摘要：医院配电系统，主要负载为电子医疗精密设备、照明、电梯及变频通风设备、计算机等。其中大部分为非线性负载，低压配电网上谐波严重。医院作为救死扶伤的特殊类型建筑设施，本身属于一类用电负荷。电力谐波从供用电系统可靠性和设备正常功能发挥等方面影响医院的设施设备。
关键词：谐波；有源；无源；三相不平衡电流
谐波的概念:从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般指对周期性的非正弦电量进行傅立叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量，从广义上讲，频率等级工频电流频率K倍的谐波电流称为K次谐波电流。
基波频率为电网频率（工频50Hz)，谐波次数（h)是谐波频率与基波频率的整数比，间谐波次数（ih)是间谐波频率与基波频率的比值。
谐波按照相序，分为正序谐波（第4、7、10、3h+1次）、负序谐波（第2、5、8、3h-1次）、零序谐波（第3、6、9、3h次)。按照谐波次数，分为偶次谐波、奇次谐波、间谐波。
谐波的产生：如今广泛使用的负载大部分是非线性的，如整流器、变频器、UPS、电梯、空调、节能灯（荧光灯）、复印机、家用电器等等，这些非线性负载会产生大量的谐波电流并注入到电网中。畸变的正弦波产生谐波，图示如下：
谐波造成的危害：
1.供用电设备在谐波分量作用下，集肤效应增大、涡流、磁滞等影响增加，引起异常过热、损耗大为增加。
2.由于谐波频率的叠加现象导致频率不稳，使旋转电机转速不稳，附加损耗增加，供用电设备机械振动加大，甚至发生机械谐振。
3.谐波成份使电流和电压波形产生畸变，波峰的畸变会使对峰值敏感的设备或原件受影响（如过电压引起击穿或过电流引起误动），而波形过零点的畸变直接对测控元件或设备产生干扰或误动。
4.变压器、旋转电机：铁芯磁感应环流增加，加大电气设备发热损耗，增加功耗；加速绝缘老化，影响设备寿命。
5.电线电缆：发热损耗增加，加速绝缘老化，影响使用寿命。
6.电力电容器组：谐波电压会加速电容器老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振频率等于或接近与某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器及熔断器因过热、过电压等而不能正常运行甚至烧毁。
7.测控元件或设备：受谐波干扰而出错或误动。如负荷开关误跳、生产测控设备失控或不稳定；谐波谐振过电压造成电气元件及设备的故障及损坏，对通信系统产生电磁干扰，使得电信质量下降。
8.零序谐波导致中性线电流过大，造成中性线发热甚至火灾。
医院配电系统谐波除上诉危害还存在以下危害： 医院医技科室包含了大量技术含量高、价值昂贵的精密检测和治疗仪器，包括：数字减影仪（DSI）、核磁共振仪（MRI）、CT、彩色多普勒、荧光PCR仪、自动生化仪、同位素检测设备、色谱仪、X射线摄像系统、脑电图、心电图、生化实验仪等各种仪器等等。上述大型治疗检测设备大都带有以微处理器为基本元件的控制装置，对电源的扰动极其敏感，会发生影像颤动，死机，无故重启，丢失影像、文件等，甚至设备损坏。供电的可靠性和电源质量净化度直接关系到上述设备本身的安全和正常工作条件。严重的电力谐波会直接导致上述依赖微处理器技术的设备的同步失调和数据错误，而谐波谐振引起的共模干扰和过电流将直接危害设备内部电子线路的安全，会导致击穿或放电。
医院各类负荷的谐波特性（主要以3, 5, 7次谐波为主）
谐波的治理：
对于公用电网中的谐波电压和谐波电流，在世界上和我国均有相关的标准规范，例如国际上IEEEstd519要求商业和工业用户向公共电源系统反馈的最大THD应小于5%。我国国家技术监督局于1993年又发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》，根据不同电压等级的公用电网，明确规定出了各次谐波电流的最大允许值：
谐波治理基本由有源滤波器和无源滤波系统来实现。
