黃偉

摘 要：在建筑電氣設(shè)計(jì)過程中，受到各種線路和設(shè)備的影響會(huì)出現(xiàn)諧波，從而影響建筑供配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重影響人們的日常生活。因此，筆者在本文會(huì)深入探究諧波對(duì)電氣設(shè)計(jì)的影響，并針對(duì)此提出相關(guān)的諧波防范對(duì)策，為類似研究提供一些參考。

關(guān)鍵詞：諧波；電氣設(shè)計(jì)；影響；防范對(duì)策

中圖分類號(hào)：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）06-0171-02

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)建筑物的安全性能追求越來越高。在建筑電氣系統(tǒng)中，應(yīng)用的電子設(shè)備日益增加，由此產(chǎn)生的大量諧波會(huì)嚴(yán)重降低電能質(zhì)量，造成一定的能源損耗和安全隱患，不利于建筑內(nèi)居民的安全性。因此，建筑電氣設(shè)計(jì)人員必須充分考慮諧波對(duì)電氣系統(tǒng)的影響，優(yōu)化建筑電氣設(shè)計(jì)方案，落實(shí)諧波的防范對(duì)策，緩解電氣設(shè)計(jì)的壓力，全面提高電氣設(shè)計(jì)的安全性，保障人們的性命財(cái)產(chǎn)安全。

2 建筑電氣設(shè)計(jì)中的諧波來源

在建筑電氣設(shè)計(jì)中，最理想的狀態(tài)是整個(gè)電氣系統(tǒng)是無能耗損失的，而且電流和電壓運(yùn)行正常，表現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)正弦波圖形。由于在實(shí)際的電氣系統(tǒng)中會(huì)受到非線性負(fù)載的影響，導(dǎo)致諧波產(chǎn)生，電流經(jīng)過負(fù)載位置后與電壓不存在線性關(guān)聯(lián)，整個(gè)電力系統(tǒng)的負(fù)荷加大，難以保證建筑電氣系統(tǒng)的安全性。

因此，建筑電氣設(shè)計(jì)人員必須充分重視對(duì)諧波的防治，采取有效措施防止諧波的出現(xiàn)，達(dá)到良好的諧波抑制效果。要避免諧波的出現(xiàn)應(yīng)以諧波的來源作為切入點(diǎn)，事實(shí)上，諧波主要來源于：第一，城市電力電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)自帶一定量諧波，而電網(wǎng)中的配電變壓器也是諧波源，由此產(chǎn)生的諧波會(huì)經(jīng)過電網(wǎng)的電力輸送到建筑配電系統(tǒng)中；第二，建筑電力系統(tǒng)中涉及眾多會(huì)產(chǎn)生非線性復(fù)合的設(shè)備，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信設(shè)備、可控開關(guān)電源等，此時(shí)電力系統(tǒng)中的電流、電壓容易出現(xiàn)畸變進(jìn)而產(chǎn)生諧波。

3 諧波對(duì)電氣設(shè)計(jì)的影響分析

3.1 諧波對(duì)變壓器的影響

3.1.1 諧波對(duì)變壓器輸入輸出電壓的影響

在諧波電流的影響下，變壓器會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，其內(nèi)部的參數(shù)會(huì)隨之改變，當(dāng)變壓器具備T型等效電路時(shí)，它就會(huì)將不同諧波分量當(dāng)做電流源疊加到變壓器上，以形成在諧波影響下的等效電路。然而，不論諧波源是電網(wǎng)自身或是負(fù)載都會(huì)增加變壓器的諧波電流，從而降低電壓質(zhì)量，導(dǎo)致諧波電壓的畸變機(jī)率增加，損害用電設(shè)備。當(dāng)諧波通過高壓點(diǎn)，會(huì)對(duì)高壓電網(wǎng)造成污染，影響供電質(zhì)量。此時(shí)，電力系統(tǒng)中的電阻、電抗會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致變壓器的輸入輸出電壓質(zhì)量嚴(yán)重降低。

