浅谈民用建筑谐波的危害及治理

发表时间：2020-04-26T01:56:17.522Z 来源：《建筑细部》2019年第23期 作者： 施挺

[导读] 科学的进步，人们生活质量的提升，电力电子产品大批量出现在人们生活中，便利人们生活的同时，这些电力设备的非线性负载会产生大量谐波，危害电网质量、通讯系统、电气设备等的同时，还可能以电网为媒介危害建筑工程的整体性运行。施挺

华东建筑设计研究院有限公司华东都市建筑设计研究总院 上海 200070

摘要：科学的进步，人们生活质量的提升，电力电子产品大批量出现在人们生活中，便利人们生活的同时，这些电力设备的非线性负载会产生大量谐波，危害电网质量、通讯系统、电气设备等的同时，还可能以电网为媒介危害建筑工程的整体性运行。基于此，文章探讨了民用建筑谐波带来的危害，并提出了谐波治理措施，以供参考。 关键词：民用建筑；谐波；危害；治理 前言：

近几年，民用建筑逐渐向自动化、智能化转变，人们生活质量显著提升，但是，用电设备的增多，非线性负荷逐渐扩大，线性负荷却逐渐减小，谐波电流越发严重，并引起人们高度关注[1]。而在民用建筑中，谐波本身的复杂性、多样性特点，在设计阶段较为困难，甚至难度高于计算。常导致谐波危害抑制措施制定中，无法准确判断。对此，笔者以多年从业经验所得，对民用建筑的谐波危害、治理展开概述。

1、民用建筑谐波的概述 1.1、谐波的含义与基本原理

谐波，严格上来讲，是指含有基波频率整数倍电量，通常指：傅里叶级数对周期性、非正弦电量进行分解时，其他高于基波频率电流所生成的电量[2]。广义上，因交流电网的有效分量是单一工频频率，因此，所有不同于工频频率的成分，都可看做是谐波。 在分析谐波的基本原理时，常用分析方式为：傅里叶级数分解法。 在电压是正弦波，瞬间值为U（t）=Usin（t+） =2=

在式子中，U代表电压有效值、称方均根值；代表初相角；代表角频率；f代表频率；T代表周期 1.2、民用建筑中谐波来源

在理想的供电系统内，电流、电压均为正弦波。通常，电力系统内产生谐波，主要是因非线性负载导致（波形如图1所示）。当电流经过负载，和所加电压未形成线性关系，则电力系统内将形成非正弦电流，即电路内产生了谐波。在民用建筑中，谐波主要来源于以下五点：其一，照明系统内，照明镇流器与调光设备都会产生谐波。其二，计算机、打印机、复印机等办公常用自动化设备也会产生谐波。其三，开关电源、UPS不间断电源等是谐波产生的主要地之一。其四，电梯、空调、水泵这些动力机械中，变频传动设备的应用，使其产生谐波。其五，其他的非线性电器、电子设备等也会产生谐波。

图1 非线性负载下的波形图 2、民用建筑谐波的危害

2.1、增大了变压器与用电设备的损耗

相比于基波频率，谐波电流频率是其的几倍，当高频率的电流经过导体，带来的涡流、集肤效应与磁滞更大，变压器内的铜、铁等损耗更好，增大了变压器与电能的损耗。并且，谐波电流还会导致变压器外壳、硅钢片、部分紧固体等发热，当发热程度较高，将直接威胁变压器的使用容量，增大变压器的损耗[3]。

2.2、影响了现代建筑的低压配电系统安全

在谐波经过电力电缆，电缆分布的电容能够将谐波放大，进一步加重电缆集肤效应，导致电缆过热问题，增大电缆附加损耗，电缆的载流能力下降，甚至出现电缆烧毁。同时，若电流内含有大量高频次谐波，对测量仪表和继电保护产生附加误差，断路器分断能力将受到影响，继而为整个输电线路带来影响。因为，电流有效值同等，波形畸变电流相比于正弦波形电流，电流过零几率较大。当谐波电流严重，部分断路器线圈无法正常作业，开断困难度增大，若开断时间过长，超出故障电流的切除时间，极易导致电弧重燃、电路短路甚至断路器发生爆炸。电容器的容抗随着频率的上升而下降，而电流阻绕通常是电感性的，随着频率的上升而增大，在谐波电流的影响下，导致功率因数降低和电容器的重大故障。

