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【摘 要】在现代建筑中，公用电网中出现的谐波电流和谐波电压不仅使得供电质量下降，同时大量谐波对电力系统造成污染。本文在概述电网谐波及其危害性基础上，重点讨论了电力系统发展过程中谐波源的变化，最后提出电气设计中谐波抑制的方法。
【关键词】建筑；电力系统；谐波
现代智能建筑中，用电负荷以计算机、网络和现代通信系统以及大量的电子、电力电子设备等对谐波敏感的非线性负荷为特征，对供电质量有特别严格的要求。因此本文分析了建筑电气设计中电源谐波相关问题。
1 电源谐波及危害性分析
在智能建筑用电负荷中，阻感性负荷占很大的比例，变压器、荧光灯都是典型的谐波阻感性负荷，阻感性负荷必须吸收无功功率才能正常工作。电力电子装置等非线性负荷相控整流器、周波变流器等工作时基波电流相位滞后于电网电压，也要消耗大量的无功功率。此外，谐波源也要消耗无功功率。
1.1 谐波使设备产生附加谐波损耗。使得电力变压器温度升高。谐波导致电力变压器发热源于两方面原因：一是谐波电流能增加变压器的铜损和漏磁损耗；二是谐波电压能增加铁损。对于有三角形接法的变压器，三倍次谐波环流引起的这两种发热就更加明显。谐波对旋转电机产生有害影响，产生附加损耗和转矩，它使电机主磁通呈脉动性，将产生高频噪音、振动和转动的周期变动，容易与机座发生共振现象，破坏机械设备本体。
1.2 谐波对敏感电子设备的主要影响，过零检测以基波频率为基准的电子设备，因谐波的的影响造成过零误动作，这种多个过零破坏电子设备的运行；谐波会引起楼宇自动化、消防报警、办公自动化、安全防范等系统的电子装置误动作，甚至无法工作。
1.3 谐波恶化电力电缆绝缘和母线过热。电缆的分布电容可使谐波放大，谐波流过电力电缆时，所产生的集肤效应将会加重，使电缆产生过热，附加损耗增大。谐波引起电缆损坏的主要原因是浸渍绝缘的局部放电、介损和温升的增大。
1.4 降低开关设备的开断能力。高次谐波含量较高的电流将使断路器的分断能力降低。这是因为当电流的有效值相同时，波形畸变严重的电流与工频正弦波形的电流相比，在电流过零处的di/dt可能较大。
1.5 起系统各类继电保护和自动控制装盖误动和拒动。在我国的电力系统中受谐波影响而导致工作失误或性能劣化的装置中，以继电保护和自动装置为最多。这些继电保护和自动控制装置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。
1.6 对计仪表产生影响，电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的，当有谐波时，将会产生测量误差。对通信系统产生干扰，谐波会对邻近通信线路产生谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰，谐波干扰会引起通信系统的噪音，降低信号的传输质量，降低语言或图像的清晰度，干扰严重时会破坏信号的正常传递，引起信号的丢失，使系统无法正常工作。
1.7 谐波对办公、民用低压电器的影响。计算机、绘图仪、打印机和很多家用电器、灯具既是小型或微型谐波源，又是受谐波有害影响的电器，谐波会使计算机数据丢失，程序出错，甚至损坏。
2 电力系统发展过程中谐波源的来源
2.1 发电机的谐波同步发电机产生的谐波电动势是由于转子和定子之间空气隙中的磁场非正弦分布所引起的。发电机每对磁场下气隙中的磁场不可能完全按正弦分布，发电机实际运行时，气隙磁场非严格正弦波，含有一定谐波成分，而这是由磁场的结构所决定的。因此发电机的输出电压本身就含有一定的谐波，其谐波电压的幅值和频率取决于发电机本身结构和工作状态。
2.2 变压器的谐波该谐波主要是磁路非线性引起的。变压器的励磁回路具有非线性电感，因此励磁电流是非正弦波形。变压器的原边绕组通常认为加的是正弦电压，变压器励磁电流im产生了铁心中的磁通，由于磁路的非线性，要产生正弦波磁通，励磁电流应为尖顶波，若励磁电流为正弦波，磁通将为平顶波。无论尖顶波还是平顶波，它们中都含有全部的奇次谐波，其中以次谐波含量最大。若励磁电流为尖顶波，则作为受电端的变压器原边，其电流含有谐波。若磁通为尖顶波，那么副边相电压将为非正弦波，输出电压就含有谐波成份。
2.3 电力电子变流装置的谐波随着科技的发展和办公、家用电器的普及，各种电力电子装置进入了电力系统，这些大大小小的谐波源都给电力系统造成了谐波污染。由于谐波的含量取决于装置本身的特性和工作状况，基本上与电力系统的参数无关，因此可看作谐波恒流源。而实际上，由于电力系统，尤其是低压配电网的容量有限，谐波电流注入电力系统后，在系统内阻上造成的谐波压降，使电力系统中各点电压产生畸变。
2.4 低压电器的谐波由低压电网供给电源的各种电器设备，在现代建筑中的办公楼、商住楼、住宅公寓中广泛使用。它们都带有小功率的整流装置，有的电器带小容量变压器，其励磁电流所占比例较大，虽然其单个容量小，数十瓦到数千瓦，但数量较多且分布很广，它们产生的高次谐波也会对电力系统造成影响，加重电力网的谐波污染。