3.1.2 諧波對(duì)變壓器損耗的影響

當(dāng)諧波電流通過變壓器線圈時(shí)，線圈附近會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，導(dǎo)致線圈中電流不均勻分布而集中在線圈表面，引起導(dǎo)體的抗阻和耗損變大，這就是我們所說的集膚效應(yīng)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，變壓器的制造工藝逐步提升，在忽略變壓器自身諧波對(duì)電網(wǎng)影響的情況下，諧波仍然會(huì)對(duì)變壓器的損耗帶來重大影響。常見的變壓器耗損有兩種形式，即空載耗損和負(fù)載耗損，空載耗損是指變壓器內(nèi)部的磁力作用可通過導(dǎo)線材料進(jìn)行傳遞，其大小與電壓有關(guān)；負(fù)載耗損是由經(jīng)過變壓器繞組負(fù)荷電流所引起的。

3.2 諧波對(duì)導(dǎo)線的影響

3.2.1 諧波對(duì)導(dǎo)線線路的損耗

當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)中產(chǎn)生諧波電流，導(dǎo)線線路就會(huì)產(chǎn)生耗損，以電纜直接埋地敷設(shè)的情況進(jìn)行分析：電容的兩極分別是地面和導(dǎo)體，此時(shí)電容介質(zhì)就是導(dǎo)線絕緣材料及相關(guān)的中間材料，那么理想電容器是不存在的，因?yàn)闊o法保證電流恰好超前電壓90度，此時(shí)必然會(huì)有導(dǎo)線耗損的出現(xiàn)。

3.2.2 諧波對(duì)中性線的影響

電氣系統(tǒng)中的諧波會(huì)使線路耗損惡化，容易引起相線過載情況，諧波尤其對(duì)三相四線制和三相五線制配電系統(tǒng)的中性線影響重大。以普通的民用建筑為例，由于傳統(tǒng)舊式的民用住宅家用電器非線性負(fù)載數(shù)量少，可以忽略諧波對(duì)其帶來的影響；然而，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電氣設(shè)備更新迅速，非線性負(fù)載數(shù)量不斷增加，電氣回路中的諧波電流日益增加，導(dǎo)致絕緣性能變差，甚至引起電氣火災(zāi)。

3.3 諧波對(duì)電容器的影響

當(dāng)諧波產(chǎn)生時(shí)，電容器的額外功率耗損隨之出現(xiàn)，加快電容器中絕緣介質(zhì)的老化速度，諧波電流也會(huì)增大，此時(shí)電容器與電力系統(tǒng)其他電氣元件會(huì)產(chǎn)生諧振效應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)電容器處于超載狀態(tài)。在這種情況下，與電容器相連的電氣設(shè)備和導(dǎo)線線路容易出現(xiàn)閃變、超壓的情況，從而引起大范圍的電網(wǎng)損害。

4 電氣設(shè)計(jì)中諧波的防范對(duì)策

針對(duì)諧波對(duì)建筑電力系統(tǒng)的影響和危害，建筑電氣設(shè)計(jì)人員應(yīng)采取有效措施防治諧波，有效降低諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害，保障建筑內(nèi)居民的性命安全財(cái)產(chǎn)。

4.1 減少諧波出現(xiàn)機(jī)會(huì)

4.1.1 增加供電量

增加供電量能有效防止諧波的出現(xiàn)，因此，電氣設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡可能加大電纜的橫截面積，通過集膚效應(yīng)來避免諧波的產(chǎn)生。此外，設(shè)計(jì)人員也可以選擇大容量的發(fā)電機(jī)和電容器，減少諧波危害，但該方法無法真正徹底消除諧波，只能相對(duì)減少諧波出現(xiàn)的機(jī)會(huì)，而且會(huì)增加電力投資，提高用戶的電力使用成本。若要采用該方式防治諧波，應(yīng)與非線性負(fù)荷協(xié)同作用，合理增加建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的容量裕度。

4.1.2 更換變壓器

更換使用一些特定變壓器能有效抑制諧波的產(chǎn)生，例如：使用Yn11變壓器能有效防止3次3乘n次諧波的產(chǎn)生，阻斷諧波進(jìn)入電氣系統(tǒng)的途徑。由此可見，更換特殊的變壓器操作便捷，能有效防止典型諧波的產(chǎn)生，但該方法需要投入大量資金成本，主要用于特殊的環(huán)境場(chǎng)合中，當(dāng)采用該方式進(jìn)行諧波治理時(shí)，要全面考慮非線性負(fù)載的情況。

