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建筑电气设计中谐波治理措施的探讨蔡兴源

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：蔡兴源

[导读] 摘要：建筑电气系统内，谐波的危害非常大，不仅影响电气设备、系统的运行，更是潜在火灾、过电压等问题，不利于建筑内居民的安全性，同时增加了电气设计的压力。

        上海众鑫建筑设计研究院有限公司深圳分公司广东深圳 518001
        摘要：建筑电气系统内，谐波的危害非常大，不仅影响电气设备、系统的运行，更是潜在火灾、过电压等问题，不利于建筑内居民的安全性，同时增加了电气设计的压力。建筑电气设计需掌握谐波的危害，并在此基础上，全面落实谐波治理的策略，以缓解电气设计的压力，规避谐波的干扰，维护智能建筑电气设计的可靠性。本文对建筑电气设计的谐波治理措施进行分析。
        关键词：建筑电气设计；谐波；治理措施
        1谐波的来源
        1.1电力电子变流装置所产生的影响
        电气设备产生谐波含量主要是设备的工作性质和结构来决定的，任何设备都可以被看作恒定谐波源。如果电力系统有谐波电流通过时，将会出现谐波电压降等相关的问题。电压将会对系统的电压造成一定的影响，严重时可能出现电压畸变的问题。因而，对于电力电子变流器而言它是一个较为重要的谐波污染源。
        1.2变压器所产生的影响
        通过非线性电感产生的电压谐波主要是在变压器中产生，因为变压器中所产生的电流里包含着非正弦波形，如果是尖顶波以及平顶波，必然有奇次谐波的存在，但程度不同，并且常常会出现数量比较大的次谐波，主要是因为磁路非线性产生的正弦波磁通。但在变压器的谐波含量实际情况是不断改变的，变化需要根据工作的状态改变，正常运行的变压器无异常时谐波含量相对较低，但当变压器空载或轻负荷时，因为铁芯进入饱和状态，因此变压器将会减少励磁电流，感应电动势将会出现谐波的成分。
        1.3低压电器所产生的影响
        随着建筑行业的不断发展以及电气设计工作的进步，现阶段大多数的电器设施都要通过低压电网来进行电源供应工作。对于这些设备来说，大多具备变压器以及整流装置，即使容量不大，但是励磁电流的电器也将占总电流的相应比例。及时单个的电器容量不高，但由于数量众多，也会产生高次谐波，影响了整个建筑电气的发展。
        2建筑电气中谐波问题造成的危害
        （1）建筑配电系统谐波会干扰电气设备的正常运行，一旦电气设备具备自身的接地电流，那么设备与大地之间就存在电压下降的问题，这样一来就会造成设备崩溃等问题。谐波中性线的叠加可能导致金属结构中中性线电流的流入和回流，这将影响到设备并且达到不可控制的阶段，很多时候计算机会出现闪动的情况等，（2）智能建筑中线缆密布，系统设备繁多，微电子装备复杂，且防护能力弱，高次谐波将会使智能化系统设备产生误码、错码、误动作，使信号系统受到污染、产生噪声，甚至连通话质量都不能保证。随着低电压信号在IT设备中使用的增加，比特错误率也随之提高，甚至可以高到使整个网络瘫痪。（3）在谐波电压作用下，电容器会出现额外的功率损耗，加快绝缘介质的老化现象。更为严重的是，大量谐波电流很可能使电容器和系统其他元件之间的并联谐振或串联谐振，使电容器出现超载而损坏；使与电容器连接的配电回路中所有线路以及设备因电压的闪变、超压、过负荷而遭到损坏。（4）降低遮断能力，由于谐波畸形使得断路器的磁吸线圈不能正常工作，使热元件产生额外温升，断路器遮断能力下降，因为波形畸变的电流与工频正弦波形的电流相比，在电流过零时的di/dt可能较大，也使断路器触头寿命缩短。（5）站在电缆和配电渠道角度考虑，更高的谐波电流频率会导致肌肤效应出现，就是出现较大值的电阻以及更大程度的线损，从而增加了很多的热量，使绝缘出现更快的老化，接地短路问题会经常发生，给人们带来了不可估计的安全隐患。

