智能(néng)建築諧波畸變及其防範 薛立軍（北(běi)京聯合大(dà)學 100020） 摘 要(yào) 著(zhe)重分(fēn)析了(le)智能(néng)建築中引發諧波畸變的(de)各類擾動源，并針對(duì)諧↔波畸變的(de)危害，提出相(xiàng)應的(de)防範措施。
關鍵詞 智能(néng)建築 諧波畸變 1 引言 智能(néng)建築三A系統（設備自(zì)動化(huà)系統、辦公自(zì)動化(huà)系統、通(tōng)信自(zì)動化(huà)系統）中大(dà)量自(zì)動化(huà)設備需要(yào)高↕(gāo)質量的(de)電(diàn)源，但(dàn)同時(shí)其中相(xiàng)當數(shù)量的(de)設備由♥于具有(yǒu)非線性負載特性，又(yòu)是(shì)引發諧波畸變的(de)擾動源。因此分(fēn)析引發諧波畸變的(de)各類<擾動源，并針對(duì)諧波畸變的(de)危害，提出相(xiàng)應的(de)防範措施，對(duì)智能(néng)建築¶中三A系統的(de)安全運行(xíng)具有(yǒu)重要(yào)意義。 2 諧波分(fēn)析依據 國(guó)際電(diàn)工(gōng)委員(yuán)會(huì)（IEC）在文(wén)獻［1］中制(zhì)定了(le)單次諧波電(diàn)壓的(de)兼容水(shuǐ)平，即最大(dà)容許值。當各次諧波電(diàn')壓低(dī)于文(wén)獻［1］規定的(de)限值時(shí)，總的(de)諧波電(diàn)壓畸變不(bù)超過8％。該規定兼顧了(le)供φ電(diàn)系統與制(zhì)造商的(de)共同利益。 在GB／T14549-93标準中規定：380V電(diàn)網中各奇次諧波電(diàn)壓含有(yǒu)率限值為(wèi)4％，各偶次諧波電(diàn)壓含有(yǒu)率限值為(wèi)×2％。總的(de)諧波電(diàn)壓畸變率允許值為(wèi)5％。以上(shàng)均指相(xiàng)電(diàn)壓。 GB50174-93（電(diàn)子(zǐ)計(jì)算(suàn)機(jī)房(fáng)設計(jì)規範）在電(↓diàn)源質量分(fēn)級中對(duì)諧波電(diàn)壓畸變率提出明(míng)确限值。計(jì)算(suàn)機(jī)房(fáng)電(dià>n)源質量劃分(fēn)為(wèi)A、B、C三級，允許諧波電(diàn)壓畸變率限值A級為(wèi)3％↑～5％，B級為(wèi)5％～8％，C級為(wèi)8％～ 10％。筆(bǐ)者認為(wèi)智能(néng)建築中其他(tā)自(zì)動化(huà)設備對(duì)電(diàn)源質量的(↕de)要(yào)求均可(kě)參考此規定限值。 總諧波畸變率THD是(shì)以基波為(wèi)準的(de)一(yī)個(gè)比值，用(yòng)百分(fēn)數(shù)表示，分(fēn)為(wèi)總電(diàn)壓諧波畸變率和(∑hé)總電(diàn)流諧波畸變率。總電(diàn)流諧波畸變率計(jì)算(suàn)公式如(rú)下(xià)： 
諧波電(diàn)流畸變能(néng)對(duì)電(diàn)壓畸變産生(shēng)很(hěn)大(dà)影(yǐng)響，因此采取降低(dī)各類電(♦diàn)氣及電(diàn)子(zǐ)設備的(de)諧波電(diàn)流至允許值，來(lái)滿足低(dλī)壓配電(diàn)網的(de)兼容水(shuǐ)平是(shì)行(xíng)之有(yǒu)效的(de)手段。在分(fēn)析諧波電(diàn)流δ時(shí)，應注意多(duō)台設備産生(shēng)的(de)諧波電(diàn)流具有(yǒu)一(yī)定規則的(de)疊加性，也(yě)應考慮并非所有(yǒu)産生(shēn•g)諧波的(de)設備同時(shí)處于工(gōng)作(zuò)狀态。 