建筑物内电子设备谐波的处理研究

【摘　要】　目前，建筑物内的电子元件和设备已成为电网中不可忽视的谐波源。本文着重分析了建筑物中引发谐波畸变的各类扰动源，并针对谐波畸变的危害，提出相应的防范措施。

【关键词】　电子设备 谐波 措施

引言

目前，城市建筑都趋于智能化，尤其商业区、商场、写字楼、办公楼等场所更是聚集了大量的现代化电子设备和元件，其中相当数量的设备由于具有非线性负载特性，又是引发谐波畸变的扰动源。其产生的谐波电流若不加以抑制，会使低压电网的电压电流波形产生畸变，影响电能质量。本文将针对谐波畸变的危害，提出相应的防范措施，保证设备的安全运行。

1.　建筑物中主要产生谐波的设备和装置

大体可将此种设备归纳为以下几类：①照明系统中的照明镇流器、调光设备。②计算机、复印机、打印机等办公自动化设备。③UPS不间断电源及开关电源。④电梯、空调等动力设备中普遍应用的变频传动装置（VFD）。⑤影视设备：　TV、TV监视器等。还有其他的一些电子设备如焊机设备、微波炉等。

以上①、②类设备具有数量大、多台型号规格相同、负载特性相同的特点，其中同种设备产生的谐波电流大致线性叠加，如个人计算机电流谐波畸变率可达75％，此类设备对总谐波畸变率的影响不容忽视；计算机产生以3次、5次和7次谐波为主的谐波，而笔记本便携式计算机则产生的谐波频谱更加广泛。复印机产生以3、5、7、9、11、13次谐波为主的谐波。③类扰动源UPS不间断电源及开关电源属于非线性负荷，在它们的交流输入也有大量谐波电流反馈至低压配电网，使电网遭受污染；三相供电有六个脉冲桥式可控硅整流器的UPS电源，则没有3次谐波，而5、7次谐波则最为显著。三相供电有十二个脉冲可控硅整流器时，那么11、13次谐波则最为显著。而单相供电的UPS电源则以3次谐波为主。④类扰动源变频传动装置（VFD）产生的谐波可使输入电流波形严重畸变。此类设备未采取防范措施时产生的谐波畸变对总谐波畸变率影响较大。

2.　諧波的危害与影响

随着变频调速技术的不断扩大，谐波污染电力系统是电网的公害，且其对周围设备的影响日益严重，甚至造成其它电子设备不能正常工作。谐波对系统和设备的影响主要表现在以下几方面：

2.1造成电网电压的严重畸变，系统的功率因数降低，导致用电量及供电系统损耗大大增加，浪费了系统容量，降低了保护功能，从而给供电系统带来难题，并使多租户大型商用办公大楼配电系统的谐波问题纠纷越来越突出。

2.2对变压器和电动机，谐波电压使铁芯涡流损耗增加，谐波电流使铜损增加，温度上升，绝缘加速老化，降低了效率和利用率，变压器和马达的过热，导致损坏甚至烧毁。

2.3在谐波电压作用下，电容器会产生额外的功率损耗，加快绝缘介质的老化，易损坏，寿命短。更为严重的是，大量谐波电流很可能引发电容器和系统其它元件之间的并联谐振或串联谐振，造成对某次谐波电流的放大和谐波电压的增高。

2.4对电力电缆和配电线路，谐波电流频率增高引起明显的集肤效应，导线电阻增大，线损加大，发热增加，绝缘过早老化，容易发生接地短路故障，引起电气火灾和人身电击事故，形成隐患。