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        3建筑电气设计中谐波治理措施
        3.1利用有源滤波器
        本质上来说，并联有源电力滤波器具有可控性，并且是能够快速响应的谐波电流源，它不仅可以自动的和非线性负载进行连接，同时还能自动进行非线性负载谐波电流的检测等工作。对于Dsp产生的控制信号，可以对IGBT高速开关器件进行有效的控制。此外，借助于电抗器的输出，可以确保输出与负载所产生的谐波电流向能，进而可以起到良好的补偿谐波作用。在有源滤波器位置的设计中，应根据负荷情况与配电系统的不同，设计出具有差别的安装位置。一般情况下，如果安装过程中的位置离谐波源较为接近，那么滤波效果将会显著提升。同时，这也是减少谐波电压以及谐波电流畸变等问题的一个最佳途径。但是，由于非线性负载分布存在差异，因而要采用两级配电补偿或变压器总补偿的方案进行处理。此外，还要注重不同方案之间的配合性。对于有源电力滤波器来说，其安装位置相对灵活。同时，还可以按照设计过程的不同要求，进而实现最理想的谐波控制效果。
        3.2采用无源滤波器
        无源滤波器是一种较为传统的设备，也是抑制谐波的一种相对传统的方法。对于无源滤波器而言，主要由串联电抗器以及串联电容器共同组成。在相应的频率范围之内，电路的阻抗明显低于电网中其他电路的阻抗。但是，由于这一装置经常出现过载的问题，并且过载时可能引发烧毁现象，因而使用过程中要引起重视。因此，随着时间的变化、电网负荷的变化或部件的老化，电网的谐波振动频率会发生变化，滤波效果会降低。另外，无源滤波器通常只能进行一种谐波分量的滤波作用。如果需要对不同的频率进行滤波操作，那么要按照要求使用不同了些的滤波器，例如，有些滤波器只能滤波三次谐波。
        3.3变压器控制
        变压器控制，属于受端治理的方法，按照建筑电气的设计需求，选择变压器，便于控制谐波。电气系统内的变压器，受到谐波的影响，出现电流过载的问题，导致变压器的温度升高，同时出现较大的负载，不利于变压器的正常运行，缩短了变压器的运行寿命。建筑电气设计中，治理变压器谐波的方式表现在两个方面，分析如：（1）变压器的电气环境中，受到三次谐波的干扰，治理谐波时，可以在变压器的原、副边，连接成星型，变压器的铁心柱位置上，安装三角形绕组，其不提供负载电流，在谐波激磁时，提供闭合成环的电流方式，促使铁心柱的磁通处于正弦波形的状态，排除三次谐波的干扰；（2）变压器的容量选择，促使绕组内构成环流，阻断谐波在变压器两侧的传递路径，防止谐波扩散，期间还要预防谐波的振动干扰，保证变压器能够承受振动压力，排除谐波的振动干扰，变压器配合容量选择，设计Dyn11的接线方式。
        3.4采用谐波保护器
        采用磁法进行谐波的控制，成本方面要比有源滤波器低很多。通过谐波保护器的应用，能够从本质对谐波危害电路系统的问题予以解决。也就是说，磁场可以对谐波能量进行吸收，并且有着较高的使用寿命与可靠性。例如谐波保护器（HPD）这样的产品，一种特殊的微晶材料与科技创新电路，可以吸收各种频率的谐波干扰，在发生源处消除谐波，将谐波和高频噪声等自动消除。HPD在电路中的使用，它不消耗电能。
        3.5采用混合型滤波器
        可将有源电力滤波器与无源电力滤波器混合使用。有源滤波器和无源滤波器串联后并人电网。由于有源滤波器不是直接对谐波电流进行消除，它所产生的补偿电压中只含有谐波电压，故其功率容量很小，具有良好的经济性，从而可降低系统成本。
        4结语
        综上所述，在建筑电气设计中，采取谐波治理措施，解决谐波污染的问题，强调电气设计的绿色化，排除电气谐波的污染。建筑电气对谐波的治理，按照抑制、消除的流程进行，使建筑电气设计处于稳定、可靠的状态，维护建筑电气系统的安全性，充分发挥谐波治理的作用，改善建筑电气设计及运行的环境。
        参考文献
        [1]建筑电气设计存在的问题及完善对策[J].王硕.中国住宅设施.2020(04)
        [2]建筑电气设计中谐波治理措施的研究[J].李筱华.建筑技术开发.2020(09)