论文部分内容阅读
【摘 要】 随着楼宇自动化发展进程的加快，形式多样的非线性负荷（如计算机、荧光灯、不间断电源、变频空调等）在各类民用建筑中得到了广泛的应用，这些非线性负荷产生了大量的谐波，正日益成为低压配电系统的主要谐波源。本文介绍了民用建筑中存在着的大量谐波源，分析了谐波的危害以及抑制措施。
【关键词】 民用；建筑；谐波；治理
一个非正弦、周期性的电气量（电压、电流、磁通等），用付里叶级数的方法分解，得到频率与原波形工频相同的正弦波分量称为基波（分量），而频率为基波频率整数倍（大于1）的正弦波分量称为谐波（分量）。谐波产生的根本原因是系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加电压与产生的电流不成线性关系，而造成的波形畸变，当系统的正弦波形电压施加其上时，产生的电流为非正弦波，波形的畸变，产生了谐波。
一、民用建筑中存在着大量谐波源
1、照明装置。民用建筑中大量采用的荧光灯、节能灯，大空间（如厂房、体育场馆等）采用的气体放电灯等几乎都是谐波源。其中最主要的是荧光灯，其谐波电流的特点是全为奇次谐波。用于体育场馆、广场、标准厂房的气体放电灯，其谐波特征是主要产生于3、5、7次谐波。
2、办公设备。民用公共建筑中，如银行、税务、工商、证券、通讯等政府办公大楼，配备了大量的计算机、激光打印机、复印机、UPS、通信网络设施、保安设施、楼宇自动化系统、消防系统等装置，这些装置均会产生大量的谐波，是我们民用建筑中主要的谐波源。
3、电梯。民用建筑中，特别是高层民用建筑内常常配置了较多的电梯，电梯动力的调速装置成为民用建筑、特别是高层建筑内一种非常重要的谐波源。
4、变频设备。现在社会对节能的要求越来越重视，在设计中，越来越多选用变频设备，如变频水泵、变频空调、变频风机等，而这些设备容量往往达到数十千瓦，其变频器要进行大功率的二极管整流，大功率晶体管逆变，结果在输入输出回路产生电流的高次谐波，干扰供电系统、负载及其他系统内的电气设备。
5、软启动器。在我们设计的高层建筑和大型公共建筑中，选用的电机设备如消防水泵、喷淋水泵、冷冻水泵等，都是一些大容量的电机设备。在设计中，为满足经济性、合理性，尽量减小所选变压器的容量，达到运行的最佳状态。常选用软启动器来降低这些电动机的启动电流。但我们没意识到：电机启动电流是小了，可是软启器所产生的谐波电流却很严重，其谐波的分量很高，主要表现在5次、7次谐波分量。
6、家用设备。随着经济的发展和人民生活水平的提高，家用电器的大量普及，使得家用电器所产生的谐波分量也不容忽视。主要表现在家用变频空调、彩电电视机、电冰箱、洗衣机、微波炉和手机充电器等，其产生的各次奇次谐波对民用供电系统的谐波影响也会越来越严重。
7、变压器及无功功率补偿。目前我们所涉及的大部分工程中，均会选用不同数量、不同容量的变压器。无功功率补偿是由电容器组成的设备，当系统有谐波存在时，在一定的条件下，电容器组会对电网系统的谐波电流起放大作用，从而强化了系统的谐波。
二、谐波的危害
电力电子技术及其设备的广泛应用造成了电力系统的谐波污染，并且日益严重。谐波对电力系统电磁环境的污染轻则影响系统的用电效率，重则损坏设备以至危害电力系统的安全运行，危害面十分广泛。归纳起来其主要危害有：
1、产生附加损耗，增加设备温升。与基波电流相比尽管谐波电流的比例不大，但设备的有效电阻会因集肤效应而增大，在有铁心的电气设备中铁心磁滞损耗和涡流损耗也增大。
2、恶化绝缘条件，缩短设备寿命。除附加发热影响绝缘寿命外，还因为在较高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使其温升提高。
