摘要：建筑电气设计中经常会遇到电源谐波危害，轻者会导致建筑电气陷入瘫痪状态，严重的将会导致贵重的建筑电气设备受到损伤和人员伤亡，因此需高度重视建筑电气设计中电源谐波危害，本文通过介绍电源谐波危害的原理和对应的防治措施，总结了一系列防治经验，本文对于相关领域科研工作者和同行业工作人员具有十分重要的参考意义。
关键词：建筑电气设计；电源谐波危害；危害及抑制
1 引言
谐波的危害极大，设备会发生电容器老化电抗器烧毁、电动机振动、变压器过热、损坏通信设备加速电缆老化；产品会因谐波影响生产线的安全稳定运行，导致产品质量下降，例如：造纸、纺织、等精密生产行业等；费用方面谐波增加线路和变压器损耗，增加变压器设计容量，设备投入提高。安全方面，谐波导致继电保护装置的误动作和拒动作，控制柜无法正常工作，并可能烧毁设备电源。集肤效应和邻近效应增加电缆电阻，增加发热量，加速电缆的老化。谐波的存在增加了变压器磁滞损耗、涡流损耗以及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。谐波使电机气隙磁动势谐波含量增加，气隙磁密波形畸变严重，从而加剧电机的振动。电容器放大谐波电流，加速电容器老化，容易使电容器烧毁或跳闸。谐波能引起保护的拒动或误动。导致设备损坏或生产中断。
2 建筑电气设计中谐波危害分析
变压器在受到电源谐波危害时会导致很多失误发生，由于铁损和铜损变大会导致变压器在工作过程中异常发热，严重时会导致变压器内部线路烧损，产生极大的经济损失；漏磁损耗也会发生在变压器电源谐波危害中，例如增加电压损耗等都加大了变压器工作功率。变压器的发热严重会使得内部的紧固体和外部的保护壳等发热严重，非常不利于变压器在工作过程中的散热，一方面会增加损耗，另一方面会导致变压器使用年限降低。除此之外，收到谐波危害的变压器会发出异常噪声，不利于建筑施工场地的噪声控制，对于施工人员和周围市民都是严重的身体隐患。以下是对线损分析，电流流过导体，其热效应会引起导体发热，其大小由下面的公式决定：
P=I x I x Rac；
I 为线路电流的有效值，用下式表示：
I = SQRT（I1 x I1 + I2 x I2 + I3 x I3+……）
= I1 x SQRT（1 + THDi x THDi）；
其中THDi为谐波电流总畸变率；I2，I3为2、3次谐波电流有效值；
I1为基波电流。
Rac 是导体的交流电阻，用下式表示：
Rac = Kc x Rdc =（1 + Kse + Kpe）x Rdc
式中：
Kc －交流电阻和直流电阻的比值，也叫附加损耗系数；
Kse －集肤效应引起的电阻增大系数；
Kpe －邻近效应引起的电阻增大系数；
Rdc －导体的直流电阻。
谐波电流在变压器中造成的附加损耗可用下式估算：
△P = 3 x（I2 x I2 x RT x KhT + I3 x I3 x RT x KhT + ……）
式中：
I2，I3，…… －通过变压器的2，3，……次谐波电流有效值；
RT －变压器工频等值电阻；
K2T，K3T，… －由于2，3，……谐波的集肤效应和邻近效应使电阻增加的系数，当为5、7、11和13时，可分别取2.1、2.5、3.2和3.7。
电容器额外功率受电源谐波电压的影响出现损耗，电源谐波的频率越大，容抗越少，形成的过电流会使绝缘老化的速度加快，绝缘击穿出现的故障随之增加。电网中的其他部分与电容器之间受电源谐波的影响出现谐振。如果电网系统内存在较强的电源谐波、各个系统参数与电网不能有力配合，就会出现并联谐振谐波或串联谐振谐波现象，引起过电流事故和过电压事故，使电容器遭到破坏、熔断熔丝。
3 防治电源谐波危害