3 电气设计中谐波抑制的方法
现在的研究主要是从两个方面考虑，一是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为，这通常适用于中小功率装置或系统中比较集中的主要谐波源的电力电子装置。
3.1 采用LC组成的无源调谐滤波器(Passive Power Filter)以前传统的谐波补偿办法主要是采用LC组成的无源调谐滤波器，由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成。它利用电容、电感在谐波频率时发生谐振，提供谐波入地的低阻通路，使谐波导入大地脱离电网。它工作在基波时呈容性，能够同时补偿电网中感性无功功率，具有结构简单、技术成熟、前期投资少、功率容量大、运行可靠性高、运行费用低等优点，一直被广泛使用。
3.2 有源电力滤波器(Active Power Filter-APF)有源滤波器是20世纪80年代以来逐渐兴起的谐波抑制新方法，目前已经成为谐波抑制的一种趋势。有源电力滤波器也是电力电子装置，原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个大小相同极性相反的谐波电流，从而达到补偿谐波的效果，使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，日本在这方面的研究与应用走在世界前列。一些世界知名电气设备制造商也都有各自的APF产品。
3.3 高功率因数变流器整流装置是电力系统的主要谐波源。对整流装置改进，使其尽量不产生谐波，并且电流电压同相位，称高功率因数整流器或高功率因数变流器。主要包括，采用整流电路的多重化，采用PWM(脉宽调制Pulse Width Modulation)整流电路，采用带斩波器的二极管整流电路，矩阵式变频电路等等。
4 结语
电网谐波是影响电能质量的一个重要方面，现代建筑中谐波主要来自于两方面，一是来自公用电网本身具有一定的谐波含量，对敏感的电子设备的正常运行构成了严重威胁，甚至毁坏硬件，数据丢失，所造成的经济损失是巨大的。二是现代建筑中大量的非线性负荷如电子设备及电气设备形成的谐波源对配电系统污染严重，导致配电系统的电压、电流发生畸变，产生谐波。
参考文献：
[1]王琮泽，周佳峰，池耀丹.谐波电流的产生和谐波电流引发的问题的研究[J].长春理工大学学报(高教版).2007.04.
[2]王少杰，罗安.新型谐波电流预测技术研究[J].电气传动.2008.10.
作者简介：
袁恒（1985—），男，山东省城建设计院二分院
王丽娟（1983—），女，山东省城建设计院二分院
【关键词】建筑；电力系统；谐波
现代智能建筑中，用电负荷以计算机、网络和现代通信系统以及大量的电子、电力电子设备等对谐波敏感的非线性负荷为特征，对供电质量有特别严格的要求。因此本文分析了建筑电气设计中电源谐波相关问题。
1 电源谐波及危害性分析
在智能建筑用电负荷中，阻感性负荷占很大的比例，变压器、荧光灯都是典型的谐波阻感性负荷，阻感性负荷必须吸收无功功率才能正常工作。电力电子装置等非线性负荷相控整流器、周波变流器等工作时基波电流相位滞后于电网电压，也要消耗大量的无功功率。此外，谐波源也要消耗无功功率。
1.1 谐波使设备产生附加谐波损耗。使得电力变压器温度升高。谐波导致电力变压器发热源于两方面原因：一是谐波电流能增加变压器的铜损和漏磁损耗；二是谐波电压能增加铁损。对于有三角形接法的变压器，三倍次谐波环流引起的这两种发热就更加明显。谐波对旋转电机产生有害影响，产生附加损耗和转矩，它使电机主磁通呈脉动性，将产生高频噪音、振动和转动的周期变动，容易与机座发生共振现象，破坏机械设备本体。
1.2 谐波对敏感电子设备的主要影响，过零检测以基波频率为基准的电子设备，因谐波的的影响造成过零误动作，这种多个过零破坏电子设备的运行；谐波会引起楼宇自动化、消防报警、办公自动化、安全防范等系统的电子装置误动作，甚至无法工作。
1.3 谐波恶化电力电缆绝缘和母线过热。电缆的分布电容可使谐波放大，谐波流过电力电缆时，所产生的集肤效应将会加重，使电缆产生过热，附加损耗增大。谐波引起电缆损坏的主要原因是浸渍绝缘的局部放电、介损和温升的增大。
1.4 降低开关设备的开断能力。高次谐波含量较高的电流将使断路器的分断能力降低。这是因为当电流的有效值相同时，波形畸变严重的电流与工频正弦波形的电流相比，在电流过零处的di/dt可能较大。
1.5 起系统各类继电保护和自动控制装盖误动和拒动。在我国的电力系统中受谐波影响而导致工作失误或性能劣化的装置中，以继电保护和自动装置为最多。这些继电保护和自动控制装置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。
