智能建筑谐波畸变及其防范

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1、引言

智能建筑三A系统（设备自动化系统、办公自动化系统、通信自动化系统）中大量自动化设备需要高质量的电源，但同时其中相当数量的设备由于具有非线性负载特性，又是引发谐波畸变的扰动源。因此分析引发谐波畸变的各类扰动源，并针对谐波畸变的危害，提出相应的防范措施，对智能建筑中三A系统的安全运行具有重要意义。

2、谐波分析

依据国际电工委员会（IEC）在文献［1］中制定了单次谐波电压的兼容水平，即最大容许值。当各次谐波电压低于文献［1］规定的限值时，总的谐波电压畸变不超过8％。该规定兼顾了供电系统与制造商的共同利益。

在GB／T14549-93标准中规定：380V电网中各奇次谐波电压含有率限值为4％，各偶次谐波电压含有率限值为2％。总的谐波电压畸变率允许值为5％。以上均指相电压。

GB50174-93（电子计算机房设计规范）在电源质量分级中对谐波电压畸变率提出明确限值。计算机房电源质量划分为A、B、C三级，允许谐波电压畸变率限值A级为3％～5％，B级为5％～8％，C级为8％～10％。笔者认为智能建筑中其他自动化设备对电源质量的要求均可参考此规定限值。

总谐波畸变率THD是以基波为准的一个比值，用百分数表示，分为总电压谐波畸变率和总电流谐波畸变率。总电流谐波畸变率计算公式如下：

谐波电流畸变能对电压畸变产生很大影响，因此采取降低各类电气及电子设备的谐波电流至允许值，来满足低压配电网的兼容水平是行之有效的手段。在分析谐波电流时，应注意多台设备产生的谐波电流具有一定规则的叠加性，也应考虑并非所有产生谐波的设备同时处于工作状态。

依据上述有关标准，在国内标准对智能建筑低压配电网总谐波电压畸变率限值尚无明确规定时，笔者认为可考虑将电源系统的总谐波电压畸变率限制在5％以下。若超过5％应适当采取防范措施，以保证智能建筑三A系统的安全运行。

3、智能建筑内容

主要请波扰动源智能建筑中具有一定非线性负载特性的设备是产生谐波畸变的主要扰动源，可归纳为以下几类：①照明系统中的照明镇流器、调光设备（相位角控制器）。②计算机、复印机、打印机等办公自动化设备。③UPS不间断电源及开关电源。④电梯、空调等动力设备中普遍应用的变频传动装置（VFD）。⑤其他具有一定非线性负载特性的电子控制设备。

以上①、②类设备具有数量大、多台型号规格相同、负载特性相同的特点，其中同种设备产生的谐波电流大致线性叠加，如个人计算机电流偕波畸变率可达75％，此类设备对总谐波畸变率的影响不容忽视；③类扰动源UPS不间断电源及开关电源属于非线性负荷，在它们的交流输入也有大量谐波电流反馈至低压配电网，使电网遭受污染；④类扰动源变频传动装置（VFD）产生的谐波可使输入电流波形严重畸变。此类设备（未采取防范措施时产生的谐波畸变对总谐波畸变率影响较大。

电网输入上述设备的波形是正弦波，但由于该类设备自身是谐波发生源，从而导致设备输入波形畸变。

4、谐波畸变产生的主要危害

（1）导致电力变压器发热谐波导致电力变压器发热源于两方面原因，其一是谐波电流能增加变压器的铜损和漏磁损耗；其二是谐波电压能增加铁损。变压器的发热程度直接影响了变压器使用容量的降低程度。

（2）导致电力电缆发热在三相对称回路中，三次谐波在三相导线中相位相同，在中性线上叠加后产生了3倍于相线的谐波电流和谐波电压，导致中性线温度升高。智能建筑中大量的OA设备及电子式荧光灯均使三次谐波在系统中的占有率增大，因此谐波引起中性线发热问题值得关注。当高频电流通过导线时，电流具有集肤效应，显然高次谐波电流的存在使线路集肤效应加重，线路外表面电流密度加大，从而导致线路（相线及中性线）发热。

（3）导致对电子设备的干扰智能建筑中自动化及电子信息设备均要求有较高的电源质量，且都工作于低电压水平，极易受到谐波的干扰而使控制失常。控制失常可能引发三A系统的严重故障。

（4）导致低压配电设备工作异常谐波畸变可使配电用低压电器设备（断路器、漏电保护器、接触器、热继电器等）发生故障。谐波电流使低压电器设备铁损、铜损增加，集肤效应加剧，从而产生异常发热，误动作等故障。

5、谐波畸变的防范措施

鉴于智能建筑对三A系统运行的高可靠性要求，应适当采取消除或抑制谐波危害的防范措施如下：

（1）在根据负载确定电力变压器额定容量时，应考虑谐波畸变而留有格量。在民用建筑设计中一般应保证变压器负荷率为70％～80％左右，该负荷率的工程裕量即可防范谐波引起的变压器发热危害。

（2）在电缆截面选择中应考虑谐波引起线缆发热的危害。对于联接谐波主要扰动源设备的配线，确定线缆载流量时应日有足够裕量，可适当放大一级选择线缆截面。在三相四线制系统中，应考虑三次谐波电流和高次谐波电流引起的集肤郊应对中性线的发热危害，即在中性线截面的选择中应有足够裕量。

（3）在设计和施工阶段，建议采取以下措施抑制谐波对电子设备的干扰。

①为该类设备设计专用回路供电，尽可能避免干扰沿供电线路窜入。

②为易受干扰设备加装线路滤波器，消除或抑制谐波分量，达到净化电源目的。

③使该类设备配线尽可能远离谐波电流畸变严重的线路，以避免空间电磁干扰。

（4）智能建筑中的变频传动装置（VFD）是主要的谐波扰动源，建议采取以下措施抑制其引发的谐波畸变：

①在变频传动装置上加装一直流申接扼流圈，其可等效为在直流母线电容器前滤波电路中的一个电感，它可降低流入电容器的线路电流变化率（d i / d t），从而降低电流峰值。

②在变频传动装置上申接输入电抗器。该电抗器可过滤高频干扰，提高防电涌水平和减少谐波。其作用原理也是减缓流人传动装置电容器电流的d i / d t，从而降低了电流的畸变水平。电抗器按通过全电流时的电压降标定，其常用值为3％～5％，一个3％的输入电抗器可降低40％～60％的电流畸变。在厂家提供的产品样本中，常列出输入电抗器供设计选用。

③某些VFD产品利用两台并联的6脉冲整流器（12脉冲整流器）通过相位变换有效地消除谐波。一般是用特别设计的12脉冲变压器来实现电源的相位变换，该措施能降低90％的电流畸变水平。

（5）为克服谐波畸变引起的低压开关设备的发热和误动作，建议按以下原则选择低压配电设备：热磁型、电子型配电用断路器应适当降低额定电流使用；漏电保护器除应适当降低额定电流使用外，尚应在选定额定电流灵敏度时考虑谐波的泄漏电流；接触器、热继电器应适当降低额定电流使用；在谐波畸变较严重的配电回路中可放大一级选择低压配电设备。

6、结束语

智能建筑三A系统中存在尤其大量产生谐波扰动的设备，在设计中应针对产生谐波扰动的设备特点，采取适当的防范措施，这对消除谐波故障隐患是非常必要的。