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摘要： 由于建筑智能化的快速发展，大量采用电力电子器件的整流设备和变频调速设备更加广泛的应用于民用建筑中，因此民用建筑供配电系统中间谐波问题引起国内外高度重视，本文论述了间谐波的基本概念，间谐波对供配电系统的影响和危害，介绍了国内外对间谐波水平的限值，总结了间谐波的处理措施，对提高建筑电气电能质量有积极的意义。
关键词： 建筑电气；供配电系统；电能质量；间谐波
中图分类号：U223文献标识码： A
民用建筑供配电系统中电能质量问题已经长期得到人们的关注，对于一些传统的电能质量问题，如传统的谐波问题，人们也有了更加清楚的认识。本文将主要对非线性负荷所带来的间谐波在现代民用建筑供配电系统中所产生的影响进行探讨。
1 间谐波的概述
国家标准《GB/T 24337-2009电能质量公用电网间谐波》中，指出间谐波是在工频50Hz的电力系统中对电压电流实时波形利用离散傅里叶分析后得到的频率为工频非整数倍的分量。其实质也是一个周期性的正弦波分量，其频率介于工频50Hz和整倍数工频频率之间。由于间谐波与工频周期不同步，当工频供配电系统中含有间谐波成分时，电压波形将会出现波动，其有效值和峰值将不再是一个定值，如图1所示。
(a)(b)
图1 （a）工频电压波形和8.8Hz电压波形 （b）合成电压波形
电力系统中间谐波主要还是来自于非线性设备。正常的基波电压作用于非线性设备时，设备电流和设备电压波形不同而产生畸变。按其畸变的物理成因不同，可以分为铁磁饱和型（如变压器、电抗器等铁芯设备）、电子开关型（如交直流换流设备和电子开关设备）、电弧型（如利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉）三种。
而对比这三种物理成因不同的间谐波源，在民用建筑里由于建筑智能化的快速发展，大量采用电力电子器件的整流设备和变频调速设备更加广泛的应用于民用建筑中，因此民用建筑供配电系统中间谐波的来源主要是电子开关型设备。电子开关型所采用的变流装置在使用过程中将产生特征波频谱，同时考虑负荷的三相不对称性和全控器件的触发角的误差等因素，特征波和非特征波频谱均有如下特征式：
由此可见，变流器的间谐波问题来自设备的变流频率不确定性。这是器件特性和供电运行环境综合决定的。
国际社会高度重视间谐波问题，国际学术组织如IEC等制定了包括供电系统、电力和用电设备在内的间谐波标准，例如IEC/TR 61000-3-6:2008。而我国也于2009年正式颁布并实施了国家标准《GB/T 24337-2009电能质量公用电网间谐波》,其中规定了间谐波电压的限值，说明间谐波问题已经上升到国家的高度来认识。
2 间谐波的影响
间谐波本身既有谐波的一些共性，又有与谐波不同的个性，在对供配电系统的影响和危害来说，间谐波继承了谐波的某些危害，同时又带来新的问题。
2.1间谐波和谐波的共性危害
间谐波和谐波一样都对造成电压波形畸变。在供电线路上，因集肤效应使得的总阻抗比基波阻抗大，增大线路损失。畸变的电压波形，会加速线路本身的绝缘老化，破坏配电网络的安全稳定运行。同时，线路的分布电容对间谐波和谐波电流还有放大的可能，一旦放大，影响更加严重，是配电网络无功功率增大，降低功率因数，电能的传输效率降低，整个供电网络供电质量下降，全面影响整个供配电系统。对于电力设备，如电动机、变压器和电力电容器，畸变的电压电流会产生严重的介质损耗，严重时破坏设备内部绝缘，使电力设备过热、加速老化，影响使用寿命。
2.2 间谐波特有的危害
在民用建筑中，间谐波的危害主要直接体现在对设备影响上。而对于电力系统而言，间谐波的危害也不容忽视。
2.2.1 间谐波对人视觉的影响。由1节的概述可以知道，间谐波的存在会直接导致电压产生规律性的波动，这种波动电压作用于灯具上就给人带来灯光亮度变化所引起的不稳定感，我们称这种情况为闪变，而究其物理成因是间谐波所造成的电压波动。对比谐波，其频率与基波频率同步变化，只会影响电压波形，而不会引起灯光闪烁。由于人眼对在8.8Hz频率附近的灯光闪烁最为敏感，一旦间谐波与谐波或基波之间的差值在特定频率附近时，则人的视觉会受到严重的干扰。在照明及视觉要求高的场所，如精密仪器操作场所，这种闪变是不能接受的，也会因此造成不必要的损失。