依據上(shàng)述有(yǒu)關标準，在國(guó)內(nèi)标準對(duì)智能(néng)建築低(dī)壓配電(diàn)網總諧波電(diàn)壓畸變率限值尚無明(mí ng)确規定時(shí)，筆(bǐ)者認為(wèi)可(kě)考慮将電(diàn)源系統的(de)總諧波電(diàn)壓畸變率限制(zhì)在5％以下(xià)。若超過5％應适當采取防範措施，以保證智能(néng)建築三A系統的(de)安全運行(xíng)。 3 智能(néng)建築內(nèi)主要(yào)請(qǐng)波擾動源 智能(néng)建築中具有(yǒu)一(yī)定非線性負載特性的(de)設備是(shì)産生(shēng)諧波畸變的(d↔e)主要(yào)擾動源，可(kě)歸納為(wèi)以下(xià)幾類：①照(zhào)明(míng)系統中的(de)照(zhào)明(míng)鎮流器(qì)、調光(gu€āng)設備（相(xiàng)位角控制(zhì)器(qì)）。②計(jì)算(suàn)機(jī)、複印機(jī)、打印機(jī)等辦公自(zì)動化(huà)設備。③UPS不(bù)間(jiān)斷電(diàn)源及開(kāi)關電(diàn)源。④電(diàn)梯、空(kōng)調等動力設備中普遍應用(yòng)的(de)變頻(pín)傳動裝置（VFD）。⑤其★他(tā)具有(yǒu)一(yī)定非線性負載特性的(de)電(diàn)子(zǐ)控制(zhì)設備。 以上(shàng)①、②類設備具有(yǒu)數(shù)量大(dà)、多(duō)台型号規格相(xiàng)同、負載特性相(xiàng)同的(de)特點，其中同種設備産生(♥shēng)的(de)諧波電(diàn)流大(dà)緻線性疊加，如(rú)個(gè)人(rén)計(jì)算(suàn)機(jī)電(diàn)流偕波畸變率可(kě)達75％，此類設備對(duì)總諧波畸變率的(de)影(yǐng)響不(bù)容忽視(shì)；③類擾動源UPS不(bù)間(jiān)斷電(diàn)源及開(kāi)關電(diàn™)源屬于非線性負荷，在它們的(de)交流輸入倒有(yǒu)大(dà)量諧波電(diàn)流反饋至低(dī)壓配電(diàn)網，使電(diàn)網遭受污染；④類擾動源變頻(pín)傳動裝置（÷VFD）産生(shēng)的(de)諧波可(kě)使輸入電(diàn)流波形嚴重畸變，如(rú)圖1所示。此類設備（未采取防範措施時(shí)産生λ(shēng)的(de)諧波畸變對(duì)總諧波畸變率影(yǐng)響較大(dà)。 
圖1變頻(pín)傳動裝置輸入電(diàn)流波形
電(diàn)網輸入上(shàng)述設備的(de)波形是(shì)正弦波，但(dàn)由于該類設備自(zì)身(shēn)是(shì)諧波發生(shēng®)源，從(cóng)而導緻設備輸入波形畸變。 4 諧波畸變産生(shēng)的(de)主要(yào)危害 （1）導緻電(diàn)力變壓器(qì)發熱(rè) 諧波導緻電(diàn)力變壓器(qì)發熱(rè)源于兩方面原因，其一(yī)是(shì)諧波電(di↕àn)流能(néng)增加變壓器(qì)的(de)銅損和(hé)漏磁損耗；其二是(shì)諧波電(dπiàn)壓能(néng)增加鐵(tiě)損。變壓器(qì)的(de)發熱(rè)程度直接影(yǐng)響了(le)變壓器(qì)使用(yòng)容量的(de)降低(d±ī)程度。
