尹云飞
（中国汽车工业工程有限公司 天津市 300113）
摘要：建筑电气供配电系统中，由于用电设备及线路的干预，很容易产生谐波。谐波对电气设备、供电系统会产生很大的危害，不仅影响电能质量，甚至会导致电气系统崩溃或是引发火灾。因此，在建筑电气设计中，必须要考虑谐波干扰问题，必须要制定出科学合理的谐波治理方案，尽可能地减少谐波带来的危害，以保障建筑电气系统能够安全、可靠、经济运行。
关键词：谐波；建筑电气设计；电能质量；用电设备
引言
建筑电气系统内，谐波的危害非常大，不仅影响电气设备、系统的运行，更是潜在火灾、过电压等问题，不利于建筑内居民的安全性，同时增加了电气设计的压力。建筑电气设计中，掌握谐波的实际影响，在此基础上，才能全面落实谐波治理的对策，缓解电气设计的压力，规避谐波的干扰，维护建筑电气设计的可靠性。
一、建筑电气中谐波的产生
建筑电气设计中，谐波是电气运行电流频率基波的整数倍，电流高于基波频率。一般情况下，建筑电气的设计，在理想状态时，属于纯净的供电系统，电流、电压运行，都表现出正弦波图形，受到非线性负载的干扰产生了谐波。电气系统内，电流经过负载位置处，与电压不存在线性关联，引起非正弦电流，就会在电气系统中出现谐波。电气设计中，电源、通讯装置、照明系统和采用了变频器及微电路控制的设备中，均能产生谐波，加重了建筑电气的运行负担，无法保障建筑电气的安全性和可靠性，体现出了谐波对建筑电气设计的危害。
二、建筑电气设计中谐波的特点分析
随着科学技术的发展，工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量投运在建筑电气设计中，造成了谐波分量占的比重越来越大。谐波给建筑电气系统带来的危害十分严重，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。因此，对谐波的研究以及如何抑制、治理已成为一个具有重要意义的课题。
目前建筑物中的供电系统设计一个非常突出的特点就是单相或非线性用电设备使用的比较多。根据调查统计发现，单相用电占据民用建筑总用电的比例达到70%以上，并且单相设备基本上都是非线性负载。随着建筑电气自动化的不断发展，非线性负荷逐渐增加，一种是电子计算机、电视机、打印机、电气监控设备等，另外一种是电感性负荷，如电子式荧光照明灯具等，这类用电设备虽然功率比较小，但是因为电网中数量非常大，所以必须要重视其引起的谐波的问题。不仅如此，大量的单相设备，导致三相负荷很难平衡，进而造成波形畸变，产生谐波。变频空调、影剧院可控硅调光装置、微波炉、彩电、单相变频空调、个人电脑的谐波含有率分别高达130％、17％、100％，是谐波重要来源。
三、谐波对建筑电气设备的影响
3.1谐波对变压器的影响
3.1.1影响变压器输入输出电压
在谐波电流的影响下，变压器会形成集肤效应，变压器内部很多参数都会发生改变，假设变压器具备了T型等效电路，在此前提下会将不同谐波分量当做电流源在变压器上叠加，以此形成谐波作用下的等效电路，对于第n次谐波来说，变压器谐波T型等效电路模型如图1所示。
不管所带上级电网为谐波源还是负载为谐波源，变压器谐波电流都会增加，进而使原边或副边电压质量发生变化，使得谐波电压畸变率增加，使用电设备受到损坏。如果谐波蹿到高压侧，这时会对高压电网造成污染，甚至对供电质量造成严重影响。从整个变压器构造来看，变压器由铁芯、线圈等部分组成，铁芯材料选择、制造工艺及结构设计都各不相同，因此图1中电抗、电阻等相关参数会随之发生变化，最终使变压器输入输出电压质量进一步恶化。
3.1.2影响变压器损耗
