諧波對(duì)建筑電氣設(shè)計(jì)的影響及對(duì)策研究

葉偉

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱150000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)體制的不斷發(fā)展與完善，現(xiàn)代居民的整體生活質(zhì)量水平也得到了保障，由此為更好的滿足生活與工作需求，建筑中用電設(shè)備的功能與類型也逐漸朝著多元化發(fā)展。從電氣設(shè)計(jì)角度來看，此種復(fù)雜的用電環(huán)境，極易產(chǎn)生諧波問題，若是未能根據(jù)用電需求進(jìn)行管控，不但會(huì)極大降低用電設(shè)備與線纜的使用壽命，同時(shí)也極易誘發(fā)惡性事件，使居民的生命與財(cái)產(chǎn)安全無法得到保障。因此，如何做好諧波治理工作，理應(yīng)得到設(shè)計(jì)單位的重視。

1 建筑電氣設(shè)計(jì)中的諧波特征概述

基于以往電氣設(shè)計(jì)與調(diào)查資料可知，諧波特征主要可分為對(duì)稱性、獨(dú)立性、相序性三個(gè)方面。對(duì)稱性是指諧波在電氣系統(tǒng)內(nèi)存有奇偶對(duì)稱的特征，在傅里葉級(jí)數(shù)分析中，不存在正弦的狀況；獨(dú)立性是指諧波出現(xiàn)在電力系統(tǒng)中線性網(wǎng)格內(nèi)，會(huì)呈現(xiàn)出諧波之和等于總諧波量的特征，并且各個(gè)諧波的特征完全不同；相序性是指諧波出現(xiàn)在電力系統(tǒng)后，不論環(huán)境如何，都存在負(fù)序與零序電流。

2 諧波對(duì)建筑電氣設(shè)計(jì)工作的影響

從低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來看，諧波電壓與電流對(duì)低壓系統(tǒng)的正常使用會(huì)造成較大的影響，若無法進(jìn)行有效的調(diào)控與之力啊，不但會(huì)對(duì)電子設(shè)備、電器元件、用電設(shè)備的使用壽命造成影響，使居民生活與工作用電環(huán)境質(zhì)量變差，而且也會(huì)對(duì)周圍無線通信環(huán)境造成干擾，造成不必要的無線信號(hào)受損狀況。特別是現(xiàn)代建筑中，隨著家用電器數(shù)量與功能的不斷增多，用戶對(duì)于建筑用電質(zhì)量的要求普遍增高，若是仍舊沿用原有的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，勢(shì)必會(huì)造成較多諧波干擾問題，最終影響整座建筑的電力供應(yīng)質(zhì)量。而基于調(diào)查可知，諧波對(duì)建筑電氣設(shè)計(jì)的影響主要可從以下幾方面論述。

首先，在諧波電流高于相電流的環(huán)境下，勢(shì)必會(huì)誘發(fā)三相負(fù)載不均衡的情況，誘使電力系統(tǒng)內(nèi)的變壓設(shè)備發(fā)熱，造成電氣設(shè)備加速老化、能耗水平增高與噪音等問題，久而久之，變壓器功能無法徹底發(fā)揮，導(dǎo)致功率下降與電壓過載等問題出現(xiàn)。其次，從能源傳輸角度來看，諧波電流通常強(qiáng)于常規(guī)電流，受線纜阻抗值的影響，線纜的功率損耗明顯增大，甚至?xí)T發(fā)線纜發(fā)熱等狀況，使線纜的使用壽命與安全性無法得到保障。期間，甚至容易直接對(duì)絕緣層造成傷害，使建筑電力系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障等風(fēng)險(xiǎn)，不但會(huì)因?yàn)槁╇姷葐栴}威脅住戶的生命安全，而且受高溫影響，也極易產(chǎn)生火災(zāi)。再次，諧波極易誘發(fā)電壓與電流畸變，受電力系統(tǒng)波動(dòng)等影響，其中噪聲與振動(dòng)頻率會(huì)增高，使居民在日常使用中產(chǎn)生恐慌情緒。最后，諧波自身能耗通常高于常規(guī)電力系統(tǒng)，在電流與電壓波動(dòng)性影響下，線纜與電容器等裝置勢(shì)必會(huì)承受更高的能耗，最終使電容器等裝置的使用壽命縮短。而基于調(diào)查資料可知，受諧波等因素影響，電容器與線纜等部件也極易產(chǎn)生諧振反應(yīng)，不但極易誘發(fā)裝置短路等故障，同時(shí)與電容器相連的設(shè)備和線路，也極易被燒毀，最終損害住戶生命與經(jīng)濟(jì)安全。另外，感應(yīng)式電機(jī)作為建筑電力系統(tǒng)能源的產(chǎn)生渠道，在諧波環(huán)境中，會(huì)將部分能量以熱量的方式從線纜與設(shè)備中消耗，極大增加電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的能耗，同時(shí)也會(huì)加速電氣系統(tǒng)的老化速度。