1.6 对计仪表产生影响，电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的，当有谐波时，将会产生测量误差。对通信系统产生干扰，谐波会对邻近通信线路产生谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰，谐波干扰会引起通信系统的噪音，降低信号的传输质量，降低语言或图像的清晰度，干扰严重时会破坏信号的正常传递，引起信号的丢失，使系统无法正常工作。
1.7 谐波对办公、民用低压电器的影响。计算机、绘图仪、打印机和很多家用电器、灯具既是小型或微型谐波源，又是受谐波有害影响的电器，谐波会使计算机数据丢失，程序出错，甚至损坏。
2 电力系统发展过程中谐波源的来源
2.1 发电机的谐波同步发电机产生的谐波电动势是由于转子和定子之间空气隙中的磁场非正弦分布所引起的。发电机每对磁场下气隙中的磁场不可能完全按正弦分布，发电机实际运行时，气隙磁场非严格正弦波，含有一定谐波成分，而这是由磁场的结构所决定的。因此发电机的输出电压本身就含有一定的谐波，其谐波电压的幅值和频率取决于发电机本身结构和工作状态。
2.2 变压器的谐波该谐波主要是磁路非线性引起的。变压器的励磁回路具有非线性电感，因此励磁电流是非正弦波形。变压器的原边绕组通常认为加的是正弦电压，变压器励磁电流im产生了铁心中的磁通，由于磁路的非线性，要产生正弦波磁通，励磁电流应为尖顶波，若励磁电流为正弦波，磁通将为平顶波。无论尖顶波还是平顶波，它们中都含有全部的奇次谐波，其中以次谐波含量最大。若励磁电流为尖顶波，则作为受电端的变压器原边，其电流含有谐波。若磁通为尖顶波，那么副边相电压将为非正弦波，输出电压就含有谐波成份。
2.3 电力电子变流装置的谐波随着科技的发展和办公、家用电器的普及，各种电力电子装置进入了电力系统，这些大大小小的谐波源都给电力系统造成了谐波污染。由于谐波的含量取决于装置本身的特性和工作状况，基本上与电力系统的参数无关，因此可看作谐波恒流源。而实际上，由于电力系统，尤其是低压配电网的容量有限，谐波电流注入电力系统后，在系统内阻上造成的谐波压降，使电力系统中各点电压产生畸变。
2.4 低压电器的谐波由低压电网供给电源的各种电器设备，在现代建筑中的办公楼、商住楼、住宅公寓中广泛使用。它们都带有小功率的整流装置，有的电器带小容量变压器，其励磁电流所占比例较大，虽然其单个容量小，数十瓦到数千瓦，但数量较多且分布很广，它们产生的高次谐波也会对电力系统造成影响，加重电力网的谐波污染。
3 电气设计中谐波抑制的方法
现在的研究主要是从两个方面考虑，一是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为，这通常适用于中小功率装置或系统中比较集中的主要谐波源的电力电子装置。
3.1 采用LC组成的无源调谐滤波器(Passive Power Filter)以前传统的谐波补偿办法主要是采用LC组成的无源调谐滤波器，由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成。它利用电容、电感在谐波频率时发生谐振，提供谐波入地的低阻通路，使谐波导入大地脱离电网。它工作在基波时呈容性，能够同时补偿电网中感性无功功率，具有结构简单、技术成熟、前期投资少、功率容量大、运行可靠性高、运行费用低等优点，一直被广泛使用。
3.2 有源电力滤波器(Active Power Filter-APF)有源滤波器是20世纪80年代以来逐渐兴起的谐波抑制新方法，目前已经成为谐波抑制的一种趋势。有源电力滤波器也是电力电子装置，原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个大小相同极性相反的谐波电流，从而达到补偿谐波的效果，使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，日本在这方面的研究与应用走在世界前列。一些世界知名电气设备制造商也都有各自的APF产品。
3.3 高功率因数变流器整流装置是电力系统的主要谐波源。对整流装置改进，使其尽量不产生谐波，并且电流电压同相位，称高功率因数整流器或高功率因数变流器。主要包括，采用整流电路的多重化，采用PWM(脉宽调制Pulse Width Modulation)整流电路，采用带斩波器的二极管整流电路，矩阵式变频电路等等。
4 结语
电网谐波是影响电能质量的一个重要方面，现代建筑中谐波主要来自于两方面，一是来自公用电网本身具有一定的谐波含量，对敏感的电子设备的正常运行构成了严重威胁，甚至毁坏硬件，数据丢失，所造成的经济损失是巨大的。二是现代建筑中大量的非线性负荷如电子设备及电气设备形成的谐波源对配电系统污染严重，导致配电系统的电压、电流发生畸变，产生谐波。
参考文献：
[1]王琮泽，周佳峰，池耀丹.谐波电流的产生和谐波电流引发的问题的研究[J].长春理工大学学报(高教版).2007.04.
[2]王少杰，罗安.新型谐波电流预测技术研究[J].电气传动.2008.10.
作者简介：
袁恒（1985—），男，山东省城建设计院二分院
王丽娟（1983—），女，山东省城建设计院二分院