3、可能引起电机的机械振动。由谐波电流和电机旋转磁场相互作用产生的脉动转矩可能使电机发生振动，当电机机械系统的自然频率在受到上述转矩的激发而可能引起共振时，则会损坏电机设备，危及人身安全。
4、无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大。无功补偿电容与电力系统中的电感构成局部电感、电容回路，它们一些组合有时会对某次谐波电流起到放大作用，加剧谐波危害。当它们构成局部谐波回路频率与系统中存在的某次谐波频率相近时，会造成危险的过电流和过电压。
5、对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。这些保护和控制设备通常都是按照工作于所加电压或电流为工业频率和正弦波形而设计的，谐波的存在使它们的正常工作条件受到干扰，严重时将造成误动作。
6、对电力电缆和配电线路的危害。谐波电流频率增高引起明显的电缆集肤效应，导线电阻增大，线损加大，发热增加，线缆绝缘过早老化，容易发生对地短路故障，形成潜在的火灾隐患。同时，3次谐波会使三相平衡负荷的N线电流显著增加。在配电回路中负荷主要是大量集中使用电子计算机（如银行、税务、通信指挥中心等）和大面积采用电子节能气体光源照明（如辦公楼、大商场等）的场合，N线电流甚至达到相线电流的两倍，致使N线过热、烧毁，甚至导致火灾。
三、谐波抑制措施
从上面的分析，我们知道了电力系统中谐波产生的原因和对电气设备的危害，我们在工程设计过程中应该充分考虑到谐波的存在，并采取必要的措施，尽量抑制电力系统谐波的产生。通常谐波抑制的措施主要有以下几方面：
1、设备改造。设法提高电力系统中主要谐波源即整流装置的相数；采用高功率因数整流器；这种措施在民用建筑中比较少遇到。
2、供电结构。首先，我们在工程设计中应充分了解这个供电系统的主要谐波源，在低压系统中尽量将产生大量谐波的非线性负荷与基本上不产生谐波的用电设备分设在不同供电母线上。其次是，若有涉及到三相整流变压器时，应采用Y，d或D，y的接线组别，这样可消除3的整数倍高次谐波，从而使注入系统的谐波电流只有5，7，11等次，这是抑制谐波最基本的方法，而且，在我们电气设计过程中也是可以做到的。
3、增大中性线截面。从上面的分析可知，供电线路的中性线因谐波电流的影响而可能产生超过相线的电流，那么增大中性线的截面就显得很有必要了。如果我们在工程设计过程中，能够通过理论计算或实测的中性线谐波电流较大时，就必须增大中性线截面。因此，建议我们在工程设计中，应尽量选用四芯等截面电缆电线。
4、装设滤波器。在谐波污染严重的系统或对谐波危害敏感的场所（如医院急救中心、通信指挥中心、机场等），应在变压器低压母线段装设滤波装置，以有效吸收各次主要的谐波电流，达到降低电网中的谐波分量的目的。谐波滤波器一般可分为无源滤波器和有源滤波器（APF）。同时无源滤波器只能抑制固定频率的谐波，还可能造成系统谐振，存在着本身无法克服的缺陷，因此，我们在实际的运用中很少采用装设无源滤波器的做法来抑制谐波。
综上所述，随着经济发展、社会进步，用电设备会大量增加，其中非线性负载的比例将会激增，不仅在工业电气系统设计，甚至是民用建筑电气设计中，抑制谐波的设计应当重视。谐波电流带来的危害将日趋严重，应引起我们电气设计人员的足够重视，并在今后的工程设计中考虑采用抑制谐波的有力措施，减少谐波电流的产生，从而真正达到了用电安全。
参考文献：
[1]林海雪，孙淑勤电力网中的谐波[M]1北京：中国电力出版社，2008，28～56
[2]王兆安，杨君，刘进军，谐波抑制和无功功率补偿[M]1北京：机械工业出版社.2011
[3]熊一权，线路谐波的危害及抑制[J]1黑龙江电力技术，2012，5
