摘要：谐波在智能建筑中不但降低电能质量，还影响设备正常使用，引起电力事故和通信故障，降低设备使用寿命，因此本文对智能建筑电气设计中的谐波治理进行了分析。
关键词：智能建筑；电气设计；谐波；治理
智能建筑安全、高效、便利并与环境协调，契合可持续发展理念，因而成为现代建筑发展的潮流。然而智能建筑中大量非线性负载产生的谐波严重恶化了电能质量，并对电力系统和自动化设备构成危害，导致电力事故、通信故障时有发生[1]。可见，智能建筑中的谐波问题是电气设计中无法忽视的问题，必须采取有效的治理措施才能保障智能建筑安全、高效地运行，因此本文针对智能建筑电气设计中的谐波治理进行了分析。
1 智能建筑中谐波的产生、特性与危害
1.1 谐波的产生
谐波是指频率为基波频率整数倍的正弦波分量，其来源[2]有两个方面：一是智能建筑中用户侧大量的非线性负载，例如电动机、变压器、断路器、电容器、电缆、电子设备、开关电源、控制装置等。它们运行时导致电压、电流产生畸变而产生谐波。二是公用电网中原有的谐波源加上配电变压器产生的谐波，并通过网侧传输到配电系统中。
1.2 谐波的特性
用户侧的谐波次数范围一般为，频率范围2kHz～10MHz。电力侧的谐波次数范围一般为，频率范围100Hz～22kHz。
1.3 谐波的危害
用户侧的谐波主要危害智能建筑中的计算机、PLC、控制设备等，由于能量较小，对设备物理损伤不大，但会干扰控制设备，例如造成计算机、PLC死机。电力侧的谐波主要危害电力变压器、配电设备等，由于能量较大，其对设备有明显的物理损伤，例如发热致绝缘介质加速老化，但因为频率较低，不对控制设备造成干扰。
2 智能建筑电气设计中的谐波治理方法
2.1 治理思路
建筑电气中的谐波治理分为受端治理、被动治理和主动治理三种思路[3]。受端治理是指对变压器、电容器、电缆、发电机等受谐波影响较大的设备，采用增强设备抗谐波干扰的技术措施。被动治理是采用滤波器阻止谐波注入电网或流入负载端。主动治理是采取措施使谐波源减少谐波产生甚至不产生谐波，如采用高功率因数变流器、矩阵式变频器等措施。通常，为了降低谐波影响，同时技术简便、造价合理，电气设计应采用综合治理措施，下面介绍各种治理措施。
2.2 变压器的选择
目前，国产变压器绕组组别主要采用Yy0、Yyn0、YNy0、Yd11、YNd11、Dyn11等形式。对于民用建筑，单相不平衡负荷造成的中性线电流较大，谐波电流突出，最好选用Dyn11组别形式，对抑制3n谐波有效。但是Dyn11并不会消除谐波，而是避免谐波注入公网，自身要承受较大的温升，所以应控制容量。容量的控制可根据系数的大小确定变压器的降容系数。系数可用来计算，式中为谐波次数，为次谐波电流的有效值（A），为基波电流有效值（A）。降容系数可采用进行估算。如果对谐波分布不了解，也可按降容系数=0.7～0.8进行考虑。
2.3 电线电缆的选择
电力系统中有谐波时，中性线上谐波电流会叠加，为避免导线过热可以加大中性线截面；如果中性线上安装了有源滤波器，则中性线截面不必加大。中性线截面加大量可根据3n谐波电流分量的比例来选择：（1）3n谐波电流分量为基波电流的15%～33%时，相线与中性线电流（为基波电流，下同）；（2）3n谐波电流分量为基波电流的33%～45%时，中性线电流；（3）3n谐波电流分量为基波电流的45%以上时，中性线电流。计算出电流再根据标准或规范确定电线电缆的截面积。
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2.4 配电设备的选择
谐波的存在，可能引起开关设备误动作，为了避免这种情况出现，低压配电设备应降容或放大，其中配电断路器（热磁型或电子型）应适当降容，热继电器和接触器也应适当降容，而谐波很严重的回路配电设备应放大一级使用。
2.5 滤波器的选择
