探討諧波治理措施在建筑電氣設計中的應用

探討諧波治理措施在建筑電氣設計中的應用

摘要：本文結合筆者多年工程的實踐經驗，對諧波存在于智能建筑中的危害進行了分析，并針對目前在建筑電氣設計中應用的諧波治理措施作了比較與分析，謹供大家作參考之用。

關鍵詞：智能建筑；電氣設計；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：一是大量非線性負荷形成的諧波源，例如計算機系統、開關電源、電子式熒光整流器等導致配電系統的電壓、電流發生畸變，產生諧波；二是公用電網本身具有一定的諧波含量和配電變壓器作為諧波源產生的諧波，由公用電網側傳輸至配電系統。
惡劣的諧波環境將會對智能建筑中用電設備和系統造成巨大的危害，主要表現在以下幾個方面：
①由于設備自身產生的接地電流在設備和真實地之間產生一個電壓降，因此，容易使電腦死機；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構上任意流動，從而產生不受控制的磁場，即引發計算機屏幕的頻閃現象；由于開關、短路以及負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；嚴重的諧波畸變會引起在一個正弦周波內的額外過零點，影響測試設備，干擾程序控制裝置的同步性，導致控制裝置死機。
②智能建筑中線纜密布，系統設備繁多，微電子裝備復雜，且防護能力弱，高次諧波將會使智能化系統設備產生誤碼、錯碼、誤動作，使信號系統受到污染、產生噪聲，甚至連通話質量都不能保證。隨著低電壓信號在IT設備中使用的增加，比特錯誤率也隨之提高，甚至可以高到使整個網絡癱瘓。
③在諧波電壓作用下，電容器會產生額外的功率損耗，加快絕緣介質的老化。更為嚴重的是，大量諧波電流很可能引發電容器和系統其他元件之間的并聯諧振或串聯諧振，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、設備因電壓閃變、超壓、過負荷而損壞。
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，電弧電壓的恢復要迅速得多，使電弧容易重燃，導致誤跳閘或在該跳閘的時候根本不跳。剩余電流可能會達到使剩余電流保護裝置動作的設定值。事實表明，空氣電磁斷路器不能遮斷其分斷能力范圍內波形畸變率超過50％的故障電流，而且還會導致斷路器損壞。
⑤電壓諧波會導致感應電動機的額外損耗。高次諧波導致的扭矩脈動在聯軸器和軸承處會產生磨損和裂紋。由于電機速度是固定的，諧波中儲藏的能量就以額外的熱量形式散發了，導致設備過早老化。
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，導線電阻增大，線損加大，發熱增加，絕緣過早老化，容易發生接地短路故障，形成潛在的火災隱患。在智能建筑中大量集中使用電子計算機和大面積采用電子節能氣體光源照明的場合，中性線電流甚至達到相線電流的2倍，致使中性線過熱、燒毀，甚至導致火災。
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的抑制諧波的方法。無源濾波器包括一組以串聯方式連接的電抗器與電容器。此電路的阻抗在某一頻率下，被設計成比電網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負載的變動，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。并聯型有源濾波器實質上是一個受控的、快速反應的諧波電流源，與非線性負荷并聯，自動檢測非線性負荷產生的諧波電流。DSP產生的控制信號控制IGBT高速開關器件，經過輸出電抗器，輸出與負荷產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，其結果是系統只向負荷提供基波電流。
在設計有源濾波器治理位置時，需要根據劇場配電系統和負荷情況的不同，設計不同的安裝位置。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。但在一些非線性負荷分布負載的場合，可以采取變壓器總補償或二級配電補償的方案，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，可以完全實現根據設計需要達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成。直流電容可為有源濾波器提供一個穩定的直流電壓；濾波電感可減小有源濾波器產生的高頻開關頻率諧波。有源濾波器和無源濾波器串聯后并人電網。由于有源濾波器不是直接對諧波電流進行消除，它所產生的補償電壓中只含有諧波電壓，故其功率容量很小，具有良好的經濟性，從而可降低系統成本。
④采用諧波保護器。采用磁性方法治理諧波比有源濾波器成本更低。諧波保護器從任何一種諧波對電路系統帶來危害的本質上著手解決問題，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。此類產品如諧波保護器（HPD），采用了超微晶合金材料與創新科技的特別電路，能吸收各種頻率各種能量的諧波干擾，將諧波消除在發生源，自動消除對用電設備產生的隨機高次諧波和高頻噪聲、脈沖尖峰、電涌等干擾。HPD并聯在電路中使用，本身并不耗電。
3 結語

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