[4]吴竟昌，供电系统谐波，【M】中国电力出版社，2009
[5]林海雪、孙树勤，电力网中的谐波，【M】中国电力出版社，2012，08
【关键词】 民用；建筑；谐波；治理
一个非正弦、周期性的电气量（电压、电流、磁通等），用付里叶级数的方法分解，得到频率与原波形工频相同的正弦波分量称为基波（分量），而频率为基波频率整数倍（大于1）的正弦波分量称为谐波（分量）。谐波产生的根本原因是系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加电压与产生的电流不成线性关系，而造成的波形畸变，当系统的正弦波形电压施加其上时，产生的电流为非正弦波，波形的畸变，产生了谐波。
一、民用建筑中存在着大量谐波源
1、照明装置。民用建筑中大量采用的荧光灯、节能灯，大空间（如厂房、体育场馆等）采用的气体放电灯等几乎都是谐波源。其中最主要的是荧光灯，其谐波电流的特点是全为奇次谐波。用于体育场馆、广场、标准厂房的气体放电灯，其谐波特征是主要产生于3、5、7次谐波。
2、办公设备。民用公共建筑中，如银行、税务、工商、证券、通讯等政府办公大楼，配备了大量的计算机、激光打印机、复印机、UPS、通信网络设施、保安设施、楼宇自动化系统、消防系统等装置，这些装置均会产生大量的谐波，是我们民用建筑中主要的谐波源。
3、电梯。民用建筑中，特别是高层民用建筑内常常配置了较多的电梯，电梯动力的调速装置成为民用建筑、特别是高层建筑内一种非常重要的谐波源。
4、变频设备。现在社会对节能的要求越来越重视，在设计中，越来越多选用变频设备，如变频水泵、变频空调、变频风机等，而这些设备容量往往达到数十千瓦，其变频器要进行大功率的二极管整流，大功率晶体管逆变，结果在输入输出回路产生电流的高次谐波，干扰供电系统、负载及其他系统内的电气设备。
5、软启动器。在我们设计的高层建筑和大型公共建筑中，选用的电机设备如消防水泵、喷淋水泵、冷冻水泵等，都是一些大容量的电机设备。在设计中，为满足经济性、合理性，尽量减小所选变压器的容量，达到运行的最佳状态。常选用软启动器来降低这些电动机的启动电流。但我们没意识到：电机启动电流是小了，可是软启器所产生的谐波电流却很严重，其谐波的分量很高，主要表现在5次、7次谐波分量。
6、家用设备。随着经济的发展和人民生活水平的提高，家用电器的大量普及，使得家用电器所产生的谐波分量也不容忽视。主要表现在家用变频空调、彩电电视机、电冰箱、洗衣机、微波炉和手机充电器等，其产生的各次奇次谐波对民用供电系统的谐波影响也会越来越严重。
7、变压器及无功功率补偿。目前我们所涉及的大部分工程中，均会选用不同数量、不同容量的变压器。无功功率补偿是由电容器组成的设备，当系统有谐波存在时，在一定的条件下，电容器组会对电网系统的谐波电流起放大作用，从而强化了系统的谐波。
二、谐波的危害
电力电子技术及其设备的广泛应用造成了电力系统的谐波污染，并且日益严重。谐波对电力系统电磁环境的污染轻则影响系统的用电效率，重则损坏设备以至危害电力系统的安全运行，危害面十分广泛。归纳起来其主要危害有：
1、产生附加损耗，增加设备温升。与基波电流相比尽管谐波电流的比例不大，但设备的有效电阻会因集肤效应而增大，在有铁心的电气设备中铁心磁滞损耗和涡流损耗也增大。
2、恶化绝缘条件，缩短设备寿命。除附加发热影响绝缘寿命外，还因为在较高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使其温升提高。
3、可能引起电机的机械振动。由谐波电流和电机旋转磁场相互作用产生的脉动转矩可能使电机发生振动，当电机机械系统的自然频率在受到上述转矩的激发而可能引起共振时，则会损坏电机设备，危及人身安全。
