摘要：著重分析了智能建筑中引發諧波畸變的各類擾動源，并針對諧波畸變的危害，提出相應的防范措施。

　　關鍵詞：2015年報刊征文,智能建筑,諧波畸變,擾動源

　　1 引言

　　智能建筑三A系統(設備自動化系統、辦公自動化系統、通信自動化系統)中大量自動化設備需要高質量的電源，但同時其中相當數量的設備由于具有非線性負載特性，又是引發諧波畸變的擾動源。因此分析引發諧波畸變的各類擾動源，并針對諧波畸變的危害，提出相應的防范措施，對智能建筑中三A系統的安全運行具有重要意義。

　　2 諧波分析依據

　　國際電工委員會(IEC)在文獻[1]中制定了單次諧波電壓的兼容水平，即最大容許值。當各次諧波電壓低于文獻[1]規定的限值時，總的諧波電壓畸變不超過8%。該規定兼顧了供電系統與制造商的共同利益。

　　在GB/T14549-93標準中規定：380V電網中各奇次諧波電壓含有率限值為4%，各偶次諧波電壓含有率限值為2%。總的諧波電壓畸變率允許值為5%。以上均指相電壓。

　　GB50174-93(電子計算機房設計規范)在電源質量分級中對諧波電壓畸變率提出明確限值。計算機房電源質量劃分為A、B、C三級，允許諧波電壓畸變率限值A級為3%～5%，B級為5%～8%，C級為8%～ 10%。筆者認為智能建筑中其他自動化設備對電源質量的要求均可參考此規定限值。

　　總諧波畸變率THD是以基波為準的一個比值，用百分數表示，分為總電壓諧波畸變率和總電流諧波畸變率。總電流諧波畸變率計算公式如下：

　　諧波電流畸變能對電壓畸變產生很大影響，因此采取降低各類電氣及電子設備的諧波電流至允許值，來滿足低壓配電網的兼容水平是行之有效的手段。在分析諧波電流時，應注意多臺設備產生的諧波電流具有一定規則的疊加性，也應考慮并非所有產生諧波的設備同時處于工作狀態。

　　依據上述有關標準，在國內標準對智能建筑低壓配電網總諧波電壓畸變率限值尚無明確規定時，筆者認為可考慮將電源系統的總諧波電壓畸變率限制在5%以下。若超過5%應適當采取防范措施，以保證智能建筑三A系統的安全運行。

　　3 智能建筑內主要請波擾動源

　　智能建筑中具有一定非線性負載特性的設備是產生諧波畸變的主要擾動源，可歸納為以下幾類：①照明系統中的照明鎮流器、調光設備(相位角控制器)。②計算機、復印機、打印機等辦公自動化設備。③UPS不間斷電源及開關電源。④電梯、空調等動力設備中普遍應用的變頻傳動裝置(VFD)。⑤其他具有一定非線性負載特性的電子控制設備。

　　以上①、②類設備具有數量大、多臺型號規格相同、負載特性相同的特點，其中同種設備產生的諧波電流大致線性疊加，如個人計算機電流偕波畸變率可達75%，此類設備對總諧波畸變率的影響不容忽視;③類擾動源UPS不間斷電源及開關電源屬于非線性負荷，在它們的交流輸入倒有大量諧波電流反饋至低壓配電網，使電網遭受污染;④類擾動源變頻傳動裝置(VFD)產生的諧波可使輸入電流波形嚴重畸變，如圖1所示。此類設備(未采取防范措施時產生的諧波畸變對總諧波畸變率影響較大。

　　圖1變頻傳動裝置輸入電流波形

　　電網輸入上述設備的波形是正弦波，但由于該類設備自身是諧波發生源，從而導致設備輸入波形畸變。

　　4 諧波畸變產生的主要危害

　　(1)導致電力變壓器發熱 諧波導致電力變壓器發熱源于兩方面原因，其一是諧波電流能增加變壓器的銅損和漏磁損耗;其二是諧波電壓能增加鐵損。變壓器的發熱程度直接影響了變壓器使用容量的降低程度。