采用滤波器是目前最常用的谐波治理措施。滤波器分为无源滤波器、有源滤波器、混合滤波器三种类型。无源滤波器是由电容、电感、电阻三种元件组合而成的电流滤波器，通过低阻抗回路来吸收滤波。有源滤波器是利用逆变器产生与系统各次谐波相位相反但大小相等的谐波电流，用以抵消系统各次谐波，也就是一种动态抑制谐波的措施。混合滤波器综合了无源滤波器与有源滤波器，前者滤去谐波成分中电流大而恒定部分，后者滤去谐波成分中电流小而波动部分，这样做有利于节约总体造价，因为同等功率下有源滤波器比无源滤波器的造价要高得多。
设为变压器额定容量（kVA），为母线上接有电容器组的所有产生谐波装置的视在功率额定容量的总和（kVA）。对于≤2000 kVA的变压器，当0.25<≤0.5时采用无源滤波器，并基于额定电压、电抗率和电容器容量进行选择，设计时为避免回路中产生谐振，需要将一定的电抗器和并联电容器串联起来，并使无功补偿回路对谐波呈感性，通常取电容器额定电压增加10%，再加谐波抑制电流；当>0.5时，应采用有源滤波器或者混合滤波器。
通常，智能高层建筑>0.5，一般应采用混合滤波器方案。针对3n谐波的抑制，无源滤波器应采用电抗率12.5%～15%的电抗器，调谐频率采用131～141Hz。电容器额定电压取525V，通过电容补偿容量来确定补偿电容与调谐电抗器的容量。有源滤波器的选择要了解配电方式和确定容量。普通民用建筑一般采用三相四线制，有源滤波器容量依据系统中需要抑制的谐波电流来确定，要求滤波器电流值大于谐波电流值，可按计算，式中为总谐波电流（A），为谐波源设备的额定电流（A），为电流总谐波畸变率（%）。
2.6 谐波保护器的选择
谐波保护器用于用户侧设备的谐波治理，例如用于精密设备、计算机、PLC、无线设备等的保护，具有保护用电设备、净化电源、保护无功补偿设备、防止保护装置跳闸等功能。谐波保护器的选择可依据使用场合、配电方式、谐波电流三个条件。通常单向设备的谐波电流不超过计算电流，可不考虑谐波电流。
3 工程应用案例
某智能建筑地上25层，地下3层，设4台1250 kVA变压器，其中一级到三级负荷分别为625kW、1348 kW、1595 kW，消防负荷687 kW。强电系统有照明、动力系统，弱电系统有综合布线、视频监控、有线电视、门禁管理等系统。谐波源产生3、5、7、11、13等次谐波。电气设计时变压器Dyn11组别，负荷率70%～80%，配电设备适当降容，谐波较大设备回路放大一级，母线留有足够余量。现提出3个方案：一是无源滤波器方案，二是有源滤波器方案，三是混合滤波器方案。方案一在功率因素高、谐波较大时滤波效果较差；方案二滤波效果好，但对大容量谐波补偿仍有不足，并且初期投资高；方案三兼顾滤波效果和成本。经综合分析选择了方案三，仿真也验证了该方案的可行性。
4 结语
目前，在建筑电气设计中比较重视无功补偿，对谐波的危害认识不足。国外研究结果表明，民用建筑中的谐波量达到总谐波量的40%以上，谐波治理应成为智能建筑电气设计中重要部分，而谐波治理的关键是对谐波形成原理要有清晰的认识，这样才能合理地选择谐波治理方案，并取得预期的谐波治理效果。
参考文献：
[1]盖克松. 现代智能建筑谐波特性及治理措施研究[D]. 济南：山东大学，2013.
[2]梁康渭. 现代智能建筑谐波治理及HPD2000系统谐波保护器[J]. 现代建筑电气，2010，1（9）：60-64.
[3]杨昌瑞. 谐波对建筑电气设计的影响及对策分析[D]. 西安：长安大学，2015.
论文作者:冯达
论文发表刊物:《防护工程》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/19
标签：谐波论文; 滤波器论文; 电流论文; 无源论文; 智能建筑论文; 设备论文; 基波论文; 《防护工程》2017年第15期论文;