智能建筑諧波畸變及其防范

1、智能建筑諧波畸變及其防范摘 要著重分析了智能建筑中引發(fā)諧波畸變的各類擾動(dòng)源，并針對(duì)諧波畸變的危害，提出相應(yīng)的防范措施。關(guān)鍵詞 智能建筑 諧波畸變1 引言智能建筑三A系統(tǒng)（設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、通信自動(dòng)化系統(tǒng)）中大量自動(dòng)化設(shè)備需要高質(zhì)量的電源，但同時(shí)其中相當(dāng)數(shù)量的設(shè)備由于具有非線性負(fù)載特性，又是引發(fā)諧波畸變的擾動(dòng)源。因此分析引發(fā)諧波畸變的各類擾動(dòng)源，并針對(duì)諧波畸變的危害，提出相應(yīng)的防范措施，對(duì)智能建筑中三A系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。2 諧波分析依據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在文獻(xiàn)1中制定了單次諧波電壓的兼容水平，即最大容許值。當(dāng)各次諧波電壓低于文獻(xiàn)1規(guī)定的限值時(shí)，總的諧波電壓畸變不超過(guò)

2、8。該規(guī)定兼顧了供電系統(tǒng)與制造商的共同利益。在GBT14549-93標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：380V電網(wǎng)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?？偟闹C波電壓畸變率允許值為5。以上均指相電壓。 GB50174-93（電子計(jì)算機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范）在電源質(zhì)量分級(jí)中對(duì)諧波電壓畸變率提出明確限值。計(jì)算機(jī)房電源質(zhì)量劃分為A、B、C三級(jí)，允許諧波電壓畸變率限值A(chǔ)級(jí)為35，B級(jí)為58，C級(jí)為8 10。筆者認(rèn)為智能建筑中其他自動(dòng)化設(shè)備對(duì)電源質(zhì)量的要求均可參考此規(guī)定限值。總諧波畸變率THD是以基波為準(zhǔn)的一個(gè)比值，用百分?jǐn)?shù)表示，分為總電壓諧波畸變率和總電流諧波畸變率?？傠娏髦C波畸變率計(jì)算公式如下：諧波電流畸變能

3、對(duì)電壓畸變產(chǎn)生很大影響，因此采取降低各類電氣及電子設(shè)備的諧波電流至允許值，來(lái)滿足低壓配電網(wǎng)的兼容水平是行之有效的手段。在分析諧波電流時(shí)，應(yīng)注意多臺(tái)設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流具有一定規(guī)則的疊加性，也應(yīng)考慮并非所有產(chǎn)生諧波的設(shè)備同時(shí)處于工作狀態(tài)。依據(jù)上述有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智能建筑低壓配電網(wǎng)總諧波電壓畸變率限值尚無(wú)明確規(guī)定時(shí)，筆者認(rèn)為可考慮將電源系統(tǒng)的總諧波電壓畸變率限制在5以下。若超過(guò)5應(yīng)適當(dāng)采取防范措施，以保證智能建筑三A系統(tǒng)的安全運(yùn)行。3 智能建筑內(nèi)主要請(qǐng)波擾動(dòng)源智能建筑中具有一定非線性負(fù)載特性的設(shè)備是產(chǎn)生諧波畸變的主要擾動(dòng)源，可歸納為以下幾類：照明系統(tǒng)中的照明鎮(zhèn)流器、調(diào)光設(shè)備（相位角控制器）。計(jì)

4、算機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備。UPS不間斷電源及開關(guān)電源。電梯、空調(diào)等動(dòng)力設(shè)備中普遍應(yīng)用的變頻傳動(dòng)裝置（VFD）。其他具有一定非線性負(fù)載特性的電子控制設(shè)備。 以上、類設(shè)備具有數(shù)量大、多臺(tái)型號(hào)規(guī)格相同、負(fù)載特性相同的特點(diǎn)，其中同種設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流大致線性疊加，如個(gè)人計(jì)算機(jī)電流偕波畸變率可達(dá)75，此類設(shè)備對(duì)總諧波畸變率的影響不容忽視；類擾動(dòng)源UPS不間斷電源及開關(guān)電源屬于非線性負(fù)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(wǎng)，使電網(wǎng)遭受污染；類擾動(dòng)源變頻傳動(dòng)裝置（VFD）產(chǎn)生的諧波可使輸入電流波形嚴(yán)重畸變，如圖1所示。此類設(shè)備（未采取防范措施時(shí)產(chǎn)生的諧波畸變對(duì)總諧波畸變率影響較大。