无源滤波系统是采用由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波装置进行滤波。目前无源滤波系统被广泛用于抑制谐波及无功补偿的需求中。由于无源滤波系统是通过在系统中为谐波提供一个并联低阻通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由配电系统和无源滤波系统的阻抗比所决定的。其工作原理如下图：
无源滤波系统具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠维护方便等优点，因此无源滤波被作为抑制谐波及无功补偿的主要手段，但其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以下缺点。
1.滤波特性受系统参数的影响较大；
2.只能消除特定的几次谐波，而对某些谐波会产生放大作用，不能完全避免谐振；
3.滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调；
4.谐波电流增大时，无源滤波系统负担随之增大，可能造成无源滤波系统中元件过载；
有源滤波器的控制主要由谐波信号的检测和补偿分量的产生两大部分组成。通过检测电路检测出电网中电流电压的畸变部分，然后采用适当的控制方法控制功率逆变器产生与电网中谐波成份大小相等、方向相反的谐波电流、注入电网，从而将电网中的谐波抵消。有源滤波器工作原理如下图：
有源和无源的设计使用原则：
1.当系统中谐波严重且无功需求较大时有源滤波器和非调谐无功补偿一起使用，这个时候有源滤波器的功能为谐波治理，非调谐无功补偿装置做无功补偿。
2.当系统中谐波较小而功率因数较低时一般只采用无功补偿而不用有源滤波器。
案例分析：笔者参与改造某大型数据中心项目，变压器末端负载为数据机房服务器，。在改造过程中发现变压器异响严重并伴有变压器温度过高等现象，后经现场分析由于该变压器自然功率因数过高，导致电容器柜无法投入，导致谐波电流无法被抑制，谐波电压使变压器的磁滞及涡流损耗增加，使绝缘材料承受的电气应力增大；谐波电流可使变压器的铜耗增加，对变压器而言，特别重要的影响使3次及3的倍数次零序谐波，这些谐波在绕组中形成环流，这些环流使变压器绕组过热，经现场测量，零线 3 次谐波电流大。测试点 1-2 的零线总电流分别为 140A、122A，且主要为 3 次谐波电流，分别为 115A、102A。可算出变压器进线（测试点 1）的零线 3 次谐波电流占比 82.1%；变压器出线（测试点 2）的零线 3 次谐波电流占比83.6%；本变电所采用 D/Yn-11 接线方式的变压器，因3次谐波电流相位在高压三相线圈中形成闭合环流，从而造成变压器高压绕组异常发热和振动；因 L-C 滤波装置只在负荷自然功率因数低于0.9时才起作用，而且只对5次、7次谐波有较好滤波作用；本项目的谐波含量复杂、自然功率因数大于0.98；另外一个因素为三相电流不平衡时，变压器处于不对称运行状态。造成变压器的损耗增大(包括铜损和铁损)。变压器的国标运行规程规定，D/Yn-11 接线方式的变压器零线电流不得超过变压器低压侧额定电流的 40%，本项目虽未达此限值，但也属较大；三相电流不平衡运行会造成变压器零序电流加大，使局部金属件升温增高。但三相电流不平衡度在国家规范的限定范围以内，未超标。从而看出当自然功率因数较高的情况下，末端设备非线性负载比重较大时，装设有源滤波器的必要性。
结束语：
目前随着国家及各类企业对电能质量的要求在提高，在电气设计中谐波电流影响越来越大，用电设备的总类多样性，非线性负载设备越来越多，在电气设计的过程电气设计师应对各设备的特性应深入了解，应结合工程性质给出合理的设计方案，而非千篇一律的设计。
参考文献
[1]《工业与民用配电设计手册》第四版
[2]《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93
[3]《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008
[4]《配网运维规程》Q/GDW1519-2014
论文作者:国强
论文发表刊物:《新材料.新装饰》2018年10月下
论文发表时间:2019/7/1
标签：谐波论文; 电流论文; 无源论文; 变压器论文; 设备论文; 系统论文; 电网论文; 《新材料.新装饰》2018年10月下论文;