浅谈建筑配电系统谐波防治技术
摘要：在供配电系统中，谐波问题已引起各界的广泛关注，为保证供电系统中所有的电气，电子设备能在电磁兼容意义的基础上进行正常、和谐的工作，必须采取有力的措施，抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。
关键词：建筑电气；供配电；谐波；防治技术
随着我国经济技术的快速发展,电力电子设备、开关电源、变频设备、电子整流器等非线性设备在民用建筑内的使用日趋广泛和普及,导致配电系统中的谐波问题日益严重,建筑电气设计人员在设计中不得不考虑谐波的影响。原来运行正常的供配电系统，电气火灾、计算机无故重启、电容器烧损、变压器未过载超温等“怪事故”频出，这些现象无不与供电系统中的谐波有关，谐波的危害在建筑供配电系统中已到了不容忽视的程度。
1 谐波的产生与分布
电力电子设备的应用使其成为最大的谐波源，如整流电路、相控电路等，同样，一些工
作在非线性状态下的电气设备也是谐波源，如气体放电灯和工作在饱和状态下的变压器等。
这些设备如今都在建筑内广泛应用，大大提高了建筑内谐波的含量，但到底达到怎样的程度呢？下面的调查报告可以给我们一个宏观的认识。
2 谐波的危害
谐波的危害主要表现在以下几个方面：
（1）谐波在电力网络的感性、容性元件上发生的谐振，造成部分谐波电流放大和电压增高，产生谐振过电流和过电压，可造成保护装置的误动作、测量仪表的误差，甚至电器元件及设备的故障和损害。
（2）谐波产生的电磁干扰，使通信质量下降，甚至使自动装置工作紊乱。
（3）谐波电压使变压器、电动机铁芯涡流损耗增加，谐波电流使铜损增加，温度上升，加速绝缘老化，降低效率和利用率，缩短使用寿命。
3 建筑电气中的谐波
3.1 非线性电光源
非线性电光源包括气体放电灯和固体场致发光灯，如霓虹灯、辉光放电灯、荧光灯、钠灯、汞灯、金属卤化物灯、发光二极管（LED）灯等，它们都是利用辉光、弧光等放电原理发光的，而辉光、弧光的放电产生了大量的谐波。为使放电稳定，必须使用镇流器，无论使用电感式、电阻式、电容式、电子式还是组合式镇流器，都无法完全消除谐波，这些光源中主要含有10%以上的三次谐波。
3.2 整流装置及开关电源
整流装置是产生谐波的主要来源，整流元件强行短路和断流，产生谐波电流。理论上整流装置产生的谐波次数为相数的整数倍±1，而谐波电流与谐波次数成反比。如：单相整流电路中3次谐波的含量可达基波的33%，5次20%；三相全控桥式6脉整流器电路中5次谐波含量20%。
大多数现代电子设备，如电视机、充电器、电脑、调光装置等，都使用了开关电源（SMPS）。它将传统的变压器和整流器替换成由电源直接经可控制的整流器件去给存储电容器充电，然后通过高频PWM信号控制开关管输出所需的多个直流电源，通过控制PWM占空比达到稳定输出的目的。它们不能从电源汲取连续的正弦电流，而只能汲取脉冲电流，从而产生大量的三次及高次谐波的分量。初期的SMPS产品比传统整流装置的谐波含量还要高，但随着SMPS的模块化和自身谐波隔离技术的发展，其谐波含量可望进一步减少。
4 建筑用电设备谐波分析
4.1 非线性电光源
荧光灯因具有光效高、显色性好、配用电子镇流器后也可调光（调频调幅）等优点被大量使用于建筑内外的各种场所，但均含有奇次谐波。各种荧光灯的谐波电流含有率相差较大：普通绕线式电感镇流器含有率12%～13%的三次谐波；电子镇流器采用功率晶体管的高频开关替代电感，其工作频率一般高达20～60kHz，除含有约10%～20%的3次谐波以外，还含有约3%～10%的高次谐波，普通电子整流器主要设置了逐流型的滤波电路，其谐波总量可以控制在10%～15%；另外，为提高功率因数，荧光灯一般均装有关联电容器，但电容器起明显放大谐波的作用。