2.2.2 间谐波对精密设备仪器仪表的影响。间谐波的存在会改变电压的过零点进而易使电压采样器或过零工作的数字式继电器产生误差，这对精度较高又需要与电网频率同步或作为基准的设备造成极大的影响。如果是数字式继电器甚至导致设备的误動作造成停电事故。而对于计量测试仪表还会影响计量的结果和准确度，带来不必要的计量误差，同时干扰医院等场所的精密视频和音频设备，将使得如芯片制造等工厂精密制造设备运行不正常，产品不合格。
2.2.3 间谐波对发电机和电动机的影响。旋转机械由于间谐波的影响而造成机械谐振问题，特别是涡轮发电机附近出现的间谐波造成的影响更加严重，有必要将发电机中的间谐波电流限制在非常小的范围内。IEC指出，由以往的经验可得0.1%及以下的间谐波电流都能够对发电机等旋转机械带来问题。
3 间谐波的限值
我国对间谐波的限值做出了如下规定：
接于PCC的单个用户引起的各次间谐波电压含有率一般不得超过表1限值。
表1单一用户间谐波电压含有率限值（%）
同时IEC也对间谐波的限值有如下规定：
表2IEC间谐波电压含有率限值（%）
相比较而言，我国国标对于间谐波的限值更加严格，也更加细化。
4 间谐波的处理措施
虽然目前民用建筑相关设计标准中未对间谐波问题作出相应的条款规定，对于间谐波，作为电气设计人员可以在设计过程中予以足够的重视。采取基本的技术措施予以控制。
4.1减少间谐波的基本措施
其核心思路是，优先对间谐波发生源采用适当的技术措施，使其本身不产生或少产生间谐波，其次是优化供配电系统构架，以提高配电系统的电能分配效率，最后是装设滤波器，以减少消除间谐波。具体而言主要包括：
（1）合理使用产生间谐波的设备，或者设备本身自带滤波机制。例如改变谐波源的配置或工作方式，有互补性的装置集中设置，或分散或交替使用，适当限制产生间谐波量大的工作状态，避免使用将产生大的间谐波发生源的设备。设计时选用可能产生间谐波的设备时，采用满足国家相关标准要求的产品。
（2）设计时再规范允许范围内，将产生间谐波发生源的负荷单独或成组放置在配电系统的上游，也就是说将多个间谐波源接与同一段系统母线上，一方面以远离敏感负荷，另一方面提高系统的对间谐波源耐受程度，也就是提高间谐波源所在的系统短路容量。
4.2抑制间谐波的专用措施的思考
目前国内多间谐波的研究还处于性质分析和检测算法研究的阶段，尚没有成熟的技术方案和设备。在民用建筑中抑制间谐波的专用措施也是考虑在低压母线处设计集中补偿滤波方案，装设间谐波滤波装置或无功谐波的综合补偿装置。主要有两种方向，一是无源滤波器，在间谐波源附近装设若干单调谐波及高通滤波支路，以吸收间谐波电流，这种方法有局限性，要求间谐波源的平稳，或是变化不频繁且有一定的规律性。二是有源滤波器，是基于动态抑制间谐波和谐波及补偿无功的电力电子装置，它对幅值和频率都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，是电力电子技术，自动控制技术和计算机处理技术的综合集成，实时对在网负荷进行测量计算，选择合适的控制方案，产生与负荷间谐波和谐波以及无功电流相反的分量，抵消系统的不良分量。但是鉴于目前电力电子器件的可控能力和电子元器件的生成成本的限制，有源滤波器的推广应用存在一定的局限。间谐波问题的出现，并不是一个单一的电能质量问题，在抑制间谐波的同时，也并存这谐波问题，同时也有无功问题，所以抑制间谐波问题的实质是一个同时解决间谐波、谐波和无功的综合处理问题，还有待我们进一步的探索。
5 小结
电能质量问题一直是影响整个供配电系统用户和运行维护单位以及电气设计师所共同关注的问题，间谐波问题代表了电能质量问题中的一种，因为其直接影响整个供配电系统给的正常运行，特别是对于医院、航站楼等对电能质量有较高要求同时又较为敏感的场所，作为建筑电气设计师更不应该对此忽略，应该采取措施对其进行处理和预防，保证供配电系统的安全稳定运行。
参考文献
[1] 杨岳. 供配电系统[M]. 北京: 科学出版社, 2007.
