探讨建筑电气设计中谐波治理措施

探讨建筑电气设计中谐波治理措施

夏国富

广州汉森建筑设计有限公司（ 510620）

摘要：建筑物中安装有各种电气设备，一些非线性的电气设备，如空调机组、大型医疗设备、调光可控硅设备等，会产生谐波，注入电网后影响电网的电能质量，影响建筑物中其他设备的正常运行。因此，本文将对谐波产生的来源及其产生的危害进行了全面的分析，进而对建筑电气设计中谐波治理的相关措施进行了有效探讨，希望能够为提高建筑电气设计水平，确保电气系统功能正常发挥提供有益参考。

关键词：建筑电气设计；谐波治理；措施

引言

随着我国电子技术的持续发展，其已广泛应用于工业、建筑等诸多领域，但电气系统中的谐波问题客观存在，对电力系统的正常运行造成负面影响，不仅不利于电能质量水平的提高，也带来极大的经济效益与社会效益损失。一旦电力系统中的某一点发生短路或者电力系统出现故障，谐波就会进一步加重，对整个电力系统的运行产生影响。因此，在建筑电气设计中，也要加强对谐波问题的重视程度，自觉采取谐波治理措施，规避由此产生的影响与危害。

一、谐波产生来源分析

目前，在建筑电气系统运行过程中，谐波产生的来源主要包括以下五个方面：一是照明设备运行。荧光灯等照明设备中的电子镇流器在运行过程中，其整流电路流和高频逆变器电路是谐波电流产生的主要来源之一。越来越常用的电感整流器也会产生一定的谐波电流。以及气体放电灯的电弧放电过程也会产生谐波电流。许多灯具的驱动电源也会产生谐波，特别是LED大屏幕，其产生的谐波量更大。二是日用电器的使用。生活日用电器的运行往往需要进行电压控制来调整亮度或者关闭，其过程也是产生谐波，包括电脑、电视机、电烤箱、空调等的使用也会产生大量谐波。三是换流设备的使用。整流器、逆变器、变频器等换流设备的使用，主要是借助整流元件作用对电流进行强行切断、接通，进而也会产生谐波电流，在建筑电气系统中主要包括了空调、电梯、总体开关等方面的具体应用。四是铁芯设备的使用。变压器与铁芯电器中的铁芯具备非线性磁化特征，其工作过程中磁化曲线趋于饱和时，其产生的磁化电流会出现奇次谐波，并且铁芯饱和度与谐波电流成正比。即便是在空载、轻载状态，空载电流电感与对地电容，以及较多数量的变压器使用，也会形成较大的谐波现象。五是电弧炉的应用。其原理是电弧炉具备电弧负阻抗特性，以及在熔化期三相电极出现反复的不规则的短路现象，以及断弧等，进而产生谐波电流。

二、谐波的危害

1.对电动机的影响

旋转电机受到电源谐波的影响，使旋转电机产生转矩、附加损耗，并产生振动、噪音等现象，对设备会造成一定破坏。受电源谐波的影响电动机会产生附加热损耗，干扰力矩会使电动机产生启动困难，降低运行效率等。

2.对变压器的影响

电源谐波能使变压器的铁损、漏磁损耗和铜损增加，引起变压器发热，导致变压器温度上升及损耗增加。电源谐波的频率越高，集肤效应越明显，各种损耗越严重，在谐波电压的作用下，变压器内部的铁心叠片会形成涡流电流，而涡流电流则是造成变压器温度上升及损耗增加的关键因素。除了变压器发热，电源谐波还会造成紧固体、变压器外壳和外层硅钢片发热，变压器发热越严重，使用容量越少。谐波源产生的谐波会流经变压器，谐波的振动还会对变压器造成损害。

3.对计量仪表及电子设备的影响

无论是数字仪表还是模拟仪表，谐波的存在都会对其精度产生影响，数字仪表在谐波的影响下会产生较大的计量误差；模拟仪表在谐波的影响下会导致计量电能数据大于实际数据。此外电源谐波对电网中基波频率为基础过零检测的敏感性电子设备和电子电源会造成影响，还会引起办公自动化、消防报警、安全防范和楼宇自动化等电气系统中的电子装置工作出现失误。