（2）導緻電(diàn)力電(diàn)纜發熱(rè) 在三相(xiàng)對(duì)稱回路(lù)中，三次諧波在三相(xiàng)導線中相(xiàng)位相(xiàng)同，在中性線上(shàng)疊加後産生(shēng)了(le)3倍于相(xiàng)線的(de)諧波電(diàn)流和(hé)諧波電(diàn)壓，導緻中性線溫度升高(gāo)。智能(néng)建築中大(dà)量的(de)OA設備及電(diàn)子(z→ǐ)式熒光(guāng)燈均使三次諧波在系統中的(de)占有(yǒu)率增大(dà)，因此諧波引起中性線發熱(rè)問(wèn)題值得(de)關注。當高(gā'o)頻(pín)電(diàn)流通(tōng)過導線時(shí)，電(diàn)流具有(yǒu)集膚效應，顯然高(gāo)次諧波電(diàn)流的(de)存在使線路(lù)集→膚效應加重，線路(lù)外(wài)表面電(diàn)流密度加大(dà)，從(cóng)而導緻線路(l™ù)（相(xiàng)線及中性線）發熱(rè)。
（3）導緻對(duì)電(diàn)子(zǐ)設備的(de)幹擾智能(néng)建築中自(zì)動化(huà)及電(diàn)子(zǐ)信息設備均要(yào)求有(y§ǒu)較高(gāo)的(de)電(diàn)源質量，且都(dōu)工(gōng)作(zuò)于低(dī)電(diàn)壓水(shuǐ)平，極易受到(dào)諧波的(de)幹擾而✘使控制(zhì)失常。控制(zhì)失常可(kě)能(néng)引發三A系統的(de)嚴重故障。
（4）導緻低(dī)壓配電(diàn)設備工(gōng)作(zuò)異常諧波畸變可(kě)使配電(diàn)用(yòng)低 (dī)壓電(diàn)器(qì)設備（斷路(lù)器(qì)、漏電(diàn)保護器(qì)、接觸器(qì)、熱(rè<)繼電(diàn)器(qì)等）發生(shēng)故障。諧波電(diàn)流使低(dī)壓電(diàn)器(qì)設備鐵(tiě)σ損、銅損增加，集膚效應加劇(jù)，從(cóng)而産生(shēng)異常發熱(rè)，誤動作(zuò)₩等故障。 5 諧波畸變的(de)防範措施 鑒于智能(néng)建築對(duì)三A系統運行(xíng)的(de)高(gāo)可(kě)靠性要(yào)求，應适當采取消除或抑制(zhì)諧波危害的(<de)防範措施如(rú)下(xià)：
（1）在根據負載确定電(diàn)力變壓器(qì)額定容量時(shí)，應考慮諧波畸變而留有(yǒu)格量。在民(mín)用(yòng)建築設計(jì)中一"(yī)般應保證變壓器(qì)負荷率為(wèi)70％～80％左右，該負荷率的(de)工(gōng)程裕量即可(kě)防範諧波引起的(de)變壓器(qì)發熱(r✔è)危害。
（2）在電(diàn)纜截面選擇中應考慮諧波引起線纜發熱(rè)的(de)危害。對(duì)于聯接諧波主Ω要(yào)擾動源設備的(de)配線，确定線纜載流量時(shí)應日(rì)有(yǒu)足夠裕量，可(kě)适當放(fàng)大(dà)一(yī)¶級選擇線纜截面。在三相(xiàng)四線制(zhì)系統中，應考慮三次諧波電(diàn)流和(hé)高(gāo)次諧波電(diàn)流引起的(de)集膚郊應對(duì)中✘性線的(de)發熱(rè)危害，即在中性線截面的(de)選擇中國(guó)有(yǒu)足夠裕量。
（3）在設計(jì)和(hé)施工(gōng)階段，建議(yì)采取以下(xià)措施抑制(zhì)諧波對(duì)電(diàn)子(zǐ)設備的(de)幹擾。①為(wèi)該類設備設計(j★ì)專用(yòng)回路(lù)供電(diàn)，盡可(kě)能(néng)避免幹擾沿供電(diàn)線路(lù™)竄入。②為(wèi)易受幹擾設備加裝線路(lù)濾波器(qì)，消除或抑制(zhì)諧波分(fēn)量，達到( dào)淨化(huà)電(diàn)源目的(de)。③使該類設備配線盡可(kě)能(néng)遠(yuǎn)離(lí)諧波電(diàn)流畸變嚴重的(de§)線路(lù)，以避免空(kōng)間(jiān)電(diàn)磁幹擾。