[2] 中国航空工业规划设计研究院. 工业与民用配电设计手册[M]. 北京: 中国电力出版社, 2005.
[3] 中国国家标准化管理委员会. GB/T 24337-2009 中华人民共和国国家标准电能质量公用电网间谐波[S]. 2009.
[4] IEC. PD IEC/TR 6000-3-6：2008 Electromagnetic compatibility(EMC)-Part 3-6:Limits-Assessment of emission limits for the connection of distorting installations to MV,HV and EHV power systems [S]. 2008.
[5] 邵民杰. 关于现代交通建筑中提高电能质量问题的思考[J]. 交通建筑. 2012(05):3-8.
[6] 杨志新,杨世海. 基于串联补偿的间谐波抑制技术研究[J]. 江苏电机工程. 2013(02):38-42.
[7] 胡杰. 间谐波参数对荧光灯闪变的影响及间谐波抑制方法的研究[D]. 重庆大学, 2008.
作者简介
张靖宇 1986年8月 男 四川乐山人 硕士研究生学历 助理工程师
关键词： 建筑电气；供配电系统；电能质量；间谐波
中图分类号：U223文献标识码： A
民用建筑供配电系统中电能质量问题已经长期得到人们的关注，对于一些传统的电能质量问题，如传统的谐波问题，人们也有了更加清楚的认识。本文将主要对非线性负荷所带来的间谐波在现代民用建筑供配电系统中所产生的影响进行探讨。
1 间谐波的概述
国家标准《GB/T 24337-2009电能质量公用电网间谐波》中，指出间谐波是在工频50Hz的电力系统中对电压电流实时波形利用离散傅里叶分析后得到的频率为工频非整数倍的分量。其实质也是一个周期性的正弦波分量，其频率介于工频50Hz和整倍数工频频率之间。由于间谐波与工频周期不同步，当工频供配电系统中含有间谐波成分时，电压波形将会出现波动，其有效值和峰值将不再是一个定值，如图1所示。
(a)(b)
图1 （a）工频电压波形和8.8Hz电压波形 （b）合成电压波形
电力系统中间谐波主要还是来自于非线性设备。正常的基波电压作用于非线性设备时，设备电流和设备电压波形不同而产生畸变。按其畸变的物理成因不同，可以分为铁磁饱和型（如变压器、电抗器等铁芯设备）、电子开关型（如交直流换流设备和电子开关设备）、电弧型（如利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉）三种。
而对比这三种物理成因不同的间谐波源，在民用建筑里由于建筑智能化的快速发展，大量采用电力电子器件的整流设备和变频调速设备更加广泛的应用于民用建筑中，因此民用建筑供配电系统中间谐波的来源主要是电子开关型设备。电子开关型所采用的变流装置在使用过程中将产生特征波频谱，同时考虑负荷的三相不对称性和全控器件的触发角的误差等因素，特征波和非特征波频谱均有如下特征式：
由此可见，变流器的间谐波问题来自设备的变流频率不确定性。这是器件特性和供电运行环境综合决定的。
国际社会高度重视间谐波问题，国际学术组织如IEC等制定了包括供电系统、电力和用电设备在内的间谐波标准，例如IEC/TR 61000-3-6:2008。而我国也于2009年正式颁布并实施了国家标准《GB/T 24337-2009电能质量公用电网间谐波》,其中规定了间谐波电压的限值，说明间谐波问题已经上升到国家的高度来认识。