4.对配电线路的影响

当谐波电流经过配电线路时，会产生集肤效应，使电缆发热、增加附加损耗，从而导致整个配电线路的供电效率及供电质量下降，同时会导致线缆阻抗增大，大大增加发热，造成线路绝缘加速老化，存在火灾隐患。除此之外，谐波的存在会使配电线路中性线的电流明显变大，这时原有的配电线路截面积便有可能无法满足需要，造成中性线温度明显升高，轻则烧坏绝缘皮或是出现短路，重则引发火灾，造成灾难性后果。

三、谐波治理的主要措施

1.利用有源滤波器

并联有源电力滤波器本质上是一种可控的、快速响应的谐波电流源，它能自动与非线性负载相连接，能够自动检测出非线性负载所出现的谐波电流。Dsp所产生出的控制信号能够控制IGBT的高速开关器件。通过电抗器的输出，能够输出等于负载产生的谐波电流，能够起到补偿谐波作用，结果将是该系统只为负载提供基本电流。在有源滤波器位置的设计中，应根据负荷情况与配电系统的不同，设计出具有差别的安装位置。一般情况下，所安装的位置距离谐波源越近，那么滤波效果将越好，是降低谐波电压与谐波电流畸变的最佳途径。但在非线性负载分布的情况下，可以采用两级配电补偿或者是变压器总补偿的方案，可以采用不同的方案相配合。有源电力滤波器一般安装位置比较灵活，可以根据设计要求达到最理想的谐波控制效果。

2.采用无源滤波源器

无源滤波器是一种抑制谐波的传统方法。无源滤波器由串联电抗器和串联电容器组成。在一定频率范围内，电路的阻抗比电网中的其它电路要低得多。但是这种装置主要的缺点是过载容易，过载时甚至会被烧毁。此外，功率因数可能会被过补偿，造成无源滤波器无法控制。因此，随着时间的变化、电网负荷的变化或部件的老化，电网的谐波振动频率会发生变化，滤波效果会降低。另外，无源滤波器只能对一种谐波分量进行滤波。如果对不同的频率进行滤波，则需要分别使用不同的滤波器，例如，某些滤波器只能滤波三次谐波。

3.采用混合型滤波器

可将有源电力滤波器与无源电力滤波器混合使用。其中，无源滤波器由3、5、7、9次单调谐滤波器支路及高通滤波器支路组成。有源滤波器由8个IGBT、直流电容及滤波电感构成。直流电容可为有源滤波器提供一个稳定的直流电压；滤波电感可减小有源滤波器产生的高频开关频率谐波。有源滤波器和无源滤波器串联后并人电网。由于有源滤波器不是直接对谐波电流进行消除，它所产生的补偿电压中只含有谐波电压，故其功率容量很小，具有良好的经济性，从而可降低系统成本。

4.采用谐波保护器

采用磁性方法治理谐波比有源滤波器成本更低。谐波保护器从任何一种谐波对电路系统带来危害的本质上着手解决问题，即采用磁场吸收谐波能量的方法，具有很高的可靠性与使用寿命。此类产品如谐波保护器（HPD），采用了超微晶合金材料与创新科技的特别电路，能吸收各种频率各种能量的谐波干扰，将谐波消除在发生源，自动消除对用电设备产生的随机高次谐波和高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰。

结语

综上所述，随着我国建筑行业开始向着绿色的方向发展，谐波治理工作也逐渐受到了更多的重视。在建筑电气系统设计的过程中，设计人员应先明确谐波的产生源，明确谐波对电气设备的危害，并在此基础上通过各种方式对谐波进行有效治理，降低其对电气系统的危害，包括各种滤波器的使用、供电环境的改善、无功补偿装置的加装等，有效对谐波进行治理，为建筑电气系统的正常运行及电气设备的稳定运行奠定良好的基础。

参考文献：

[1]陆伟.谐波治理措施在建筑电气设计中的应用价值[J].江西建材，2015（20）：214，218.

[2]罗琼.谐波对建筑电气设计的影响及对策分析[J].低碳世界，2017（34）.

[3]曾强，孙延军.谈现代智能建筑电气设计中对谐波的治理[J].黑龙江科技信息，2011（02）