（4）智能(néng)建築中的(de)變頻(pín)傳動裝置（VFD）是(shì)主要(yào)的(de)諧波∑擾動源，建議(yì)采取以下(xià)措施抑制(zhì)其引發的(de)諧波畸變：①在變頻(pín)傳動裝置上(shà₽ng)加裝一(yī)直流申接扼流圈，其可(kě)等效為(wèi)在直流母線電(diàn)容器(qì)前濾波電(diàn)路(lù)中的©(de)一(yī)個(gè)電(diàn)感，它可(kě)降低(dī)流入電(diàn)容器(qì)的(de)線路(lù)電(diàn)流變化(huà)率（d i / d t），從(có©ng)而降低(dī)電(diàn)流峰值，改善輸入電(diàn)流波形如(rú)圖2所示。②在變頻(pí₩n)傳動裝置上(shàng)申接輸入電(diàn)抗器(qì)。該電(diàn)抗器(qì)可(kě)過濾高('gāo)頻(pín)幹擾，提高(gāo)防電(diàn)湧水(shuǐ)平和(hé)減少(shǎo)諧波。其輸入電<(diàn)流波形如(rú)圖3所示。其作(zuò)用(yòng)原理(lǐ)也(yě)是(shì)減緩流人(rén)傳動裝置電(diàn)容器(qì)電(↑diàn)流的(de)d i / d t，從(cóng)而降低(dī)了(le)電(diàn)流的(de)畸變水(shu¥ǐ)平。電(diàn)抗器(qì)按通(tōng)過全電(diàn)流時(shí)的(de)電(diàn)壓降标定，其常用(yòng)值為(wèi)3％～5％，一(yī)個✔(gè)3％的(de)輸入電(diàn)抗器(qì)可(kě)降低(dī)40％～60％的(de)電(diàn)流畸變。在廠(chǎng)家(jiā)提供的(d☆e)産品樣本中，常列出輸入電(diàn)抗器(qì)供設計(jì)選用(yòng)。③某些(xiē)VFD産品利用(yòng)兩台并聯的(de)6脈沖整流器(qì)（12≥脈沖整流器(qì)）通(tōng)過相(xiàng)位變換有(yǒu)效地(dì)消除諧波。一(yī)般是(shì)用(yòng)特别設計(jì)的(de)12脈沖變壓器(q≠ì)來(lái)實現(xiàn)電(diàn)源的(de)相(xiàng)位變換，其輸入電(diàn)流波形如(rú)圖略所示，該措施能(n>éng)降低(dī)90％的(de)電(diàn)流畸變水(shuǐ)平。 
圖2帶直流串接扼流目的(de)VFD輸入電(diàn)流波形 
圖3 帶輸入電(diàn)抗器(qì)的(de)VFD輸入電(diàn)流波形 
圖4 具有(yǒu)12脈沖整流器(qì)的(de)VFD輸入電(diàn)流波 （5）為(wèi)克服諧波畸變引起的(de)低(dī)壓開(kāi)關設備的(de)發熱(rè)和(hé)誤動作(zuò)，建議(yì)按以下(xià)原則選擇低(dī)壓←配電(diàn)設備：熱(rè)磁型、電(diàn)子(zǐ)型配電(diàn)用(yòng)斷路(lù)器(qì)應适當降低(dī)額定電(dià₹n)流使用(yòng)；漏電(diàn)保護器(qì)除應适當降低(dī)額定電(diàn)流使用(yòng)外(wài)，尚應←在選定額定電(diàn)流靈敏度時(shí)考慮諧波的(de)洩漏電(diàn)流；接觸器(qì)、熱(rè)繼電(diàn)器(qì)應适當降低(dī)額定電(diàn)流使用(y♠òng)；在諧波畸變較嚴重的(de)配電(diàn)回路(lù)中可(kě)放(fàng)大(dà)一(yī)級選擇低(dī)壓配電(diàn)設備。 6 結束語 智能(néng)建築三A系統中存在尤其大(dà)量産生(shēng)諧波擾動的(de)設備，在設計(jì)中應針對(duì)産生(∑shēng)諧波擾動的(de)設備特點，采取适當的(de)防範措施，這(zhè)對(duì)消除諧波故障隐患是(shì)非常必要(yào)的(de)♥。 摘自(zì)《電(diàn)工(gōng)技(jì)術(shù)雜(zá)志(zhì)》2002年(nián)第1期 |