探討諧波治理措施在建筑電氣設(shè)計中的應(yīng)用

摘要：本文結(jié)合筆者多年工程的實踐經(jīng)驗，對諧波存在于智能建筑中的危害進(jìn)行了分析，并針對目前在建筑電氣設(shè)計中應(yīng)用的諧波治理措施作了比較與分析，謹(jǐn)供大家作參考之用。

關(guān)鍵詞：智能建筑；電氣設(shè)計；諧波治理措施；危害

1 諧波對智能建筑的危害
智能建筑中諧波主要來自兩方面：一是大量非線性負(fù)荷形成的諧波源，例如計算機(jī)系統(tǒng)、開關(guān)電源、電子式熒光整流器等導(dǎo)致配電系統(tǒng)的電壓、電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波；二是公用電網(wǎng)本身具有一定的諧波含量和配電變壓器作為諧波源產(chǎn)生的諧波，由公用電網(wǎng)側(cè)傳輸至配電系統(tǒng)。
惡劣的諧波環(huán)境將會對智能建筑中用電設(shè)備和系統(tǒng)造成巨大的危害，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
①由于設(shè)備自身產(chǎn)生的接地電流在設(shè)備和真實地之間產(chǎn)生一個電壓降，因此，容易使電腦死機(jī)；高次諧波會在中性線上疊加，中性線電流能夠在建筑物金屬結(jié)構(gòu)上任意流動，從而產(chǎn)生不受控制的磁場，即引發(fā)計算機(jī)屏幕的頻閃現(xiàn)象；由于開關(guān)、短路以及負(fù)載變化而引起的短時間電壓變化將會引起燈光頻閃，過度的頻閃將會使人體不舒服；嚴(yán)重的諧波畸變會引起在一個正弦周波內(nèi)的額外過零點，影響測試設(shè)備，干擾程序控制裝置的同步性，導(dǎo)致控制裝置死機(jī)。
②智能建筑中線纜密布，系統(tǒng)設(shè)備繁多，微電子裝備復(fù)雜，且防護(hù)能力弱，高次諧波將會使智能化系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生誤碼、錯碼、誤動作，使信號系統(tǒng)受到污染、產(chǎn)生噪聲，甚至連通話質(zhì)量都不能保證。隨著低電壓信號在IT設(shè)備中使用的增加，比特錯誤率也隨之提高，甚至可以高到使整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
③在諧波電壓作用下，電容器會產(chǎn)生額外的功率損耗，加快絕緣介質(zhì)的老化。更為嚴(yán)重的是，大量諧波電流很可能引發(fā)電容器和系統(tǒng)其他元件之間的并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，造成電容器超載而損壞；使與電容器連接的配電回路中所有線路、設(shè)備因電壓閃變、超壓、過負(fù)荷而損壞。
④配電回路的諧波電流含量高會使斷路器遮斷能力降低。這是因為畸變電流過零點時，電弧電流隨時間的變化要比工頻正弦電流大，電弧電壓的恢復(fù)要迅速得多，使電弧容易重燃，導(dǎo)致誤跳閘或在該跳閘的時候根本不跳。剩余電流可能會達(dá)到使剩余電流保護(hù)裝置動作的設(shè)定值。事實表明，空氣電磁斷路器不能遮斷其分?jǐn)嗄芰Ψ秶鷥?nèi)波形畸變率超過50％的故障電流，而且還會導(dǎo)致斷路器損壞。
⑤電壓諧波會導(dǎo)致感應(yīng)電動機(jī)的額外損耗。高次諧波導(dǎo)致的扭矩脈動在聯(lián)軸器和軸承處會產(chǎn)生磨損和裂紋。由于電機(jī)速度是固定的，諧波中儲藏的能量就以額外的熱量形式散發(fā)了，導(dǎo)致設(shè)備過早老化。
⑥對于電力電纜和配電線路，諧波電流頻率增高會引起明顯的集膚效應(yīng)，導(dǎo)線電阻增大，線損加大，發(fā)熱增加，絕緣過早老化，容易發(fā)生接地短路故障，形成潛在的火災(zāi)隱患。在智能建筑中大量集中使用電子計算機(jī)和大面積采用電子節(jié)能氣體光源照明的場合，中性線電流甚至達(dá)到相線電流的2倍，致使中性線過熱、燒毀，甚至導(dǎo)致火災(zāi)。
2 諧波治理的主要措施
①采用無源濾波器。采用無源濾波器是傳統(tǒng)的抑制諧波的方法。無源濾波器包括一組以串聯(lián)方式連接的電抗器與電容器。此電路的阻抗在某一頻率下，被設(shè)計成比電網(wǎng)中的其他電路低的多。這種裝置的缺點是容易過載，在過載時會被燒損。另外，可能造成功率因數(shù)過補償，同時無源濾波器不能受控。因此，隨著時間的改變以及配件老化或電網(wǎng)負(fù)載的變動，會改變諧波振頻率，使濾波效果下降。更重要的是，無源濾波器只可以過濾一種諧波成分。如果過濾不同的頻率，則要分別采用不同的濾波器，如有的濾波器只能濾除三次諧波。
②采用有源濾波器。并聯(lián)型有源濾波器實質(zhì)上是一個受控的、快速反應(yīng)的諧波電流源，與非線性負(fù)荷并聯(lián)，自動檢測非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流。DSP產(chǎn)生的控制信號控制IGBT高速開關(guān)器件，經(jīng)過輸出電抗器，輸出與負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流，起到補償諧波的作用，其結(jié)果是系統(tǒng)只向負(fù)荷提供基波電流。
在設(shè)計有源濾波器治理位置時，需要根據(jù)劇場配電系統(tǒng)和負(fù)荷情況的不同，設(shè)計不同的安裝位置。有源濾波器的安裝與諧波源越近，濾波效果越好，這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法。但在一些非線性負(fù)荷分布負(fù)載的場合，可以采取變壓器總補償或二級配電補償?shù)姆桨福�而且不同方案可以配合使用。由于有源電力濾波器安裝位置靈活，可以完全實現(xiàn)根據(jù)設(shè)計需要達(dá)到最完美的諧波治理效果。
③采用混合型濾波器�？蓪⒂性措娏�濾波器與無源電力濾波器混合使用。其中，無源濾波器由3、5、7、9次單調(diào)諧濾波器支路及高通濾波器支路組成。有源濾波器由8個IGBT、直流電容及濾波電感構(gòu)成。直流電容可為有源濾波器提供一個穩(wěn)定的直流電壓；濾波電感可減小有源濾波器產(chǎn)生的高頻開關(guān)頻率諧波。有源濾波器和無源濾波器串聯(lián)后并人電網(wǎng)。由于有源濾波器不是直接對諧波電流進(jìn)行消除，它所產(chǎn)生的補償電壓中只含有諧波電壓，故其功率容量很小，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，從而可降低系統(tǒng)成本。
④采用諧波保護(hù)器。采用磁性方法治理諧波比有源濾波器成本更低。諧波保護(hù)器從任何一種諧波對電路系統(tǒng)帶來危害的本質(zhì)上著手解決問題，即采用磁場吸收諧波能量的方法，具有很高的可靠性與使用壽命。此類產(chǎn)品如諧波保護(hù)器（HPD），采用了超微晶合金材料與創(chuàng)新科技的特別電路，能吸收各種頻率各種能量的諧波干擾，將諧波消除在發(fā)生源，自動消除對用電設(shè)備產(chǎn)生的隨機(jī)高次諧波和高頻噪聲、脈沖尖峰、電涌等干擾。HPD并聯(lián)在電路中使用，本身并不耗電。
3 結(jié)語

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