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摘要：本文主要介绍了民用建筑电气设计中的谐波来源、谐波类别、谐波危害，以及在设计过程中常用的估算方法及治理方案。
关键词：谐波来源；谐波危害；谐波治理；容量估算；有源滤波
The Harmonic Treatment Design Ideas in istribution System below 10Kv
Abstract：This article mainly introduces the sources of harmonics, harmonic categories, harmonic hazards, and commonly used estimation methods and treatment schemes in the design of civil buildings.
Key words：Harmonic sources； Harmonic hazards； Harmonic treatment ；Capacity estimation；Active filtering
随着社会的不断发展，电气设计过程中涉及到的用电设备种类越来越多，配电系统中产生的谐波问题也相应的越来越复杂。谐波的产生，直接导致电能质量的下降，对电网及用电设备的安全经济运行也会带来很大的危害。因此，为了保证电能质量以及电网安全运行，配电系统中一旦产生谐波超标的情况，均需要采取经济有效的治理措施，来保证电网电能质量。
1.谐波来源
电力系统中与电网连接，并输入两倍于基波的（我国基波频率为50HZ）及以上的频率电流设备，统称为谐波源。交流电网中，由于用电设备的非线性，导致电压波形发生不同程度的畸变，成为非正弦波。采用傅里叶级数将此非正弦波分解，可得与工频频率相同的分量基波和与基波成整数倍的谐波。
谐波源可分为谐波电压源和谐波电流源两大类。
谐波电压源的设备有：交流发电机、铁芯变电器（如变频装置、开关电源、UPS、电抗器）等。
谐波电流源的设备有：交流调压装置、电磁炉、交流弧焊机、调相机、电动机、以及其他非线性用电设备。本文重点介绍下民用建筑中常见的谐波源。
1)整流晶闸管设备。由于整流晶闸管广泛应用在开关电源、机电控制、充电装置等许多方面，给电网带来了相当多的谐波。据统计，由整流设备引起的谐波将近达到全部谐波的40%，是谐波的一个主要来源。
2)变频设备。电动机、电梯、水泵、风机等机电设备中常用的变频设备，因为大部分是相位控制，其谐波成分比较复杂，除了整数次的谐波成分外，还含有一定分数次的谐波成分，变频设备的功率一般较大，其广泛应用对电网造成的谐波也越来越多。
3)气体放电类电光源。气体放电类电光源如高压钠灯、高压汞灯、荧光灯以及金属卤化物灯等，其伏安特性的非线性相当严重，有的电光源还具有负伏安特性，这些都会给输电网带来奇次谐波成分。
4)家用电器设备。在空调器、冰箱、洗衣机、电风扇等含有绕组的用电设备中，由于不平衡电流的变化也能使电源波形发生改变。另外，计算机、电视机、温控炊具、调光灯具等，因其具有一定的调压整流功能，也会产生高次的奇次谐波成分。这些家用电器设备也成为谐波的一个主要来源。
5)其他用电设备。[1]
2.谐波的危害
1)对旋转的发电机、电动机而言，由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁心中产生附加损耗，从而降低发电、输电及用电设备的效率。更为严重的是，谐波振荡容易使汽轮发电机产生振荡力矩，可能引起机械共振，造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳破坏。
2) 谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖，不仅导致电机、变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加，而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加，所以电机、变压器在严重的谐波负载下将产生局部过热、振动和噪声增大、温升增加，从而加速绝缘老化、缩短变压器等电气设备的使用寿命、浪费日趋宝贵的能源、降低供电可靠性。
3)由于电机、变压器、电力电容器、电缆等负载处于经常的变动之中，极易与电网中含有的大量谐波源构成串联或并联的谐振条件，形成谐波振荡，产生过电压或过电流，危及电机、变压器等负载及电力系统的安全运行，引发输配电事故的发生。
