试析建筑电气设计中的电源谐波问题

摘要：电源谐波是影响电能质量的重要因素，它严重污染了电力系统，降低了电力电子设备的性能。本文对电源谐波的来源和危害进行了分析和探讨，且提出了抑制建筑电气设计中电源谐波的方法。

关键词：电源谐波，电力系统，电能污染，谐波抑制

在建筑电气设计时，为了给人类提供健康舒适的生活空间，电气设计人员开始对供电质量和可靠性有了越来越严格的要求，然而供电系统的谐波是影响电能质量的一个重要原因，它给建筑电力系统造成了电能污染，对智能建筑功能产生了重要影响，还会降低电子设备的性能，对于建筑电气设计中的电源谐波问题，本文进行了初步探讨和分析，并提出了电源谐波的抑制方法。

1电源谐波产生的原因

1.1变压器

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。一般情况下，变压器的谐波主要是磁路非线性引发的，因为非正弦波形是变压器的励磁电流具备的特征，无论是平顶波还是尖顶波都含有奇次谐波，并且这两种波形含有的次谐波量是最大的，但是，变压器不是任何工作状态下都产生电源谐波的，变压器在正常工作的状态下产生的谐波含量是比较小的，因为在额定负载下，电流波形接近正弦波，而波形畸变是可以忽略的。然而当额定电压空载或轻载时，铁心工作就进入了饱和区，变压器的感应电动势就会在励磁电流产生压降的情形下包含谐波分量。

1.2电力电子变流装置

电力电子装置由各类电力电子电路组成的装置。电力电子变流装置的谐波是当谐波电流进入电力系统后在电力系统内被压降，使电力系统中电压产生畸变。而随着家用电器和电力电子设备的广泛使用，这便给电力系统带来了恒定的谐波，因为电力电子设备本身的工作性质决定设备会产生谐波含量，而且当电机负载的电感量比较少时，变频器流入的电流就是电流尖峰，这尖峰中的谐波含量更高。

1.3交流调压电器

交流调压电器可分为通断控制调压称交流调功器和移相控制调压称交流调压器。通断控制的调压器称交流调功器是将晶闸管作为开关，将负载与电源间接通几个周波，又断开几个周波，循环如此，这种控制方式就会使输入电流出现了含量很高的分数次特征谐波。移相控制调压称交流调压器是通过控制晶闸管来调压，所以调压器的输入电流同样出现谐波。

1.4低压电器

现代建筑中使用的电器基本上都是由低压电网供给电源的，由于电器都有小容量的变压器和整流装置，于是电器中的励磁电流在总电流中占的比例就很大，虽然单个电器的容量小，但是数量很多，也会产生很多高次谐波造成影响。

2 谐波对电力系统的危害

谐波会给电力系统电磁环境带来严重的电能污染，而且也会给电缆、变压器及电动机带来危害，甚至引发事故，危及到建筑电力系统本身和用电居民的用电安全。

2.1使变压器升温产生大量附加谐波损耗

谐波可以使变压器发热升温，主要是因为谐波电流增加了变压器铜损、铁损以及漏磁损耗，于是随着损耗的增加，变压器就会开始发热，如果变压器的接法是三角形的，那么变压器发热的效果就更加明显，因为三角形的接法会产生三倍次谐波环流。并且谐波电流会使运行中的点击发出强烈振动而产生高频噪音，这不仅严重损坏电机设备，还会产生更多的附加谐波损耗。

2.2使母线温度过高，可能引发火灾

谐波电流在经过电缆的时候能加重集肤效应，放大谐波，从而增加了电能的附加损耗，同时电缆升温而过热会损坏电缆，再如果电缆发生接地短路的问题，那么就会存在火灾隐患，因为很多建筑中使用的都是节能气体照明灯，当中性线电流达到相线电流的两倍，那么中性线电流就会升温导致过热烧毁，甚至引发火灾。