如果谐波电流经过变压器线圈，那么线圈周围将会出现交变磁场，线圈中电流的分布就会不均匀，集中在线圈的表面，这就是集肤效应，集肤效应的出现将会增大导体抗阻和损耗。随着变压器制造工艺的提升，在不考虑变压器自身谐波对电网影响的前提下，谐波将会对变压器损耗产生严重影响。变压器损耗主要包括空载和负载两种损耗，其中空载损耗是指在变压器内部铁芯叠片中发生的现象，磁力线将会出现周期性变化，磁力通过材料的过程中，由材料磁滞及涡流产生的，其大小与运行电压、分接头电压都存在紧密的联系；负载损耗是指由经过变压器绕组负荷电流所产生的。通常情况下，空载损耗和负载损耗为变压器主要损耗，因此要想对变压器损耗进行分析，其中杂散损耗可以不考虑，在集肤效应的影响下变压器线圈阻抗将会进一步加大。
3.2谐波对导线的影响
3.2.1影响线路损耗
①如果低压配电系统有谐波电流存在，导线将会产生线路损耗。②以电缆直接埋地敷设为例，地和导体就是电容的两极，导线绝缘材料及相关中间材料就是电容介质，那么实际上理想的电容器是不存在的，不可能电流恰好超前电压90°，图2为电流通过导线的等效电路图、理想介质损耗及实际介质损耗示意图。
3.2.2影响中性线
在电气设计过程中，谐波的产生将会增加线路损耗，进而出现相线过载的问题。在三相四线制、三相五线制两种配电系统中，谐波对中性线的影响非常严重，拿一般民用住宅来说，因为以前家用电器非线性负载数量少，谐波造成的影响通常忽略不计，这是要是因为中性线通过的电流比较小，但是随着电气设备的快速更新，非线性负载越来越多，因此电气回路中谐波电流快速增长。很多建筑都发生了电气火灾事故，其主要原因就是非线性设备越来越多的进入到家庭用户中，造成导线绝缘劣化。
3.3谐波对电容器的影响
谐波一旦出现，电容器就会出现额外功率损耗，加剧电容器绝缘介质老化的速度，大量谐波电流随之出现，这时电容器和其他系统元件将会出现谐振反映，整个电容器运行都将进入到超载状态中。这种情况下，和电容器连接的线路和设备，都会受到闪变、超压等问题的影响，进而面临局部甚至大范围的损害。
四、建筑电气谐波治理的对策
根据建筑电气中谐波的产生和谐波对建筑电气设计的影响，分析谐波治理的对策，积极运用到建筑电气系统内。分析电气谐波治理的相关对策，如下：
4.1变压器控制
变压器控制，属于受端治理的方法，按照建筑电气的设计需求，选择变压器，便于控制谐波。电气系统内的变压器，受到谐波的影响，出现电流过载的问题，导致变压器的温度升高，同时出现较大的负载，不利于变压器的正常运行，缩短了变压器的运行寿命。建筑电气设计中，治理变压器谐波的方式表现在两个方面，分析如：（1）变压器的电气环境中，受到三次谐波的干扰，治理谐波时，可以在变压器的原、副边，连接成星型，变压器的铁心柱位置上，安装三角形绕组，其不提供负载电流，在谐波激磁时，提供闭合成环的电流方式，促使铁心柱的磁通处于正弦波形的状态，排除三次谐波的干扰；（2）变压器的容量选择，促使绕组内构成环流，阻断谐波在变压器两侧的传递路径，防止谐波扩散，期间还要预防谐波的振动干扰，保证变压器能够承受振动压力，排除谐波的振动干扰，变压器配合容量选择，设计Dyn11的接线方式。
4.2导线控制
电气系统导线的控制，主要是通过导线截面积控制，治理谐波问题。根据谐波对电气系统导线的影响，分析导线截面积的控制方式，如：（1）谐波电流＜15%基波电流，中性线=相线界面；（2）谐波电流≥15%基波电流，相线采取了明敷的方式，需要增加相线的截面积，便于增加带电导体的距离，预留导线散热的空间，促进谐波额外热量的散失，减少了导线的载流量，利用降低系数的方式，校正电气系统内的导线设计，提高导线在电气设计中的可靠性。
4.3电容器控制
电容器在建筑电气设计中，规避了潜在的谐振风险，预防谐波放大超压的问题。结合某建筑电气设计中谐波的治理，分析电容器控制的方法，如：（1）电容器中串联电抗器，变化电气阻抗，控制电容器的谐振点，同时控制电抗率，消除潜在的谐波源；（2）电容器的容量设计，需重点考虑电容器的无功补偿，电气设计中的谐波电流，会经过电容器的阻抗，此时标记好电容器内的电流，计算出电容的容量，便于抑制电气设计的谐波。
4.4发电机控制
建筑电气设计谐波治理中，发电机的控制，围绕变频器、额定功率展开。例如：某民用的建筑工程，电气设计内，电机电流=350A、电压=380V，承载着大量的变频设备，谐波畸变小于10%，在此基础上，选择恰当的发电机，保证发电机的运行能够抑制谐波的危害，保障电气系统内发电机的稳定性。
