諧波電流對民用建筑配電系統(tǒng)設(shè)計影響的研究

吳偉俊

（福建七建建筑設(shè)計有限公司， 福建 漳州 363000）

0 引言

不同非線性設(shè)備產(chǎn)生的諧波頻率、 諧波電流等不同。在民用建筑的配電系統(tǒng)中，大多數(shù)照明設(shè)備、廚房設(shè)備、辦公設(shè)備均為非線性設(shè)備，如LED 燈具、微波爐、洗衣機、電冰箱、電視機、計算機、打印機、手機及充電器等，其投入運行會使電網(wǎng)電壓和電流波形產(chǎn)生畸變，從而產(chǎn)生諧波。 隨著居民生活水平的提高， 家庭配置的電器設(shè)備也越來越多，各種帶有變頻設(shè)備、開關(guān)電源設(shè)備的使用，產(chǎn)生的諧波電流含量也越來越大，這需要我們在電氣設(shè)計時重視。 目前的各種家用電器產(chǎn)品均沒有諧波電流含量參數(shù)，在配電系統(tǒng)設(shè)計手冊上也沒有相關(guān)方面的數(shù)據(jù)，設(shè)計人員在配電系統(tǒng)設(shè)計時缺乏資料。本文通過實例，結(jié)合多本規(guī)范，進(jìn)行分析計算得出結(jié)論來指導(dǎo)民用建筑電氣的配電系統(tǒng)設(shè)計。

1 技術(shù)要求

在民用建筑的配電系統(tǒng)設(shè)計時， 電流計算結(jié)果是導(dǎo)線截面、空氣開關(guān)整定值選擇的依據(jù)，而諧波電流對電流計算結(jié)果的影響不可忽視，現(xiàn)行國家規(guī)范多有規(guī)定。

（1）《低壓配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第3.2.9 條[1]規(guī)定：“在三相四線制線路中存在諧波電流時， 計算中性導(dǎo)體的電流應(yīng)計入諧波電流的效應(yīng)。 當(dāng)中性導(dǎo)體電流大于相導(dǎo)體電流時，電纜相導(dǎo)體截面應(yīng)按中性導(dǎo)體電流選擇。 當(dāng)三相平衡系統(tǒng)中存在諧波電流，4 芯或5 芯電纜內(nèi)中性導(dǎo)體與相導(dǎo)體材料相同和截面相等時， 電纜載流量的降低系數(shù)應(yīng)按表3.2.9 的規(guī)定確定。 ”（2）《民 用 建 筑 電 氣 設(shè) 計 標(biāo) 準(zhǔn)》GB-51348-2019 第7.4.4 條第2 款[2]規(guī)定：“當(dāng)三相四線制線路中存在諧波電流時，在選擇中性導(dǎo)體截面積時應(yīng)計入諧波電流的影響。當(dāng)中性導(dǎo)體電流大于相導(dǎo)體電流時， 電纜截面積應(yīng)按中性導(dǎo)體電流選擇。 當(dāng)中性導(dǎo)體電流大于相電流133%且按中性導(dǎo)體電流選擇電纜截面積時，電纜載流量可不校正。當(dāng)三相負(fù)荷平衡系統(tǒng)中存在諧波電流，4 芯或5 芯電纜中中性導(dǎo)體和相導(dǎo)體具有相同材料和截面積時， 應(yīng)按表7.4.4 確定電纜載流量的校正系數(shù)。 ”

（3）此外在GB50217-2018《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第3.6.9 條[3]、GB16895.15《布線系統(tǒng)載流量》附錄C1[4]等規(guī)范均有相應(yīng)規(guī)定。

（4）《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T 14549-93 第4 條[5]有明確規(guī)定公用電網(wǎng)諧波電壓限值為“0.38KV 處電壓總諧波畸變率為5%”。

以上不同規(guī)范明確要求在建筑電氣的施工圖設(shè)計階段均應(yīng)考慮諧波電流的影響。眾多規(guī)范均有規(guī)定，也從側(cè)面說明諧波電流對電網(wǎng)質(zhì)量和配電系統(tǒng)中各種電器性能的危害巨大，應(yīng)在配電系統(tǒng)設(shè)計時特別重視。但諧波電流在不同工程上的數(shù)值，目前沒有數(shù)據(jù)可查，電氣設(shè)計人員在配電系統(tǒng)設(shè)計時，缺乏參考的數(shù)據(jù)，往往沒有考慮會造成導(dǎo)線、空氣開關(guān)選擇時偏小違反規(guī)范。

本研究以GB 17625.1《電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）》為數(shù)據(jù)依據(jù)，按GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》公式結(jié)合實際工程進(jìn)行分析計算。

2 計算實例

住宅三居室家用電器配置：照明燈具：700W，廚房、餐廳：電磁爐1500W、微波爐1500W、冰箱300W，客廳：空調(diào)2000W、電視機200W、音響500W、隨手泡1500W，主臥：空調(diào)1500W，臥室：空調(diào)1500W，書房：空調(diào)1000W、電腦350W、顯示器50W、調(diào)光臺燈40，衛(wèi)生間：電熱水器2000W、取暖器1500W，陽臺：洗衣機200W。