2.3、民用建筑低压电器正常运转受到影响

在三相负荷平衡的情况下，中性线的电流为零。但是在民用建筑中，三相负荷严重不平衡。中性线中有不平衡电流流过。再加上3N次谐波在中性线叠加。经实测表明中性线电流经常为相线电流的150％~210％。计算机系统习惯以三相供电系统中中性线电压为相对零点标准，当中性线上有较大的谐波电流时，中性导线的阻抗在谐波下能产生大的中性线电压降，出现零点漂移。此中性线电压降以共模干扰形成在计算机和各种大型精密电子仪器中出现，干扰其正常工作。这些高灵敏度的电子系统在有谐波干扰时出现：程序运行错误，数据错误，时间错误，死机，无故重启，甚至对设备造成永久性损坏。

在民用建筑中，常见的打印机、计算机等办公电气和诸多灯具、电视、空调等家用电器，都为小型谐波源，也会受到谐波影响。电视机、洗衣机、LED灯具电源等有严重的非线性伏安特性，导致严重谐波电流，影响电器设备的健康运转。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。并且，这些谐波会通过电网影响其他设备，如：白炽灯受到谐波影响后，白炽灯寿命会减小，并出现异常发热问题。据悉，谐波进入电网，导致电压升高约5%时，白炽灯的使用寿命将下降47%。电力线路中的谐波，还将通过电容耦、电磁感应，对显象和音响设备及通信线路干扰。由此可见，谐波对电器危害严重。 3、民用建筑谐波的危害治理措施 3.1、谐波危害的预防措施

在民用建筑中，为了全面贯彻节能减排的政策方针，应尤其重视谐波危害的预防和治理问题。因为，电能民用建筑耗损量最大的能源，而谐波是导致电能损耗的重要因素。所以，为了降低民用建筑电能损耗，提高电网安全运行，应对民用建筑的谐波进行预防。首先，贯彻“谁干扰、谁污染、谁治理”准则当民用建筑产生谐波，公共连接处的谐波已经超过允许值，技术人员应及时查询谐波产生源头，警告其快速治理谐波，保障所产生的谐波在正常值范围。同时，在民用建筑电网运行中，对谐波源客户进行定期检查，加强谐波源的管理，有效预防谐波超标、危害电网的现象。其次，以新型技术设备，由源头降低谐波电流生成。如：选择12脉冲UPS、选择电容和电抗谐振频率相同的耐压电容器与耐流电抗器。新型设备使用后，复核谐波，合格后正式接入电网。最后，查询电力谐波的源头，建立健全客户谐波源档案，记录设备容量、参数、形式、主接线等内容，为后续谐波检查、谐波危害抑制等提供帮助，改善民用建筑的电网供电质量，为谐波诶还治理提供数据信息支持[4]。 3.2、谐波危害的治理措施

民用建筑运行中，电气谐波超标现象，严重损害了人们生活的多个方面，经济、安全性、生活舒适度等，仅依靠预防措施并不能够达到最佳效果。对此，对谐波危害有效治理，将其限制在一定范围，营造优良电网系统。当前，常常采用有源电力、无源电力两种滤波器控制谐波（原理图分别如图2、3所示）。滤波器，对于需要调节的谐波，可将其看做低阻抗陷阱，理论上，滤波器在调谐频率时，阻抗为0，能够将滤出谐波吸收。然而，相比与无源滤波器，有源滤波器安装后，不仅能够适当减少变压器，降低设备投资、保护相关设备，还能够降容，降低断路器、变压器与电缆的投资、增强生产效率，保持供电连续性。并且，有源滤波器可控特性、自适应性较高，因此，民用建筑在治理谐波时，常用有源滤波器。当配电系统中既具有相对集中且长期稳定运行的大容量（如，200kVA或以上）非线性负载，又具有较大容量的经常变化的非线性负载时，宜选用有源无源组合型滤波器。由无源滤波器吸收一个或数个功率较大且稳定的特定频率的谐波，再由有源滤波器消除动态谐波。变流器是降低谐波的另一种方式，其主要通过多重化技术控制谐波。对于几千至几百千瓦的高功率整流器，主要选择PWM逆变器，构成四象限交流调速变频器，以此输出正弦波电压和电流，功率因数是1，实现能量的双向传递，以此减低谐波。 下转第413页