民用建筑电气系统谐波污染问题探讨

刘晓坤

【摘要】针对民用建筑电气系统谐波污染问题及产生的原因分析，通过进行谐波抑制时必须兼顾谐波抑制和功率补偿的要求，有效防治谐波污染。

【关键词】谐波污染  电气系统  民用建筑  防治措施

随着楼宇自动化进程的不断发展，形式多样的非线性负载，如荧光灯、不间断电源以及变频空调等非线性设备在办公楼宇等民用建筑中的广泛应用，这些非线性设备产生了大量的谐波，正日益成为低压配电系统主要的谐波源，非线性负载产生的谐波电流如果不加抑制直接注入系统，必然引起电网波形畸变，导致变压器发热，增加电网网损，造成电能浪费，给电网安全运行带来影响;另一方面，非线性负载造成电网波形畸变，污染周围的电气环境，影响其他的敏感设备正常运行。

一、民用建筑电气系统谐波问题

民用建筑电气系统谐波源及其危害性分析。民用建筑电气系统中具有非线性特性的用电设备主要是电子开关型设备，包括交直流换流设备，双向晶闸管可控开关设备，以及PM变频器等电力电子设备。

单相整流负载。单相负载主要包括办公楼宇中广泛使用的计算机、显示屏幕、节能灯、电梯，空调等负载。其中计算机负载的谐波电流最大。分析测试单相负载的谐波电流主要以3次、5、7次以及9次等谐波为主。计算机负载的谐减电流含量较大。不同品的个人计算机谐波电流含量有所不同，多台计算机负载谐波叠加后总畸变率将有所减小，但是3次、5次谐波叠加后幅值减小的程度不大。节能灯的谐波在30%左右。电梯扶梯和空调负载的谐波电流在20%左右。其谐波含量随运行状态变化而有所不同。

三相负裁。三相负载主要是三相变频负载，包括各种生活水泵，三相UPS电源。对不同品牌变频器，UPS电源进行了谐波电流含量测试和分析，可知：变频整流设备产生的谐波电流以5次和7次为主，不采取谐波抑制措施谐波电流畸变率可达到70%以上。在不进行谐波抑制情况下，变频装置谐波电流的大小跟的功率有关，一般情况下功率越小，其谐波电流畸变愈大，但谐波电流在电网上产生的电压畸变与电网的阻抗密切相关。某些变频器产品自身配备了一些谐波抑制装置，如直流平波电抗器，3%或者4%的进线电抗器，可将谐波电流减小到40%或更低。

二、民用建筑电气系统变压器侧谐波

民用建筑电气系统中，变压器主要存在几方面的问题：由于单相负载的大量使用，零序谐波电流在中线叠加，使得零线电流过大，造成变压器过热，造成火灾隐患。通常情况下，单线负载功率因数较高，常存在功率因数超前的问题。单相负载个人如计算机和电梯的运行与停止有很大的不可预测性，谐波变化较大。负载变化随机性较大，负载随季节性变化较大。

三、民用建筑电气系统谐波污染的防治措施

目前，对民用建筑电气系统谐波治理可采用两种方式，第一种，改变负载运行方式，减小负载谐波电流注入电网，如，尽量使单相负载在三相配电系统中平衡运行，增加三相负载的脉动数以减小谐波电流;第二种，在装设滤波器为谐波电流提供支路以减小电流注入电网，滤波器包括无源滤波器和有源滤波器两种类型，有源滤波器效果较好，但目前而言稳定性和经济性不比无源滤波器。无源滤波器又包括并联LG滤波器，中线串联阻断器类型，以及曲折接线变压器型。对于设计成熟的建筑电气系统，采用第二种方式较为自由和方便，以下将着重分析不同结构形式的无源滤波器在民用建筑电气系统中的使用优势。

调谐LG滤波器。调谐LC滤波器可以对单相系统、三相系统以及三相四线制系统进行谐波抑制，具有较广泛的使用范围。LG滤波器常采用单调谐形式，传统的单调谐滤波器为并联形式，为了提高滤波器效果，在负载上游用来进行谐波治理滤波器也常设计采用串联电抗器和并联电抗器相组合的方式进行抑制谐波，国外的MTE、 Schaffner以及国内的航天706所均有成熟产品。单调谐滤波器利用R、L、G电路串联谐振原理构成通常也具有无功补偿的功能分析测试结釆可知，①组合LCL滤波器的滤波效果优于并联LC滤波器。组合LCL滤波器可以将谐波电流畸变率降低到12.3%，而并联LC滤波器滤波效果达到23%。②传统并联LC滤波器引入功率因数超前的问题，功率补偿和滤波效果不能兼顾。在并联支路容量为负载容量的30%情况下，采用并联调谐滤减器的形式仪能将谐波总畸变率抑制到30%左右。三次谐波电流较大，因此需要较大容量补偿电容器滤除诺波，因此存在了补偿功率与谐波抑制难以干做的问题。③细合LCL滤波器适用于负载侧，爱负我影响较大一些。④LCL滤波器价多一组元件，成本较高。

中线串联型滤波器。为了抑制中性线诺液电流。可在三相四线制中线串联滤波器串联断器将电溶电抗部联，设置谐振在3米，从而对干次诺波形成高阻抗回路，从而抑制中线上3次谐波电流达到抑制中线电流的目地。某民用建筑安装串联阻断器型滤波器，对该建筑的广告显示彩灯带来的中线谐波电流进行了抑制，测试安装滤器前后谐电力数据分析可知。①厘断器可以对中性线电流具有显著的抑制作用。在负载不平衡情况下，谐波抑制性能也较好。②串联阻断器会引起中线电压偏移，增大中线阻抗。在电容滤波的整流桥，零线电压漂移将稳定为30-40V左右，若整流桥中具有电抗器，则零线漂移將随中线电流的的增大而增大，影响负载端电压。③串联阻断器对中线零序谐波电流具有抑制作用，但是对与相线上5次、7次谐波电流具有放大作用。测试可知，安装滤波器后，5次、7次谐波电流可分别由23.9%和8%升高到4%4和20%。

民用建筑电气系统负载相对于其他负载，一般功率因数较高，相线谐波含量高，中线上零序谐波电流较大，负载变化较大，不易控制。对建筑电气系统进行谐波治理可分为几种方式：对建筑电气系统中的较大功率的三相负载以及单相负载果中使用的场合，可以采用LC调谐滤波器的形式，针对单独的负载进行谐波抑制，减小谐波电流向上流发射。并联LC滤波器二般向系统发出较大的无功功率，且滤波效果不佳，可采用组合LCL的滤波方式。单相负载集中使用的场合，中线零序谐波电流的治理可采取安装曲折接线变压器的形式。负载单一，且负载对端电压具有一定容忍性的环境如单独配电的使用节能灯彩灯的广告屏，其中线谐波治理可采取串联阻断器的形式，采用这种方式，投入成本低。无源滤波器可靠性较高，但是不能动态跟踪负载谐波变化，在负载变化较大。同时对谐波敏感的需要动态控制的环境，可考虑采用有源滤波器的方式。

民用建筑电气系统负载多样，均不同程度的产生谐波电流，同时功率因数较高，进行谐波抑制时必须兼顾谐波抑制和功率补偿的要求。

参考文献：

[1]陈国.现代建电程中的电源谐波研究[J].科技资讯，2017，（03）.