戶內(nèi)配電箱系統(tǒng)見圖1。

圖1 戶內(nèi)配電箱系統(tǒng)

（1）計算家用電器的諧波電流值。各種家用電器屬于A類設(shè)備[6]，各次諧波含量根據(jù)GB 17625.1《電磁兼容 限值諧波電流發(fā)射限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）》，取諧波限值計算家用電器的各次諧波電流值，計算結(jié)果見表1。

表1 家用電器諧波電流計算值

（2）計算照明設(shè)備的諧波電流值。照明設(shè)備屬于C 類設(shè)備[6]，各次諧波限值和計算值見表2。

表2 照明設(shè)備諧波計算值

（3）計算個人計算機和個人計算機顯示器、電視接收機的諧波電流值。個人計算機和個人計算機顯示器、電視接收機屬于D 類設(shè)備[6]，各次諧波限值和計算值見表3。

表3 D 類設(shè)備諧波計算值

（4）各家居電器諧波的綜合計算。綜合上述計算，已計算出各種家用電器的各次諧波電流值。 各個諧波電流的匯總計算先按同頻率電流進(jìn)行迭加計算。 同頻率電流計算時還應(yīng)考慮電流之間的相位角，當(dāng)相位角不確定時按式（1）進(jìn)行計算[5]。

式中：

諧波次數(shù)n 3 5 7 11 13系數(shù)Kn 1.62 1.28 0.72 0.18 0.08

兩個以上同次諧波電流迭加時，仍使用式（1）進(jìn)行計算，首先將兩個諧波電流迭加，然后再與第三個諧波電流相迭加。 不同次諧波電流迭加采用式（2）進(jìn)行計算[6]。

式中：

根據(jù)式（1）、式（2）計算出家用電器各次諧波電流迭加計算值，結(jié)果見表4。

根據(jù)上面的分析計算，表4、表5 已經(jīng)計算出住宅最大用電時各次諧波電流值和電流畸變率。 采用規(guī)范限值計算結(jié)果會比實際值大， 但可以作為在初步設(shè)計階段的依據(jù)。 3 次諧波分量與相電流的比大于15%且小于33%，在配電設(shè)計選擇導(dǎo)線或者空氣開關(guān)時應(yīng)進(jìn)行校正。

表4 住宅戶內(nèi)配電箱系統(tǒng)諧波電流計算值

表5 住宅戶內(nèi)配電箱系統(tǒng)各次諧波電流畸變率計算值

3 實驗分析對比

測試電路中的諧波電流值按下面圖2[6]來測試。

圖中：S—供電電源；EUT—受試設(shè)備；Z—測量設(shè)備的輸入阻抗；s—線電流的n 次諧波分量；M—測量設(shè)備；U—試驗電壓；Zs—供電電源的內(nèi)阻抗；G—供電電源的開路電壓。 根據(jù)圖2， 繪制出測試的電路圖，見圖3[8]。

圖2 諧波電流測試原理圖

圖3 住戶家電背景諧波測試電路圖

首先測試的電網(wǎng)的背景諧波情況， 以評價電網(wǎng)背景對試驗結(jié)果的影響情況。 斷開住宅配電箱AL 用戶的所有用電設(shè)備，接入純阻性負(fù)荷，測試出電網(wǎng)背景諧波值。然后依次接入1～7 的設(shè)備，測試出各設(shè)備的諧波值。 測試結(jié)果見表6。

表6 住宅戶內(nèi)配電箱系統(tǒng)各次諧波電流畸變率實測值[8]

通過電流畸變率實測值計算值進(jìn)行比較，計算值在實測值的范圍內(nèi)。

4 分析總結(jié)

通過上述例子的分析計算，可以得出如下結(jié)論：

（1）隨著變頻設(shè)備和開關(guān)電源類家用電器的廣泛使用，住宅類用電的諧波電流越來越大。

（2）諧波電流畸變率最大是電視機、顯示器、電腦等D 類設(shè)備，當(dāng)采用專用回路供電時，應(yīng)進(jìn)行諧波電流計算，并根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行電流校正。

（3）配電系統(tǒng)上連接的各種用電設(shè)備，它們的諧波含量各不相同，不能簡單的相加，應(yīng)按各自產(chǎn)生的諧波含量分解為2、3…n 次諧波分別計算。

（4）諧波電流對單相用電電流影響不可忽略。

5 結(jié)束語

各種非線性設(shè)備在電路中可能既吸收諧波又發(fā)送諧波， 諧波電流的分析計算復(fù)雜。 本文采用規(guī)范限值為依據(jù)，詳細(xì)計算諧波電流值，得出的結(jié)果作為電氣設(shè)計人員在民用建筑配電系統(tǒng)初步設(shè)計時參考。 對電能質(zhì)量要求比較高的用戶，在設(shè)計時，還應(yīng)預(yù)留安裝位置，在配電系統(tǒng)正式運行中，進(jìn)行實際測量，根據(jù)實際測量結(jié)果，安裝吸收諧波電流的裝置。