4)电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差，达不到正确指示及计量。断路器开断谐波含量较高的电流时，断路器的开断能力将大大降低，造成电弧重燃，发生短路，甚至断路器爆炸。
5)另外，由于谐波的存在，易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动以及在通信系统内产生声频干扰，严重时将威胁通信设备及人身安全等。[2]
3.电网允许接入值
根据国家标准《电能质量 公用电网谐波》（GB/T14549-93）的规定，公用电网谐波电压限值和电流限值如下表所示（表2、3）。工程可采用谐波检测仪，由此来确定采取何种消谐方式来达到最高效果。目前的谐波检测仪，可以测量出下列参数：电流真有效值、基波有效值、2～50次谐波有效值； 电压真有效值、基波有效值、2～50次谐波电压畸变率、总畸变率； 真功率因数、基波功率因数； 基波视在功率、基波有功功率、基波无功功率； 电压偏差； 三相电压不平衡度； 基波电压（电流）相角； 电网频率； 电压波动与闪变值（长时闪变值（Plt）、短时闪变值（Pst））。
通过测量分析各种用电设备在不同运行状态下对公用电网电能质量的影响。 通过对电力设备调整及运行过程动态监视，可以帮助用户解决电力设备调整及投运过程中出现的问题， 测试分析电力系统中断路器动作、变压器过热、电机烧毁、自动装置误动作等故障原因。
5.谐波治理措施
通常来说，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。因为在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经基本被消除了，只有奇次谐波存在。
对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等。变频器主要产生5、7次谐波。
因此我们在设计过程中，应根据谐波频次的不同，采取相对应的消谐措施。除此之外，还应从经济性和技术成熟度的角度综合考虑。具体可采取以下措施来抑制谐波的产生或者消除谐波：
1）合理配电：非线性负荷尽量靠近电源测；
2）选用D,Yn11型的三相变压器供电；（D，Yn11型变压器，原边绕组为三角形接法，可环行零序电流和三次以及3的倍数次谐波电流，二次绕组侧的零序磁通在主绕组中感应零序环行电流，从而抑制了3次和3的倍数次谐波。）
3）串联电抗器：仅限制涌流时，可选取0.1~1.0%之间的电抗器，根据回路连线的长短来确定取上限还是下限；选取串联12%的电抗器，用来消除电网中的3次谐波；选取串联4.5~5.0%的电抗器，用来消除电网中的5次谐波；选取串联12%和4.5~5.0%的电抗器混合使用，用来消除电网中同时存在的3次和5次谐波。
4）采用有源滤波装置：适用于系统装置内部处的谐波电压超标或者谐波源的功率因素较高时。如：变压所带的非线性负荷比重较高时，宜在变压器低压母线侧装设有源滤波器；当某区域有较分散且容量较小的非线性负荷时，宜在末端配电箱处母线装设有源滤波器。
5）采用无源滤波器装置：针对大型稳定的非线性负荷，或者自然功率因素较低的单相非线性负荷，宜在谐波处采用并联方式就地装设无源滤波器。
6）采用有源滤波器和无源滤波器混合装置：适用于频谱特性复杂/负荷稳定/3次及以上谐波含量较高的谐波源。
7）选用K级变压器：目前已开发处能够容忍由谐波电流所引起多余热量的特殊变压器，这种变压器专用于计算机室等办公设备的供电；
8）增加整流装置的等效相数。
【结束语】综上所述，通过针对谐波源头进行有效的分析，分清楚谐波源的种类，估算出谐波电流的大小，在工程设计阶段才能采取合理有效的治理谐波和消除谐波的措施，从而能够有效分保证接入电网的电能质量满足国家标准的要求。
【参考文献】
[1]《电力电子技术在电力系统中的应用》机械工业出版社，戴卫力，费峻涛编著2015.06
[2]《电机现代测试技术 第2版》机械工业出版社，2015.10武建文，李德成等编著．
[3]《工业与民用供配电设计手册》 第四版中国航空工业规划设计研究总院有限公司
[4]《浅谈配电系统中的谐波治理设计》付明立
[5]《低压配电系统谐波抑制及处理》国家建筑标准设计图集 北京中国计划出本社2011
[6]《电能质量 公用电网谐波》国家标准GB/T14549-93
论文作者:李小林
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/9
标签：谐波论文; 电网论文; 基波论文; 电流论文; 变压器论文; 电压论文; 设备论文; 《电力设备》2018年第12期论文;