2 间谐波的影响
间谐波本身既有谐波的一些共性，又有与谐波不同的个性，在对供配电系统的影响和危害来说，间谐波继承了谐波的某些危害，同时又带来新的问题。
2.1间谐波和谐波的共性危害
间谐波和谐波一样都对造成电压波形畸变。在供电线路上，因集肤效应使得的总阻抗比基波阻抗大，增大线路损失。畸变的电压波形，会加速线路本身的绝缘老化，破坏配电网络的安全稳定运行。同时，线路的分布电容对间谐波和谐波电流还有放大的可能，一旦放大，影响更加严重，是配电网络无功功率增大，降低功率因数，电能的传输效率降低，整个供电网络供电质量下降，全面影响整个供配电系统。对于电力设备，如电动机、变压器和电力电容器，畸变的电压电流会产生严重的介质损耗，严重时破坏设备内部绝缘，使电力设备过热、加速老化，影响使用寿命。
2.2 间谐波特有的危害
在民用建筑中，间谐波的危害主要直接体现在对设备影响上。而对于电力系统而言，间谐波的危害也不容忽视。
2.2.1 间谐波对人视觉的影响。由1节的概述可以知道，间谐波的存在会直接导致电压产生规律性的波动，这种波动电压作用于灯具上就给人带来灯光亮度变化所引起的不稳定感，我们称这种情况为闪变，而究其物理成因是间谐波所造成的电压波动。对比谐波，其频率与基波频率同步变化，只会影响电压波形，而不会引起灯光闪烁。由于人眼对在8.8Hz频率附近的灯光闪烁最为敏感，一旦间谐波与谐波或基波之间的差值在特定频率附近时，则人的视觉会受到严重的干扰。在照明及视觉要求高的场所，如精密仪器操作场所，这种闪变是不能接受的，也会因此造成不必要的损失。
2.2.2 间谐波对精密设备仪器仪表的影响。间谐波的存在会改变电压的过零点进而易使电压采样器或过零工作的数字式继电器产生误差，这对精度较高又需要与电网频率同步或作为基准的设备造成极大的影响。如果是数字式继电器甚至导致设备的误動作造成停电事故。而对于计量测试仪表还会影响计量的结果和准确度，带来不必要的计量误差，同时干扰医院等场所的精密视频和音频设备，将使得如芯片制造等工厂精密制造设备运行不正常，产品不合格。
2.2.3 间谐波对发电机和电动机的影响。旋转机械由于间谐波的影响而造成机械谐振问题，特别是涡轮发电机附近出现的间谐波造成的影响更加严重，有必要将发电机中的间谐波电流限制在非常小的范围内。IEC指出，由以往的经验可得0.1%及以下的间谐波电流都能够对发电机等旋转机械带来问题。
3 间谐波的限值
我国对间谐波的限值做出了如下规定：
接于PCC的单个用户引起的各次间谐波电压含有率一般不得超过表1限值。
表1单一用户间谐波电压含有率限值（%）
同时IEC也对间谐波的限值有如下规定：
表2IEC间谐波电压含有率限值（%）
相比较而言，我国国标对于间谐波的限值更加严格，也更加细化。
4 间谐波的处理措施
虽然目前民用建筑相关设计标准中未对间谐波问题作出相应的条款规定，对于间谐波，作为电气设计人员可以在设计过程中予以足够的重视。采取基本的技术措施予以控制。
4.1减少间谐波的基本措施
其核心思路是，优先对间谐波发生源采用适当的技术措施，使其本身不产生或少产生间谐波，其次是优化供配电系统构架，以提高配电系统的电能分配效率，最后是装设滤波器，以减少消除间谐波。具体而言主要包括：