4.2 安裝濾波器

濾波器能有效檢測(cè)并過濾建筑電氣系統(tǒng)中的諧波。目前，建筑電氣設(shè)計(jì)中常用的濾波器包括有源濾波器、無源濾波器及混合濾波器。

4.2.1 有源濾波器

有源濾波器具有反應(yīng)迅速的特點(diǎn)，當(dāng)有源濾波器與非線性負(fù)載并聯(lián)時(shí)，它能檢測(cè)出電力系統(tǒng)中由非線性負(fù)載而產(chǎn)生的電流諧波，并對(duì)諧波進(jìn)行過濾。需要注意的是，在應(yīng)用有源濾波器防治諧波時(shí)，必須科學(xué)選擇濾波器的安裝地點(diǎn)，盡量遠(yuǎn)離諧波源，全面提升濾波效果。

4.2.2 無源濾波器

無源濾波器在電氣系統(tǒng)中會(huì)與電容器、電抗器等設(shè)備串聯(lián)，能檢測(cè)和過濾電氣系統(tǒng)中的諧波。若要過濾電力系統(tǒng)中不同種類的諧波，必須采用與其相對(duì)應(yīng)的額定濾波器。然而，在電力系統(tǒng)過載情況下，無源濾波器容易出現(xiàn)燒損，甚至?xí)タ刂?，由此可見，無源濾波器對(duì)諧波的治理效果較有源濾波器差。

4.2.3 混合濾波器

混合濾波器實(shí)際上是有源濾波器和無源濾波器的混合應(yīng)用，其作用原理是有源濾波器可以從直流電容中得到穩(wěn)定直流電壓，從而降低濾波電感，再與無源濾波器共同作用抑制諧波產(chǎn)生?；旌蠟V波器主要用于用電安全性要求高、濾波污染控制要求高的場(chǎng)所，該種濾波器充分結(jié)合了有源濾波器和無源濾波器的優(yōu)勢(shì)，全面發(fā)揮了混合濾波器的使用功能。

4.3 導(dǎo)線控制

諧波治理中對(duì)導(dǎo)線的控制主要是指合理控制導(dǎo)線的橫截面積，針對(duì)諧波對(duì)建筑電氣系統(tǒng)導(dǎo)線的影響，對(duì)導(dǎo)線橫截面積的控制可采用以下方式：第一，當(dāng)諧波電流不大于15%基波電流時(shí)，控制中性線要與相線界面相等；第二，當(dāng)諧波電流大于等于15%基波電流時(shí)，若相線為明敷，則要求減小相線的橫截面積，以加大帶電導(dǎo)體的距離，為導(dǎo)線留出散熱距離，加快諧波額外熱量的散失速度，盡可能減少導(dǎo)線的截留量，再通過降低系數(shù)的原理校正優(yōu)化電氣設(shè)計(jì)中的導(dǎo)線設(shè)計(jì)，全面提升電氣設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

4.4 電容器控制

在建筑電氣設(shè)計(jì)中，電容器能有效消除電氣系統(tǒng)中的諧振風(fēng)險(xiǎn)，防止諧波放大而造成電力系統(tǒng)超壓。電容器在電氣設(shè)計(jì)中對(duì)諧波的治理主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：第一，若電容器與電抗器串聯(lián)時(shí)，電容器的諧振點(diǎn)和電抗率能得到合理控制，有效消除電氣系統(tǒng)中的諧波源；第二，在設(shè)計(jì)電容器容量時(shí)，要全面考慮電容器的無功補(bǔ)償，諧波電流在電力系統(tǒng)中能受到電容器的阻抗，此時(shí)的電容器電流需要記錄好并以此為基礎(chǔ)計(jì)算出電容器的容量，有效抑制諧波的產(chǎn)生。

5 結(jié)語

總之，諧波的出現(xiàn)是具有隨機(jī)性、多發(fā)性、不穩(wěn)定性等特點(diǎn)的，它會(huì)對(duì)電氣系統(tǒng)中的各種電力設(shè)備產(chǎn)生不同程度的干擾，引起電力設(shè)備的不正常工作，降低電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，不利于建筑內(nèi)居民的性命財(cái)產(chǎn)安全。因此，在建筑電氣設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員必須重視電氣設(shè)計(jì)的綠色化發(fā)展，采取有效的諧波治理對(duì)策，排除電氣諧波的危害，保證建筑電氣設(shè)計(jì)的合理性和安全性，保障建筑電氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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