2.3对生活办公产生严重影响

生活办公的建筑中都会存在打印机、电脑、家用电器等，而谐波会对电脑产生影响而使得程序出错，数据丢失甚至损坏，不仅如此，灯具也是小型的谐波源，并且也是受谐波影响的电器。除此之外，谐波对电力系统的危害可不止这些，它还可以降低开关设备的开关能力，导致各类继电保护和自动控制装盖拒动和误动，严重影响用电用户生活办公的正常运行。

3抑制谐波的方法

3.1选取LC组成的无源调谐滤波器

谐波的补偿一般都采用LC组成的无源调谐滤波器，它主要是由滤波电容器，电抗器以及电阻器组合而成的，具有结构简单、前期投入少、技术成熟、功率容量大等优点，运行时产生的费用也比较低，所以一直都被用作解决谐波问题。它对谐波的作用就是给谐波提供入地的低阻通路，将谐波导入到大地而不是进入电力系统，还能补偿电网中感性的无功功率，不过，它也有一些缺点，如容易和系统产生并联谐振导致谐波放大甚至烧毁设备。

3.2选取有源滤波器

有源滤波器是源于二十世纪八十年代的谐波抑制方法，目前已成为谐波抑制的趋势。它相比无源滤波器有几个优点，不会受到电力系统阻抗干扰，不会发生共振现象，就算电力系统结构发生变化也不会对谐波和无功补偿产生影响。所以有源滤波器能弥补无源滤波器的缺点，对谐波的抑制效果比无源滤波器更理想。这种有源滤波器分为并联型有源滤波器和串联型有源滤波器两种，当使用并联型滤波器时，它的电压和交流电压相同，所以可以补充电流决定装置容量，同时还可以使用串联型有源滤波器作为电力网的一个电阻，对谐波进行阻碍让其无法进入电力网。当单独使用串联型有源滤波器时，就可以将其看作一个串入电网的电阻，它可对谐波进行高阻，对基波进行低阻，使得谐波电流无法进入电力网。但是如果有源滤波器的负载阻抗变大时就可以视作电流源，而串联型有源滤波器补偿效果就会变差。而当单独使用并联型有源滤波器时，就相当于在电网中并联入一个电阻，而它对基波进行高阻，对谐波反而进行低阻，并且将谐波电流旁路降低电网谐波含量，从而滤波补偿效果也会受到影响。？采用高功率因数变流器。高功率因数变流器是对整流装置改进，让其尽量减产或不产生谐波，并且电流电压同相位的设备。？整流电路的多重化。整流电路的多重化是一种传统减少谐波的方法，它的工作原理是将多个桥式整流电路用串联的方式多重联结，这样就可以减少输入电流中的谐波，这种整流器虽然对抑制谐波有比较好的效果，但是不能明显提高功率因数。？PWM整流电路。PWM整流电路分为电压型和电流型这两种，而电压型的使用相对来说更多。它的工作原理是对PWM整流电路进行控制，让PWM整流电路输入电流接近正弦波，电流电压同相位，并且因为功率因数接近1而被称为高功率因数变流器。？二极管整流电路。二极管整流电路的虽然结构简单，成本较低，但是如果在整流桥与滤波电容间加上功率因数校正的功率转换电路，即使输入电流中存在较多含量的谐波也可以将其转变成接近正弦波，这种转换方式也可提高功率因数。？矩阵式变频电路。矩阵式变频电路是直接把一种频率的交流电变成另一种频率的变频电器。它的优点就是可以将输入电流转变为电压同相的正弦波，并且功率因数还为1，还可控制所需的功率因数大小。更关键的是输出频率不受网频率限制，输出的电压也是正弦波。不过它的缺点是电路过于复杂，一个电路都要用到至少18个全控型器件，并且每个器件都要并一个二极管。

结束语

综上所述，虽然我国还没有制定建筑电能质量标准，但是谐波的综合治理工作是值得推广的，许多建筑用户只注重提高功率因数，不重视谐波治理，从而造成电能污染和经济损失，所以消除电力电子装置中的谐波已经成为了必需工作，只有解决了电能污染的问题，才能保证建筑用户的电能质量和用电安全。

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