5、圖1變頻傳動(dòng)裝置輸入電流波形電網(wǎng)輸入上述設(shè)備的波形是正弦波，但由于該類設(shè)備自身是諧波發(fā)生源，從而導(dǎo)致設(shè)備輸入波形畸變。4 諧波畸變產(chǎn)生的主要危害（1）導(dǎo)致電力變壓器發(fā)熱諧波導(dǎo)致電力變壓器發(fā)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(fā)熱程度直接影響了變壓器使用容量的降低程度。（2）導(dǎo)致電力電纜發(fā)熱在三相對(duì)稱回路中，三次諧波在三相導(dǎo)線中相位相同，在中性線上疊加后產(chǎn)生了3倍于相線的諧波電流和諧波電壓，導(dǎo)致中性線溫度升高。智能建筑中大量的OA設(shè)備及電子式熒光燈均使三次諧波在系統(tǒng)中的占有率增大，因此諧波引起中性線發(fā)熱問(wèn)題值得關(guān)注。當(dāng)高頻電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)

6、，電流具有集膚效應(yīng)，顯然高次諧波電流的存在使線路集膚效應(yīng)加重，線路外表面電流密度加大，從而導(dǎo)致線路（相線及中性線）發(fā)熱。（3）導(dǎo)致對(duì)電子設(shè)備的干擾智能建筑中自動(dòng)化及電子信息設(shè)備均要求有較高的電源質(zhì)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?？刂剖С？赡芤l(fā)三A系統(tǒng)的嚴(yán)重故障。（4）導(dǎo)致低壓配電設(shè)備工作異常諧波畸變可使配電用低壓電器設(shè)備（斷路器、漏電保護(hù)器、接觸器、熱繼電器等）發(fā)生故障。諧波電流使低壓電器設(shè)備鐵損、銅損增加，集膚效應(yīng)加劇，從而產(chǎn)生異常發(fā)熱，誤動(dòng)作等故障。5 諧波畸變的防范措施鑒于智能建筑對(duì)三A系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性要求，應(yīng)適當(dāng)采取消除或抑制諧波危害的防范措施如下：（1）

7、在根據(jù)負(fù)載確定電力變壓器額定容量時(shí)，應(yīng)考慮諧波畸變而留有格量。在民用建筑設(shè)計(jì)中一般應(yīng)保證變壓器負(fù)荷率為7080左右，該負(fù)荷率的工程裕量即可防范諧波引起的變壓器發(fā)熱危害。（2）在電纜截面選擇中應(yīng)考慮諧波引起線纜發(fā)熱的危害。對(duì)于聯(lián)接諧波主要擾動(dòng)源設(shè)備的配線，確定線纜載流量時(shí)應(yīng)日有足夠裕量，可適當(dāng)放大一級(jí)選擇線纜截面。在三相四線制系統(tǒng)中，應(yīng)考慮三次諧波電流和高次諧波電流引起的集膚郊應(yīng)對(duì)中性線的發(fā)熱危害，即在中性線截面的選擇中國(guó)有足夠裕量。（3）在設(shè)計(jì)和施工階段，建議采取以下措施抑制諧波對(duì)電子設(shè)備的干擾。為該類設(shè)備設(shè)計(jì)專用回路供電，盡可能避免干擾沿供電線路竄入。為易受干擾設(shè)備加裝線路濾波器，消除或抑制

8、諧波分量，達(dá)到凈化電源目的。使該類設(shè)備配線盡可能遠(yuǎn)離諧波電流畸變嚴(yán)重的線路，以避免空間電磁干擾。（4）智能建筑中的變頻傳動(dòng)裝置（VFD）是主要的諧波擾動(dòng)源，建議采取以下措施抑制其引發(fā)的諧波畸變：在變頻傳動(dòng)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(gè)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。在變頻傳動(dòng)裝置上申接輸入電抗器。該電抗器可過(guò)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(dòng)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(guò)全電流

9、時(shí)的電壓降標(biāo)定，其常用值為35，一個(gè)3的輸入電抗器可降低4060的電流畸變。在廠家提供的產(chǎn)品樣本中，常列出輸入電抗器供設(shè)計(jì)選用。某些VFD產(chǎn)品利用兩臺(tái)并聯(lián)的6脈沖整流器（12脈沖整流器）通過(guò)相位變換有效地消除諧波。一般是用特別設(shè)計(jì)的12脈沖變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)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(guān)設(shè)備的發(fā)熱和誤動(dòng)作，建議按以下原則選擇低壓配電設(shè)備：熱磁型、電子型配電用斷路器應(yīng)適當(dāng)降低額定電流使用；漏電保護(hù)器除應(yīng)適當(dāng)降低額定電流使用外，尚應(yīng)在選定額