高强气体放电灯（HID）具有更长的寿命、更高的光效和更高的功率，被广泛应用于街道、广场等室外场所、高大建筑内、剧院、建筑立面效果照明等场所。HID是利用惰性气体和金属蒸汽中的电弧来发光的，放电时具有负阻特性，故需串接非线性镇流器，其谐波特性主要取决于镇流器，含量与荧光灯相仿，且随灯具的容量而幅度增大。
调光白炽灯、卤钨灯的调节电路通常是利用较简单的可控硅电路来工作的，调节时采用不同的控制角α控制正弦电流的导通。其谐波含量很高，全部为奇次谐波，且α越大，谐波电流含量越大。
4.2 电视机和空调机
家用电器中谐波含量最大的就是电视机。由于采用单相桥式整流电容平波电路，其整流元件要等到整流电压大于电容器的储能电压时才能导通，即只有在正弦波的头部才能导通。其特征谐波全部为奇次谐波，而且谐波的峰值与基波峰值相重合。彩色电视机的谐波电流比黑白电视机的大，3次可达88%、5次68%、7次45%、9次24%。由同一相电源供电的多台电视机产生的谐波相位相同，同时使用系数高，加剧了配电网的谐波危害。
随着经济发展、人民生活水平的提高、城市热岛效应的加剧，空调用电连年上升，许多城市空调负荷跃居用电榜首。空调机谐波含量大小随工作方式改变，只开风扇时，约为6%～9%，制冷时20%～27%，制热时22%～34%，谐波分布为2～17次；变频空调应用已日益广泛，其谐波含量则更大、分布更广。
从数据上来看，空调谐波含量要低于电视，但其功率大多在1～3kW，其谐波电流总量远高于电视。
4.3 电冰箱、洗衣机
家用电冰箱的功率和彩电接近，其谐波电流含有率比彩电小得多，但参与夜晚家电谐波高峰的系数高。其谐波主要是3次、5次和7次，其中含有率3次为10%～13%，5次为3%～5%，7次为0.5%～2%，7次以上小于0.8%。
洗衣机的功率与电冰箱接近，谐波含量稍大。但同时系数低，参与夜晚家电谐波高峰的同时系数也小。例如，洗衣机产生的谐波含有率3次21%～40%，5次4.5%～9%，7次3%～6%，9次1%～4%，13次以上很小。
4.4 计算机
随着信息时代的到来，家用计算机和企事业单位计算机应用已经普及，一般计算机用电负荷和谐波电流主要是显示器CRT的非线性用电，它和彩电十分相似。计算机整机运行和显示器单独运行相比，第3～11次谐波含量稍减，而第13、15、17次谐波电流含量稍增。另外，打印机、复印机、游戏机的用电性质以及谐波含有率也与计算机相类似。
4.5 变频器和软启动器
变频器和软启动器已越来越多地被运用到建筑供水、供暖、电梯、通风及空调系统中，变频一般分为两类：交-直-交变频器和交-交变频器。前者将工频电源经三相桥式可控硅整流，变成直流电压信号，滤波后由大功率晶体开关元件逆变成可变频率的交流信号。后者将固定频率的交流电直接转换成相数一致但频率可调的交流电。两者均采用相位控制技术，所以在变换后会产生含复杂成分（整次、分次、高次）的谐波。多数产品采用6（或12）脉整流，因而含有大量的5（或11）次谐波。由于多数产品自身都采取了谐波防治措施，但质量良莠不齐，
其谐波含量也相差很大，从10%~40%不等。因变频装置一般具有较大功率，所以也会对电网造成严重的谐波污染。
4.6 UPS、EPS电源
UPS不间断电源、EPS消防应急电源只有在主电源故障后投入使用，平时处于浮充状态，它们的谐波特性与充电器相似。高端大容量UPS（EPS）产品自身大都采取了12脉冲整流器、谐波输入滤波器、零相移锯齿形输入隔离变压器等防治措施，使5次谐波含量降低到9%，11次4.5%以内。