4、无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大。无功补偿电容与电力系统中的电感构成局部电感、电容回路，它们一些组合有时会对某次谐波电流起到放大作用，加剧谐波危害。当它们构成局部谐波回路频率与系统中存在的某次谐波频率相近时，会造成危险的过电流和过电压。
5、对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。这些保护和控制设备通常都是按照工作于所加电压或电流为工业频率和正弦波形而设计的，谐波的存在使它们的正常工作条件受到干扰，严重时将造成误动作。
6、对电力电缆和配电线路的危害。谐波电流频率增高引起明显的电缆集肤效应，导线电阻增大，线损加大，发热增加，线缆绝缘过早老化，容易发生对地短路故障，形成潜在的火灾隐患。同时，3次谐波会使三相平衡负荷的N线电流显著增加。在配电回路中负荷主要是大量集中使用电子计算机（如银行、税务、通信指挥中心等）和大面积采用电子节能气体光源照明（如辦公楼、大商场等）的场合，N线电流甚至达到相线电流的两倍，致使N线过热、烧毁，甚至导致火灾。
三、谐波抑制措施
从上面的分析，我们知道了电力系统中谐波产生的原因和对电气设备的危害，我们在工程设计过程中应该充分考虑到谐波的存在，并采取必要的措施，尽量抑制电力系统谐波的产生。通常谐波抑制的措施主要有以下几方面：
1、设备改造。设法提高电力系统中主要谐波源即整流装置的相数；采用高功率因数整流器；这种措施在民用建筑中比较少遇到。
2、供电结构。首先，我们在工程设计中应充分了解这个供电系统的主要谐波源，在低压系统中尽量将产生大量谐波的非线性负荷与基本上不产生谐波的用电设备分设在不同供电母线上。其次是，若有涉及到三相整流变压器时，应采用Y，d或D，y的接线组别，这样可消除3的整数倍高次谐波，从而使注入系统的谐波电流只有5，7，11等次，这是抑制谐波最基本的方法，而且，在我们电气设计过程中也是可以做到的。
3、增大中性线截面。从上面的分析可知，供电线路的中性线因谐波电流的影响而可能产生超过相线的电流，那么增大中性线的截面就显得很有必要了。如果我们在工程设计过程中，能够通过理论计算或实测的中性线谐波电流较大时，就必须增大中性线截面。因此，建议我们在工程设计中，应尽量选用四芯等截面电缆电线。
4、装设滤波器。在谐波污染严重的系统或对谐波危害敏感的场所（如医院急救中心、通信指挥中心、机场等），应在变压器低压母线段装设滤波装置，以有效吸收各次主要的谐波电流，达到降低电网中的谐波分量的目的。谐波滤波器一般可分为无源滤波器和有源滤波器（APF）。同时无源滤波器只能抑制固定频率的谐波，还可能造成系统谐振，存在着本身无法克服的缺陷，因此，我们在实际的运用中很少采用装设无源滤波器的做法来抑制谐波。
综上所述，随着经济发展、社会进步，用电设备会大量增加，其中非线性负载的比例将会激增，不仅在工业电气系统设计，甚至是民用建筑电气设计中，抑制谐波的设计应当重视。谐波电流带来的危害将日趋严重，应引起我们电气设计人员的足够重视，并在今后的工程设计中考虑采用抑制谐波的有力措施，减少谐波电流的产生，从而真正达到了用电安全。
参考文献：
[1]林海雪，孙淑勤电力网中的谐波[M]1北京：中国电力出版社，2008，28～56
[2]王兆安，杨君，刘进军，谐波抑制和无功功率补偿[M]1北京：机械工业出版社.2011
[3]熊一权，线路谐波的危害及抑制[J]1黑龙江电力技术，2012，5
[4]吴竟昌，供电系统谐波，【M】中国电力出版社，2009
[5]林海雪、孙树勤，电力网中的谐波，【M】中国电力出版社，2012，08