合理安排非线性负载在系统中的位置，非线性负载接入系统处的短路容量越小，其他谐波电流对其他敏感负载造成的影响和危害就越大。选择有利变压器接线方式，不同的变压器接线方式可以有效抑制某些阶次的谐波。如：DYD接线可以抑制5次、7次谐波；DY接线可以抑制3次谐波；安装滤波装置，电力滤波装置分为有源和无源两种。在谐波治理过程中要清晰分清配电图，某工程谐波治理配电示意图如图1所示。
图1 谐波治理配电示意图
使用无源滤波器可以有效进行治理，原理是无源滤波器由电容器和电抗器串联而成，调谐在某个特定的频率。其优点是价格低廉。但是问题也存在，例如滤波效果不理想，只能滤除固定的几次谐波；可能和系统发生谐振，引发事故；滤波需求和无功补偿有时难以协调。
有源电力滤波器的治理原理是有源滤波器产生幅值相等，相位相反的谐波电流。保证电源侧电流为正弦波。优点是滤波效果和通用性好；无谐振风险。为避免谐波流入其它负载和形成背景谐波电压，谐波应就地治理，就地治理的效果最好。实际应用中应考虑场地，成本等因素。
建筑电气设计中产生谐波的主要来源是其整流环节（AC/DC），建筑电气设计中常用的整流环节：电容滤波的二极管不可控整流；电感、电容滤波的可控硅相控整流电路。谐波的有效值（rms）由于各次谐波电流都是正弦波，因此可以测量每次谐波的有效值，但这些正弦波的频率各不相同，为基波频率的整数倍：IH1 为基波成分（50 Hz）；IHk 为谐波成分，其中k 为谐波次数（50 Hz 的k 倍）。谐波分析就是要确定这些数值。
治理主要途径：内部治理，直接从电力电子装置内部进行改造，主要针对整流环节进行功率因数校正，目前主要方法是功率因数校正电路或高频整流技术。外部治理，从装置的外部治理，主要途径是通过滤波，抑制和减少谐波含量，目前主要方法无源滤波和电力有源滤波。
治理主要方式：集中治理——保护变压器的所有非线性设备；当非线性负荷容量与配电变压器容量的比例超过50％，分布区域较广且自然功率因数较高时，宜在变压器低压侧配电母线上集中装设。分散治理——保护区域内少量的非线性设备；仅在一个区域内有较分散且容量较小的非线性负荷时，宜在分配电箱母线上装设。就地治理——保护局部区域内的几台重要的非线性设备。仅有几台大容量的非线性设备，宜在每台谐波源处就地配装。对于谐波电压的控制也要根据限值进行控制，见表1。关于谐波与无功补偿电容器的关系是造成电容器过电流、与系统产生并联谐振、与系统产生串联谐振。
表1 谐波电压限值
4 结束语
建筑电气设计包括两方面，一方面是对照明灯泡和接地系统等的建筑强电系统设计，此类建筑电气设计需要的是普通电压，设计过程中较为简单，出现电源谐波危害的地方较为普通，可以通过通用的方法对其进行防治。另一方面是对有线电视和会议系统等的建筑弱电系统设计，此类建筑电气设计与通常的电气设备不同，由于客户存在的数量和类别不同，需要的电压等参数各不相同，在此时出现问题的几率就会增加，且问题各不相同，因此需要更加专业的工作人员进行电源谐波防治。在这两种建筑电气设计中，电源谐波防治需要专业的技术措施，建筑电气设计中很多设备内部就会含有谐波的含量，光从外部对电源谐波危害进行防治根本无法将电源谐波彻底防治，我们应该在根本上解决设计问题，尽力在变压器等设备上减少谐波危害，本文通过分析建筑电气设计中的电源谐波的危害原理，对防治电源谐波问题进行了技术总结，电源谐波对于建筑电气设备有十分大的损坏，会严重影响电气的正常工作，不利于电气设备的长久稳定工作，在设计过程中一定要保护好贵重电气设备防止其受到损坏。通过以上分析，本文总结了建筑电气设计中电源谐波危害的防治，只有通过专业的设计和熟练的操作才能为建筑电气行业保驾护航。
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论文作者:刘旭
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/19
标签：谐波论文; 变压器论文; 电源论文; 电流论文; 建筑论文; 电容器论文; 电气设计论文; 《基层建设》2019年第6期论文;