3 建筑電氣設(shè)計(jì)治理諧波的優(yōu)化對(duì)策

3.1 有源與無源濾波器的安裝。傳統(tǒng)建筑工程電氣設(shè)計(jì)中多采用無源濾波器來治理諧波，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運(yùn)行安全可靠的優(yōu)勢(shì)，至今也是治理諧波的主要措施。比如：LC濾波器就是典型的無源濾波器，由濾波電容器、電抗器、電阻器等結(jié)構(gòu)共同組成，將LC濾波器和諧波源相互并聯(lián)，既能起到濾波的效果，也可以進(jìn)行無功補(bǔ)償。但是容易發(fā)生過載問題，一旦過載運(yùn)行，濾波器就會(huì)被燒損，并且無源濾波器無法有效控制，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，配件老化嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生改變，降低諧波治理效果。并且無源濾波器只能治理三次諧波，如果需要過濾不同的諧波，需要額外添加濾波器，增加設(shè)備投資。

智能建筑在電氣設(shè)計(jì)中多采用有源濾波器來治理諧波，對(duì)諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，并且補(bǔ)償效果不會(huì)受電氣系統(tǒng)阻抗的影響，在PWM控制技術(shù)持續(xù)發(fā)展，基于瞬時(shí)無功功率理論提出后，有源濾波器得到了飛速發(fā)展，其治理諧波的原理為：可從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，通過補(bǔ)償裝置，形成一個(gè)和該諧波電流大小相同，但極性相反的補(bǔ)償電流頻譜，以抵消諧波電流，促使電氣系統(tǒng)中運(yùn)行的電流只含有基波分量，整個(gè)諧波治理過程由DSP 和IGBT 來完成。

另外，受建筑電氣使用環(huán)境等因素影響，目前越來越多的設(shè)計(jì)者為規(guī)避諧波對(duì)電氣系統(tǒng)的影響，經(jīng)常會(huì)選擇有源與無源濾波器相互結(jié)構(gòu)的舉措，既能夠有效發(fā)揮無源濾波器成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、便于操作與安裝的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能夠降低有源濾波器容量，使建筑電氣系統(tǒng)的構(gòu)建成本得以有效降低。

3.2 降低回路阻抗或切斷線路。從諧波形成的主要誘因來看，其來源是建筑電氣系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷，受此類負(fù)荷的影響，通常諧波會(huì)含有頻率為基波數(shù)倍的電量，若存在于電力系統(tǒng)內(nèi)，不但會(huì)對(duì)電氣裝置與線材造成極大的損耗，同時(shí)也會(huì)影響供電質(zhì)量的穩(wěn)定性與可靠性，極易引發(fā)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為更有效的治理諧波風(fēng)險(xiǎn)，電氣設(shè)計(jì)者通常會(huì)采用前期工作對(duì)負(fù)載供電線路的質(zhì)量與參數(shù)進(jìn)行研究，判斷對(duì)諧波是否敏感，并做好供電線路分離等工作。而在電氣系統(tǒng)運(yùn)行方面，則會(huì)將非線性負(fù)載歸類于畸變電流，通過線纜傳輸過程中會(huì)誘發(fā)畸變電壓等問題，最終使線纜的使用壽命受損的結(jié)論，站在經(jīng)濟(jì)性與用電安全性的角度合理增加線纜界面尺寸，并主動(dòng)降低供電回路中的阻抗值，以便諧波治理的效果更顯著。