4.5滤波器安装
谐波治理中，可以根据电气设计的状态，安装滤波器，专门用于过滤电气系统内的谐波。例如：某工业建筑电气设计中，在变电所采用了有源滤波装置，监测低压母排谐波情况并发生反向谐波进行抵销。此方案的难点是目前工业系统中电机自动控制、整流电源等会产生大量谐波的设施不断增多且不同产品所产生谐波差异很大，在设计时应充分考虑裕量，工厂投产后应请滤波柜厂家到场对工厂实际谐波情况进行检测，有针对性地调整滤波柜容量及设置。
4.6谐波保护器
谐波保护器在建筑电气谐波治理中，主要排除电子设备引起的谐波，规范电气系统内的电力质量。建筑电气系统内，安装谐波保护器，治理电气系统内的谐波，一方面保护电气系统中的用电设备，另一方面净化电源能量，预防谐波引起频闪的情况，维护电气系统内各项电源设备的安全性。
五、结语
目前谐波已经严重影响到了电力系统运行的可靠性和安全性，因此，必须加大对谐波问题的研究深度，采取有效措施解决谐波问题。随着近年来我国社会经济水平的快速发展，绿色建筑电气设计中谐波问题开始引起人们的重视，这种情况下电气设计人员应清晰的了解谐波的危害，采取有效措施提升供电质量。
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器的使用寿命。一旦冷却结构设计的不科学，例如，变压器的散热器比箱盖要高，但是连接联管比箱盖低，那么整个散热片的顶部范围则会出现散热不完全的问题，变压的运行部位热量极具的增大而未能有效散出，则会导致变压器油的升温变质。所以变压器冷却系统及装置的科学设计和选用，可以有效防止温升过高的问题，将整个变压的使用寿命延长，这个企业的经济效益也会随之提高。
2.5 常见油浸式电力变压器的故障风险模式
针对特定的油浸式电力变压器，其发生的故障一般包含内部故障和外部故障两种。而变压器的内部故障从性质上可以区分热故障以及电故障两种。因为变压器故障包含的因素较多，按照使用性能、场合进行划分时较为冗杂，比较难以统一的按照某一范畴等将故障因素进行归类，IEC以往对全球范围内较多台次变压器故障类型做出了相应的统计，详细的统计见表1所示。
表1 电力变压器故障类型
就油浸式电力变压器的故障分析而言，将其前两种故障因素进行详细的分析如下文所示：
（1）短路故障。变压器短路故障模式为出口短路、引线或者绕组间对滴短路以及相与相之间的短路，故障会导致短路电流引起绝缘过热，因此在变压器的设计时应该着重检测短路电动力引起的绕组变形，以及短路电流、接地电流、绕组漏抗、阻抗、单位冲击响应以及电抗等因素的发生。
（2）放电故障。放电故障的主要表现形式为局部放电、火花放电以及高能量放电，引起其原因主要包含气泡、油中放电，空穴、电极尖端、油隙等，那么导致到后果大都是固体绝缘的电老化以及绝缘材料的电老化等，严重时导致金属材料的变形、烧毁、设备烧损。在设计时应该进行短路损耗分析，油、纸绝缘分解物也需要进行明确。
3.结论
电力变压器的设计过程中，要将客户需要作为首要考虑的因素，认真评测变压器运行环境的特征，提出最科学合理的设计方案，使得变压器在投入使用后既可以实现稳定可靠运行的需求，同时也要满足整体的经济效益需要，满足节能降耗的绿色环保需求。最终使得在变压器的设计方面突破传统的设计理念，创新型的变压器不断跟随科技与时代的进步，同时也能满足现代化的使用要求。
参考文献：
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作者简介：洪新征（1980-），男，壮族，广西武宣县人，本科，工程师，主要从事电力设计工作。
论文作者:尹云飞
论文发表刊物:《云南电业》2019年6期
论文发表时间:2019/11/28
标签：谐波论文; 变压器论文; 电流论文; 电气设计论文; 电容器论文; 系统论文; 导线论文; 《云南电业》2019年6期论文;