民用建筑电气系统设计中谐波的危害和治理措施

摘 要：电气系统运行中产生的谐波对电力电子设备有着不同程度的危害，采取合理有效的措施对谐波进行综合处理有着积极的意义。本文说明了谐波的基本概念和谐波产生的原因，分析了谐波对民用建筑电气系统的影响，较为详尽地给出了民用建筑电气设计中的谐波抑制方法。

关键词：民用建筑；电气系统；谐波；危害；治理措施

0 引言

在现代民用建筑电气系统中，谐波产生的原因大部分是因为电气系统中存在的非线性负荷而导致的。谐波会对一些电力电子设备和通信系统产生不同程度的危害。在民用建筑电气中，谐波问题也越来越引起人们的重视。考虑到谐波的危害严重，所以我们有必要采取适当的措施来对谐波进行治理。下面就此进行讨论分析。

1 谐波的基本概念及产生原因

1.1 谐波的定义

在电气系统中，理论上的电压和电流波形应是工频下的正弦波，但由于系统中总存在着一定量的非线性负荷，使得实际的波形总有不同程度的非正弦畸变。

从数学的角度分析，任何周期波形都可以被展开为傅里叶级数，因此，对于周期T=2π/ω的非正弦电压μ（t）或电流i（t），在满足狄里赫利条件下可以展开成如下形式的傅里叶级数，即

式中，c1sin（ωt+θ1）为基波分量；cnsin（nωt+θn）为第n次谐波分量。可以看出，所谓谐波就是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍，这也是国际上公认的谐波定义。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，因此通常又被称为高次谐波。虽然在实际的电网中还存在一些频率小于基波频率整数倍的正弦分量，但主要研究的还是电网中存在的整数次谐波。

1.2 谐波产生的原因

电气系统中谐波产生的原因主要和以下两方面有关：

（1）电源本身以及输配电系统产生的谐波

在输配电系统中主要是变压器产生谐波，变压器在饱和状态下就成为了谐波源。由于其铁心饱和时，磁化曲线呈非线性，相当于非线性器件，饱和程度越深波形畸变也就越严重，再加上设计时出于经济性考虑，使磁性材料工作在磁化曲线的近饱和区段，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。

（2）用电设备产生的谐波

当电网中接入非线性负荷时，即使所加电压为正弦电压，电流流经非线性负荷之后，就形成了非正弦电流，也就产生了谐波，另外还会使得其他并联在电网中的线性负荷线路中也产生谐波。非线性负荷是电网主要的谐波源。

2 谐波对民用建筑电气系统的影响

2.1 主要谐波源

2.1.1 发电机和变压器

如前所述，民用建筑供配电系统中的发电机和变压器会产生一定的谐波。

2.1.2 电动机

民用建筑中的空调系统、给排水系统和电梯系统中使用着大量的电动机，如果电动机的定子或者转子线槽中存在少许不对称或三相绕组的缠绕方式有些不规则就会产生谐波电流。这些谐波会在频率等于速比的定子上产生一个电动势，由此引起的谐波为速度的函数。另外，磁心饱和也将产生谐波电流。

2.1.3 气体放电类光源

近年来，民用建筑照明中使用的主要光源是荧光灯、紧凑型节能灯与金属卤化物灯，它们的效率比白炽灯高许多。但白炽灯是线性负荷，而荧光灯、紧凑型节能灯和金属卤化物灯等气体放电类光源，通过它们的的伏安特性可以看出其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。

2.2 谐波产生的危害

2.2.1 增加变压器损耗

通常，谐波损耗来源于变压器线圈中越来越多的热量耗散和趋肤效应（两者均为电流有效值的二次方的函数）以及铜耗（包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗）和铁耗（铁心中的磁滞损耗）。

2.2.2 缩短电动机寿命

与变压器类似，电动机也会因为谐波而引起附加损耗和产生热效应。

因为导线的有效电阻是随着频率的增大而增大的，所以在有效值相同的前提下，绕组导线上含有大量的谐波电流要比正弦波形的电流产生的热量多，这种热效应严重时使电动机过热，缩短寿命。

