建筑物内电子设备谐波问题的探讨

导读

建筑物内的电子元件和设备已成为低压电网中不可忽视的谐波源。本文根据几组检测数据，对常用的电子设备和元件的谐波及其影响进行了分析，提出相应的对策。 

随着小区和建筑楼宇智能化的兴起和信息处理技术的普及，电子计算机、彩色电视机和电子节能照明光源等电子设备和元件已广泛进入到我们的学习、工作、生活中。这些元件和设备属于非线性负载，在大量集中使用的建筑物或居民小区中，其非线性产生的谐波电流，如果不加以抑制，会使低压电网的电压电流波形产生畸变，影响电能质量。

一、电子设备的谐波现象及原因

电子设备的电源一般是整流电源，只在交流电压接近峰值时，整流管才导通有输入电流。由于在一周期内导通的时间很短，又必须维持设备正常的工作电流，所以输入电流呈脉冲状。这种脉冲状输入电流的基波含量小，而谐波含量大，且工作电流越大，脉冲电流的幅值就越大，形成严重的畸变电流注入低压电网，成为不可忽视的谐波源。

电子计算机和电视机的谐波电流含量大，谐波电流总畸变率高。这样高含量的负载谐波电流在负荷使用高峰期注入低压电网，会造成电网电压和电流总谐波畸变率升高，对电能质量产生影响，如果很过国标规定的限值，还可能造成危害。

据有关资料，在家用电器（主要是电视机）集中使用的居民小区，对低压电网的电压质量有明显的影响。在负荷高峰时，电压的总畸变率和3次、5次谐波均已达到或很过国标规定的限值，而且还有进一步增加的趋势。

二、谐波对电力系统设备的影响

电网谐波使电网波形受到污染，供电质量恶化，附加损失增加，传输能力下降，是电网的公害。其对系统和设备的影响主要表现在几方面。

1．对变压器和电动机，谐波电压使铁芯涡流损耗增加，谐波电流使铜损增加，温度上升，缘加速老化，降低了效率和利用率，缩短使用寿命。目前为了抑制3次谐波，常用Dyn11接线的变压器，使3次谐波在三角形连接绕组中形成环流，尽量不注入电网。但应注意，当谐波含量较大时，这些环流也可能引起变压器绕组过热。

2．在谐波电压作用下，电容器会产生额外的功率损耗，加快缘介质的老化。更为严重的是，大量谐波电流很可能引发电容器和系统其他元件之间的并联谐振或串联谐振，造成对某次谐波电流的放大和谐波电压的增高。这种危险的谐波过电压和过电流，不仅会使电容器很载而损坏，也会使与电容器联接的配电回路中所有线路、设备因电压闪变很压过负荷而损坏。据统计，70％以上的谐波故障发生在电容器装置上。

3．对电力电缆和配电线路，谐波电流频率增高引起明显的集肤效应，导线电阻增大，线损加大，发热增加，缘过早老化，容易发生接地短路故障，形成潜在的旺灾隐患。同时，3次谐波使三相平衡负荷的N线电流显著增加。在配电回路负荷主要是大量集中使用电子计算机和大面积采用电子节能气体光源照明的场合，N线电流甚至达到相线电流的两倍，致使N线过热、烧毁，甚至导致旺灾。

4．配电回路的谐波电流含量高会使断路器遮断能力降低。这是因为畸变电流过少点时，电弧电流随时间的变化率要比工频正弦电流大，电弧电压的恢复要迅速得多，使电弧容易重燃。事实表明，空气电磁断路器不能遮断其分断能力范围内波形畸变率很过50％的故障电流，还会导致断路器损坏。

5．谐波对电力系统的继电保护、计量仪表以及通信系统的设备、信号产生干扰和损害。

三、谐波标准限值

为了抑制谐波污染，支持电网和电气设备的安全经济运行，近几年来先后制定了一系列电磁兼容和安全的标准，对谐波的限值作出了明确的规定。在《电能质量 公用电网谐波》（GB/T14549－93）中，对0.38KV低压电网谐波电压和谐波电流限值的规定如表三、表四：

这些标准的实施，为电子设备产品的生产和检测，供配电设计以及供用电的监督管理提供了依据。

四、减小谐波影响的措施

1．在民用建筑低压配电设计中，尤其是对用电负荷主要为单相用电设备供电的配电干线，中性线（N）的截面积不应小于相线截面积。而对大量集中使用计算机、电视机等电子设备供电的场合，TN系统配电回路的N（PEN）线的截面积不应小于相线截面积的2倍，以增加N线载流量，避免导线过载发热而损坏。

2．对应用电子设备和元件较多的配电线路保护，应选用有中性线过流保护的开关电器，并且应适当加大断路器的断流容量，防止短路故障时因断流容量不足损坏开关和设备。

3．为防止电力电容器对谐波的放大，以致引起谐振过电压或过电流，对电容器的设置要注意以下几点：①适当调整电容器的安装位置，以改变网络参数。②根据可能产生谐振的谐波次数，确定电容器的容量，或调整电容器投切分组容量，以避开谐振点。③在电容器回路中串联适当的空心电抗器，限制电容器支路的谐波电流。例如，为限制3～5次谐波电流，可安装相当于电容器容量4％～6％的串联电抗器。

4．在系统中并联装设交流滤波器。交流滤波器有无源与有源之分，由于民用建筑中负荷类型变化不大，电子设备产生的谐波次数相对比较固定，因此多采用无源滤波器。

对低次数（13次以下）谐波，因次数较低，含量较大，可分别设置单一频率的单调谐无源滤波器滤除。单调谐滤波器由电容器串联谐波电抗器组成，基本原理是将需滤除的谐波频率作为理想的调谐点，在此频率上滤波器产生串联谐振，形成低阻通路吸收大部分谐波电流。

对较高次数（13次及以上）谐波因其幅度小，可选一共同的高通滤波器滤除。常用的高通滤波器是二阶高通滤波器，由电抗器、电阻和电容器混联连接构成。对某一次（如13次）谐波频率以上的各次谐波，滤波器的阻抗是一个小于其电阻值的低阻通路，使次数较高的谐波电流被有效地吸收。

现在有的厂家（诺基亚、深圳海亿达等）已可提供有源滤波器。有源滤波器基本原理是作为一个电流源，与负载谐波源并联，以很快的响应速度，送出与负载谐波电流幅值相等，相位相同，方向相反的电流，使两者相互抵消，电源侧的总谐波电流为少。有源滤波器还可补偿无功功率和三相不对称电流。目前由于价格较高，补偿容量较小（单台补偿电流100A以下），所以仅适用于对供电质量要求很高（如重要建筑物的定位系统、计算机系统等）的场所使用。

小编点评：加强对电子产品生产的管理、检测和监督，鼓励厂家采用有源功率因数校正等新技术，生产低谐波值的电子产品。从源头对谐波污染进行治理，这是根本的措施。