2.5配电回路的谐波电流含量高会使断路器遮断能力降低，使断路器及漏电保护装置、接触器、热继电器等电气保护元件过热，失灵，误动作，接地保护装置功能失常。

2.6谐波对电力系统的继电保护、计量仪表以及通信系统的设备、信号产生干扰和损害。

在不同的场所中，谐波造成的危害则更具体，给人们的工作、生活产生不良影响甚至灾害。办公时，计算机经常死机、锁住；交流娱乐时，通讯与影像设备失误；在医院中，医疗设备误动作，带来医疗事故；在金融、证券交易中心，电源误动作，失灵，停电，将会造成重大经济损失；交通上，机场难以正常运行，地铁、轻轨、电气机车停电、停运造成交通事故；在国家安全上，国防设施也会受到影响。

3.　减小和防止谐波的措施

解决谐波污染问题，基本思路有两条：一条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；另一条是对电力电子装置本身进行改造（例如结构、工艺、控制等），使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

3.1安装消谐滤波补偿装置不仅滤除谐波，还能对其功率因数进行补偿，在功率因数补偿上后还能节约一块电能损耗的经济费用。实践证明，使用消谐滤波补偿装置比使用无功补偿屏节约电能20%，减少电费费用。

3.2在根据负载确定电力变压器额定容量时，应考虑谐波畸变而留有格量。在民用建筑设计中一般应保证变压器负荷率为70％～80％左右，该负荷率的工程裕量即可防范谐波引起的变压器发热危害。

3.3在电缆截面选择中应考虑谐波引起线缆发热的危害。对于联接谐波主要扰动源设备的配线，确定线缆载流量时应日有足够裕量，可适当放大一级选择线缆截面。

3.4在设计和施工阶段，建议采取以下措施抑制谐波对电子设备的干扰：为该类设备设计专用回路供电，尽可能避免干扰沿供电线路窜入；为易受干扰设备加装线路滤波器，消除或抑制谐波分量，达到净化电源目的；使该类设备配线尽可能远离谐波电流畸变严重的线路，以避免空间电磁干扰。

3.5为克服谐波畸变引起的低压开关设备的发热和误动作，建议按以下原则选择低压配电设备：热磁型、电子型配电用断路器应适当降低额定电流使用；漏电保护器除应适当降低额定电流使用外，尚应在选定额定电流灵敏度时考虑谐波的泄漏电流；接触器、热继电器应适当降低额定电流使用；在谐波畸变较严重的配电回路中可放大一级选择低压配电设备。

3.6增加电抗器：电抗器分交流电抗器与直流电抗器，选择合适的电抗器与变频器配套使用，可以起到如下效果：抑制谐波电流、电动机噪声、输入中的浪涌电流；降低变频器系统所产生的谐波总量，提高功率因数；抑制来自电网的浪涌电流对变频器的冲击；保护变频器，提高变频器和电机的可靠运行；补偿连接长导线的充电电流，从而使电动机在引线较长时也能正常工作。

3.7针对于变频器，在变频器比较集中的车间，建议采用集中整流，直流共母线供电方式；变频器输入侧加装有源PFC装置，效果最好，但成本较高；　改善变频器结构，减少变频系统注入电网的谐波、无功等污染；提高变频器载波频率，可以有效抑制低次谐波。

对于谐波问题，有些专家们预测“谐波未来将是电力供电系统的最大污染”。为增强人们的环保意识，防患于未然，国家已制定出治理谐波的各种法律、法规，明确管理机构，实施严格的监控，推广与引进“环保电气产品”，将谐波抑制在源头。同时还应充分利用技术壁垒这一合理的手段，以减少公用电网污染，保证公用电网的纯净度，提高电源质量，改善生存环境，为实现社会与国民经济的可持续稳定地发展，为国防建设的日益强大提供可靠的优质电源保证。

参考文献：

[1]　萨本永　《谐波电流引起零线电流偏大过热问题探讨》　安全与电磁兼容　2009年第2.

[2]　林海雪、孙树勤　《电力网中的谐波》　中国电力出版社　2008.

[3]　吴竞昌《供电系统谐波》　中国电力出版社　2008.

[4]　王兆安、杨君、刘进军　《谐波抑制和无功补偿》机械工业出版社2008.

（作者单位：石家庄信息工程职业学院）