但基于實(shí)踐數(shù)據(jù)可知，上述增加線纜截面尺寸，提升變壓器容量與降低線纜阻抗值等方法，并不能從根源解決諧波問題，甚至很難為后續(xù)建筑電氣系統(tǒng)的升級(jí)與改良提供幫助，由此間接增加設(shè)計(jì)與施工成本，也會(huì)為電氣系統(tǒng)埋下較多的安全隱患。面對(duì)此種問題，設(shè)計(jì)者可在電源接口處設(shè)置分流裝置，以便將線性負(fù)載與非線性負(fù)載分別供電，通過此種方法，便能夠避免非線性負(fù)載的畸變電壓作用于線性負(fù)載中，由此降低諧波的產(chǎn)生率，同時(shí)能夠避免造成建筑電力供應(yīng)的波動(dòng)性，使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性等得到更全面的保障。

3.3 無諧波變頻器的合理應(yīng)用。無諧波綠色變頻器是基于諧波處理要求衍生的新型產(chǎn)品。此類變頻器在使用過程中，輸入與輸出電流都屬于正弦波，并且基于電控平臺(tái)，能夠有效控制變頻器輸入功率因數(shù)，以便根據(jù)建筑功能需求提供任意數(shù)值的輸出功率，降低電氣設(shè)備使用與傳輸過程中的能源損耗，其中通常會(huì)設(shè)置交流電抗器，通過此裝置可有效遏制諧波對(duì)建筑電氣系統(tǒng)的影響；其次，綠色變頻器裝置的應(yīng)用，能夠通過變頻元件識(shí)別電源電壓瞬間尖波，為整流橋提供較全面的保護(hù)。而基于相關(guān)工程的調(diào)查資料可知，建筑電氣中帶有減抗器的諧波電流明顯弱于不帶減抗器的電流，由此可見，若要有效降低諧波污染對(duì)電氣系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)者便需要在輸出回路系統(tǒng)內(nèi)裝配適宜的濾波器，以便使電流質(zhì)量的可控性增強(qiáng)。

對(duì)此，設(shè)計(jì)者便可在逆變單元設(shè)計(jì)期間提出并聯(lián)多量化的設(shè)計(jì)理念，通過多個(gè)單元的銜接，使諧波波形相互疊加，以此有效消除諧波；其次，在變頻器的選擇上，應(yīng)盡量選擇多脈沖的整流裝置，以便降低諧波的產(chǎn)生量。

3.4 多功能諧波保護(hù)器的應(yīng)用。多功能諧波保護(hù)器是基于磁性吸收諧波能量原理衍生來的裝置，此類裝置的使用能夠從根本上解決諧波對(duì)電氣系統(tǒng)的損傷，并且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較簡單，具有較長的使用壽命與可靠性。特別是采用了超微晶合金材料的特殊電路，能夠吸收各種頻率的諧波，使諧波問題在源頭被解決，避免對(duì)用戶經(jīng)濟(jì)權(quán)益帶來損害。

4 結(jié)論

建筑電氣設(shè)計(jì)工作中諧波治理措施的有效落實(shí)，既能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)內(nèi)的線纜與設(shè)備提供更全面且完善的能源管控渠道，降低整體設(shè)備系統(tǒng)壽命的損耗率，同時(shí)憑借濾波器等裝置的運(yùn)用，也能夠從源頭解決諧波對(duì)電力系統(tǒng)的影響，為居民與業(yè)主的財(cái)產(chǎn)安全提供保障。故而，在論述諧波對(duì)建筑電氣設(shè)計(jì)的影響及對(duì)策期間，必須明確諧波的特征與風(fēng)險(xiǎn)，并站在設(shè)備角度判斷事宜的解決方案，確保仍滿足經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)的基本要求，才能使建筑電氣工程體系的構(gòu)建質(zhì)量得到更全面的保障。