2.2.3 导致导线耗费及中性线电流增大

对于电力系统中大量存在的电力电缆，谐波对其影响表现在以下两个方面：（1）交流电的趋肤效应。（2）中性线电流增大的问题。

3 民用建筑电气设计中的谐波抑制方法

3.1 谐波的限制标准

GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》是现行电力谐波监督管理的国家标准，该标准中规定了公用电网谐波的允许值及其测试方法，其中包括公用电网谐波电压（相电压）限值及注入公共连接点的谐波电流限值。在民用建筑领域内，JGJ/T16-2008《民用建筑电气设计规范》第22.3节"供配电系统的谐波防治"中也明确了对民用建筑电能质量的要求（与《电能质量公用电网谐波》要求相同）以及供配电系统谐波治理的规定。

3.2 谐波的抑制措施

（1）合理选择变压器

为了抑制谐波，通常选用三角形/星形（D/yn11）接法的配电变压器，并对变压器容量留有一定裕量。因为对于三角形/星形（D/Y）接法，由二次侧负载产生的3次及其倍数次谐波会在Dyn11接线组别变压器的一次侧形成绕组内环流，故可有效地防止此类谐波经变压器传入一次侧的电网中。

（2）合理配置供电回路

JGJ/T16-2008《民用建筑电气设计规范》第10.7.3条规定：三相照明线路各相负荷的分配宜保持平衡，最大相负荷电流不宜超过三相负荷平均值的115%，最小相负荷电流不宜小于三相负荷平均值的85%。

（3）合理布线

合理的线路走向也可以减小存在谐波的线路对其他线路的干扰，《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-2008第9.6.7条规定：调光回路应选用金属导管、槽敷设，并不宜与电声等电信线路平行敷设。当调光回路与电信线路平行敷设时，其间距应大于1m；当垂直交叉时，间距应大于0.5m。

（4）选择适宜的导体截面积

因谐波电流使电力电缆发热而影响其载流量，JGJ/T16-2008《民用建筑电气设计规范》7.4.4条3规定：当线路中存在高次谐波时，在选择导体截面积时应对载流量加以校正。因3N次谐波电流使导体中性线电流严重增大，所以放大导体中性线截面积可有效避免对电缆的损害。

（5）电容器回路中串联电抗器

由于电抗器对高次谐波有很强的抑制作用，一个感抗值较小的电抗器就能有效地消除高次谐波，减少高次谐波对电力电容器的危害以及电容器对高次谐波的放大作用；而由于感抗值较小，又不会消耗过多的无功功率。

（6）装设滤波装置

在非线性负荷附近装设滤波装置对已产生的谐波进行抑制，是目前抑制谐波直接有效的方法。滤波装置分为无源滤波装置和有源滤波装置。无源滤波是根据非线性负荷的谐波情况，由并联电容器、电抗器和电阻器经适当参数组合，构成若干滤波支路与谐波源并联运行，这些支路在谐波情况下，分别呈现很低的阻抗，将谐波电流短路，对工频而言则均为容性阻抗，起无功功率补偿作用，无源滤波实际上是对谐波在频域上进行处理的一种方法。

4 结语

总的来说，民用建筑中电气系统的谐波问题已经收到了人们的高度重视，随着科学技术的发展，人们对谐波有了更进一步的研究，人们将会更加深入全面的认识谐波，以此来找到更有效的抑制和治理谐波的方法。与谐波相关技术正在不断发展当中，电力电子技术的发展将会为抑制和治理谐波提供更有效的手段。

参考文献

[1] 宋海英 周日红.民用建筑电气中谐波污染及治理方法浅析[J].科技视界，2012年04期.

[2] 林卿生.电气化铁道供电系统谐波检测及治理的研究[M].南昌大学，2009年.

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