（1）合理使用产生间谐波的设备，或者设备本身自带滤波机制。例如改变谐波源的配置或工作方式，有互补性的装置集中设置，或分散或交替使用，适当限制产生间谐波量大的工作状态，避免使用将产生大的间谐波发生源的设备。设计时选用可能产生间谐波的设备时，采用满足国家相关标准要求的产品。
（2）设计时再规范允许范围内，将产生间谐波发生源的负荷单独或成组放置在配电系统的上游，也就是说将多个间谐波源接与同一段系统母线上，一方面以远离敏感负荷，另一方面提高系统的对间谐波源耐受程度，也就是提高间谐波源所在的系统短路容量。
4.2抑制间谐波的专用措施的思考
目前国内多间谐波的研究还处于性质分析和检测算法研究的阶段，尚没有成熟的技术方案和设备。在民用建筑中抑制间谐波的专用措施也是考虑在低压母线处设计集中补偿滤波方案，装设间谐波滤波装置或无功谐波的综合补偿装置。主要有两种方向，一是无源滤波器，在间谐波源附近装设若干单调谐波及高通滤波支路，以吸收间谐波电流，这种方法有局限性，要求间谐波源的平稳，或是变化不频繁且有一定的规律性。二是有源滤波器，是基于动态抑制间谐波和谐波及补偿无功的电力电子装置，它对幅值和频率都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，是电力电子技术，自动控制技术和计算机处理技术的综合集成，实时对在网负荷进行测量计算，选择合适的控制方案，产生与负荷间谐波和谐波以及无功电流相反的分量，抵消系统的不良分量。但是鉴于目前电力电子器件的可控能力和电子元器件的生成成本的限制，有源滤波器的推广应用存在一定的局限。间谐波问题的出现，并不是一个单一的电能质量问题，在抑制间谐波的同时，也并存这谐波问题，同时也有无功问题，所以抑制间谐波问题的实质是一个同时解决间谐波、谐波和无功的综合处理问题，还有待我们进一步的探索。
5 小结
电能质量问题一直是影响整个供配电系统用户和运行维护单位以及电气设计师所共同关注的问题，间谐波问题代表了电能质量问题中的一种，因为其直接影响整个供配电系统给的正常运行，特别是对于医院、航站楼等对电能质量有较高要求同时又较为敏感的场所，作为建筑电气设计师更不应该对此忽略，应该采取措施对其进行处理和预防，保证供配电系统的安全稳定运行。
参考文献
[1] 杨岳. 供配电系统[M]. 北京: 科学出版社, 2007.
[2] 中国航空工业规划设计研究院. 工业与民用配电设计手册[M]. 北京: 中国电力出版社, 2005.
[3] 中国国家标准化管理委员会. GB/T 24337-2009 中华人民共和国国家标准电能质量公用电网间谐波[S]. 2009.
[4] IEC. PD IEC/TR 6000-3-6：2008 Electromagnetic compatibility(EMC)-Part 3-6:Limits-Assessment of emission limits for the connection of distorting installations to MV,HV and EHV power systems [S]. 2008.
[5] 邵民杰. 关于现代交通建筑中提高电能质量问题的思考[J]. 交通建筑. 2012(05):3-8.
[6] 杨志新,杨世海. 基于串联补偿的间谐波抑制技术研究[J]. 江苏电机工程. 2013(02):38-42.
[7] 胡杰. 间谐波参数对荧光灯闪变的影响及间谐波抑制方法的研究[D]. 重庆大学, 2008.
作者简介
张靖宇 1986年8月 男 四川乐山人 硕士研究生学历 助理工程师