純線性的設(shè)備，在工作時，變壓器會向電網(wǎng)內(nèi)輸入諧波，尤其是變壓器處于重載或輕載狀態(tài)時，變壓器會向電網(wǎng)內(nèi)輸入的諧波量會更多，所以對于變壓器容量選擇時，應(yīng)該考慮到用電設(shè)備的諧波問題，應(yīng)該使變壓器與用電設(shè)備的諧波負(fù)荷量相匹配，適當(dāng)?shù)靥岣咧C波負(fù)荷的配線截面，能夠有效地降低阻抗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低諧波電壓畸變的目的。功率因數(shù)補(bǔ)償電容器組可按其連接點(diǎn)的諧波特征頻率配置電抗器。

2.安裝濾波器

為了實(shí)現(xiàn)防范配電系統(tǒng)諧波的作用，濾波器應(yīng)該安裝在非線性負(fù)荷側(cè)母線上，利用固有的頻率共振原理，可以實(shí)現(xiàn)吸收諧波源的目的。常用的諧波器包括兩種類型，分別為調(diào)諧濾波器和高通濾波器。調(diào)諧濾波器主要的功能價值使可以協(xié)調(diào)某一級別的頻率，并建立起為建立低阻通路，可以運(yùn)用在幅值高的諧波濾波上，也可以運(yùn)用在濾波器協(xié)調(diào)功能上；高通濾波器一般應(yīng)用在抑制諧波功能上，可以調(diào)控更高層次的諧波或者福值更小的低次諧波上。

四、結(jié)語

本文主要對建筑配電系統(tǒng)諧波類型進(jìn)行了分析，并討論了諧波的污染問題，我們可以發(fā)現(xiàn)諧波問題所帶來的污染雖然日益加劇，但是只要給予充分的重視，采取恰當(dāng)?shù)姆椒?，提高防治措施的力度，仍然可以有效地控制諧波危害，使其降低到可接受的程度。所以廣大業(yè)界人士應(yīng)該積極地加強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用能力，充分了解與分析諧波產(chǎn)生的原因，并采取主動防范的方式降低諧波危害，更好地保障城市建設(shè)，提高國家電網(wǎng)的應(yīng)用效益。