5 建筑配电系统谐波防范
由于电力系统谐波阻抗较负荷侧小得多，故系统谐波可视为恒压源，而用电设备产生的谐波决定于其自身的特性和工作状态，与系统参数关系不大，可视为恒流源，因此从源头防范显得尤为重要。建筑谐波的抑制可采取以下措施：
5.1 改善供配电结构
（1）尽量选用谐波含量较低的用电设备。
（2）应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在不同供电母线上。因为将多个谐波源接于同一段母线上，利用谐波的相互补偿作用可降低电网谐波含量。必要时装设隔离变压器或与其他负荷分设变压器。
（3）优先选用D，yn11接线组别的配电变压器。由于3次谐波电流可在D接线高压绕组的闭合回路流通，也就消除了3次谐波分量，这是抑制谐波最基本的方法。变压器也不是纯线性设备，它工作时也会向电网注入谐波，尤其是变压器重载或轻载时，在选择变压器容量时应考虑到用电设备谐波的影响，并使之工作在适当的负荷率。
（4）加大谐波负荷的配线截面，通过降低阻抗的措施减小谐波电压畸变。
（5）对于单相谐波负荷较多时应适应增加中性线容量，尽量使三相负荷平衡。在中性线上，虽然基波电流可相互抵消，但3次谐波整数倍的谐波电流则不能抵消，相反还要在中性线上叠加，可能产生超过相线的电流。增大中性线截面，可以避免中性线长期过流导致的导线局部温升过高、绝缘老化现象，消除引起火灾事故的隐患。
（6）增加系统短路容量，减小谐波源对其他用电设备的影响。
（7）对谐波敏感设备采用电源馈线，采取屏蔽措施。
5.2 装设滤波器
滤波器通常安装在非线性负荷侧母线上，使其固有频率按要求和某些特征频率共振，从而吸收大部分谐波源注入电网的谐波电流。滤波器可分为调谐滤波器和高通滤波器两大类。调谐滤波器的特点是滤波器调谐于某一频率，成为该次谐波的低阻通路，通常用于幅度较大的5、7、11等谐波的滤波。也可把滤波器调谐于某两个特定频率之间，用一套滤波器去减小这两种谐波分量，这样可减少滤波器的投资。高通滤波器通常用于抑制比调谐滤波器更高次的谐波（如17、19次以上等）或幅值较小的低次谐波。
使用无源滤波器主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定不改变的系统。而使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。无源滤波器结构简单、投资少、运行可靠性较高并且运行费用较低。它包括三种基本形式：串联滤波、并联滤波和低通滤波。其中串联滤波主要是用于三次谐波的治理；低通滤波主要适用于高次谐波的治理；并联滤波是一种综合装置，它可滤除多次谐波，同时提供系统的无功功率，是应用最广泛的电源净化滤波装置，至今仍是谐波抑制的主要手段。不过也存在一些较难克服的缺点，如容易过载、可能造成功率因数过（欠）补偿；另外，无源滤波器不能受控，因此随着时间的推移，配件老化或电网负载的变化，会使谐振频率发生改变，滤波效果下降。
6 结语
综上所述，解决供电系统中的谐波问题，必须要供电部门、电力用户和设备制造商三方面都以电磁兼容的思想为基本出发点。尽管谐波的污染日益严重，但只要给予足够的重视，对建筑供配电系统中用电设备中的谐波加以分析，并采取相应的防治措施，可以将谐波的危害减至能够接受的程度。
参考文献
[1] 侯爱国 温晋勇，工厂低压配电系统谐波防治措施的探讨[J]甘肃冶金，2011.10
[2] 陈众励，民用建筑配电系统谐波防治技术初探[J]建筑电气，2009.10