　　(2)導致電力電纜發熱 在三相對稱回路中，三次諧波在三相導線中相位相同，在中性線上疊加后產生了3倍于相線的諧波電流和諧波電壓，導致中性線溫度升高。智能建筑中大量的OA設備及電子式熒光燈均使三次諧波在系統中的占有率增大，因此諧波引起中性線發熱問題值得關注。當高頻電流通過導線時，電流具有集膚效應，顯然高次諧波電流的存在使線路集膚效應加重，線路外表面電流密度加大，從而導致線路(相線及中性線)發熱。

　　(3)導致對電子設備的干擾智能建筑中自動化及電子信息設備均要求有較高的電源質量，且都工作于低電壓水平，極易受到諧波的干擾而使控制失常。控制失常可能引發三A系統的嚴重故障。

　　(4)導致低壓配電設備工作異常諧波畸變可使配電用低壓電器設備(斷路器、漏電保護器、接觸器、熱繼電器等)發生故障。諧波電流使低壓電器設備鐵損、銅損增加，集膚效應加劇，從而產生異常發熱，誤動作等故障。

　　5 諧波畸變的防范措施

　　鑒于智能建筑對三A系統運行的高可靠性要求，應適當采取消除或抑制諧波危害的防范措施如下：

　　(1)在根據負載確定電力變壓器額定容量時，應考慮諧波畸變而留有格量。在民用建筑設計中一般應保證變壓器負荷率為70%～80%左右，該負荷率的工程裕量即可防范諧波引起的變壓器發熱危害。

　　(2)在電纜截面選擇中應考慮諧波引起線纜發熱的危害。對于聯接諧波主要擾動源設備的配線，確定線纜載流量時應日有足夠裕量，可適當放大一級選擇線纜截面。在三相四線制系統中，應考慮三次諧波電流和高次諧波電流引起的集膚郊應對中性線的發熱危害，即在中性線截面的選擇中國有足夠裕量。

　　(3)在設計和施工階段，建議采取以下措施抑制諧波對電子設備的干擾。①為該類設備設計專用回路供電，盡可能避免干擾沿供電線路竄入。②為易受干擾設備加裝線路濾波器，消除或抑制諧波分量，達到凈化電源目的。③使該類設備配線盡可能遠離諧波電流畸變嚴重的線路，以避免空間電磁干擾。

　　(4)智能建筑中的變頻傳動裝置(VFD)是主要的諧波擾動源，建議采取以下措施抑制其引發的諧波畸變：①在變頻傳動裝置上加裝一直流申接扼流圈，其可等效為在直流母線電容器前濾波電路中的一個電感，它可降低流入電容器的線路電流變化率(d i / d t)，從而降低電流峰值，改善輸入電流波形如圖2所示。②在變頻傳動裝置上申接輸入電抗器。該電抗器可過濾高頻干擾，提高防電涌水平和減少諧波。其輸入電流波形如圖3所示。其作用原理也是減緩流人傳動裝置電容器電流的d i / d t，從而降低了電流的畸變水平。電抗器按通過全電流時的電壓降標定，其常用值為3%～5%，一個3%的輸入電抗器可降低40%～60%的電流畸變。在廠家提供的產品樣本中，常列出輸入電抗器供設計選用。③某些VFD產品利用兩臺并聯的6脈沖整流器(12脈沖整流器)通過相位變換有效地消除諧波。一般是用特別設計的12脈沖變壓器來實現電源的相位變換，其輸入電流波形如圖略所示，該措施能降低90%的電流畸變水平。

　　圖2帶直流串接扼流目的VFD輸入電流波形

　　圖3 帶輸入電抗器的VFD輸入電流波形

　　圖4 具有12脈沖整流器的VFD輸入電流波

　　(5)為克服諧波畸變引起的低壓開關設備的發熱和誤動作，建議按以下原則選擇低壓配電設備：熱磁型、電子型配電用斷路器應適當降低額定電流使用;漏電保護器除應適當降低額定電流使用外，尚應在選定額定電流靈敏度時考慮諧波的泄漏電流;接觸器、熱繼電器應適當降低額定電流使用;在諧波畸變較嚴重的配電回路中可放大一級選擇低壓配電設備。

　　6 結束語

　　智能建筑三A系統中存在尤其大量產生諧波擾動的設備，在設計中應針對產生諧波擾動的設備特點，采取適當的防范措施，這對消除諧波故障隱患是非常必要的。