谐波治理措施在建筑电气设计中的应用分析
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摘要：谐波问题是建筑电气设计中的常见问题，它的存在不仅会对电力系统的运行产生影响，还对电力企业的经济效益和社会效益的提升造成了严重的阻碍，是我国电力事业进一步发展的绊脚石和拦路虎。如何有效治理谐波污染是电力发展的重要课题。本文就谐波污染的来源、危害以及目前常见的治理措施及其应用效果进行简单的探讨，以求对电力产业的发展、电力从业人员的电气设计提供一定程度的帮助。
关键字：谐波污染；建筑电气设计；治理措施；应用分析
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在电力电子技术不断发展的现代社会，无论是工业生产还是人民生活都离不开电力资源。但是电气设计中的谐波污染给电力系统最大效益实现和电力资源质量的提高都造成了严重的影响。同时，电力系统的运行过程中，如果出现短暂性的障碍，即使是局部的短路问题，谐波污染也会加重并影响电力系统的整体运行。因而，在建筑电气设计的过程中，如何有效规避谐波污染的危害，最大程度降低谐波污染的影响已成为电力设计从业人员的重点研究方向。谐波污染治理的难点在于其发生的随机性、不可预测性、不可重复性，尤其是在现代智能建筑中，对谐波污染的有效治疗，是各种精密电子设备和装置使用正常、寿命正常的有力保障。
本文就谐波污染的主要来源与危害，谐波污染的治理措施与应用效果进行简要的探讨。
一、谐波污染的主要来源
谐波的来源大致可分三类，一类是公用电网和电力设备本身可看作恒定的谐波源，一类是变压器非线性负荷形成的谐波源，一类是电压电器中数量较多的励磁电流构成的高次谐波。
（一）公用电网和电力设备本身可看作的恒定谐波源。一般认为，公用电网本身具有一定的谐波含量；而随着各种高新技术在各领域的广泛使用，不同类型的电子电力设备、不同功能的家用电器走进千家万户，这些电气设备的结构特性和工作方式决定了其本身也会产生固定的谐波含量。公用电网向各配电系统输电的同时，会将本身的谐波含量通过配电系统进行传输。所以，这些可以看作恒定谐波源的网路与设备产生的谐波进入整个电力系统的时候，系统内会产生谐波压降，谐波压降又会进一步使系统中的电压发生畸变，影响系统的正常运行。
（二）变压器非线性负荷形成的谐波源。变压器中的谐波主要来自于磁路的非线性电感。变压器中的励磁电流中有非正弦波，包括一些尖顶波、平顶波，而这些波形中的奇次谐波有不同程度的存在。在实际应用中，变压器中的谐波含量通常是比较低的，当然，这要求变压器处于正常的工作状态；一旦出现额定电压空载或轻载状态时，变压器中的励磁电流降低，谐波含量升高。
（三）低压电器中数量较多的励磁电流构成的高次谐波。现代建筑中使用的电器设备一般都自带小容量的变压器和整流装置，而电器的电源供给来源于低压电网，不同的电器设备的励磁电流通过数量的积累，形成高次谐波，对建筑电气系统产生较大的影响。
二、谐波污染的危害
谐波污染的存在会对用电设备、电力系统产生严重的影响，甚至有潜在的火灾隐患。
（一）影响电子元件的正常运行。现代建筑的电缆线路多，布局复杂，加之，各种电子设备的精密程度越来越高，通常具有一定的敏感度。尤其是计算机相关的设备。高次谐波的出现会使职能的设备受到干扰，出现错误指令和动作。低电压的信号越多，比特错误率也随之增大。同时，电子设备的电机速度是一定的，谐波在干扰设备运行的过程中，其自身的能量也会转化为热量，对设备造成损伤。
（二）干扰电器设备的运行。电器设备通常都有接地线，设备形成接地电流时，会出现死机的现象，中性线的高次谐波发生叠加也会引起电流在设备的金属结构中流动，设备磁场受到干扰，相应的电气设备就可能出现闪屏现象。当谐波畸变发展到较为严重的程度时，正弦周波中产生过零点，受测设备的程序运行受到较大的阻碍。
（三）电器设备的功率损耗和加速老化。谐波电压作用于电器设备上时，设备会产生额外的功率损耗，使绝缘介质的老化加速，寿命缩短。如果谐波电流使电容器和其他的电子元件之间产生串联谐振或者并联谐振时，电容器会出现超载现象，轻则出现设备及配电线路电压超压、闪交，重则损坏设备。
（四）断路器遮断能力下降。在第二点危害的叙述中，可见谐波畸形发展的时候，会出现正弦周波过零点现象，电弧电流是随时间变化，这时其变化比工频正弦电流大。电弧电压的快速恢复导致电弧重燃几率增大，出现跳闸时间的误差。一般情况下，电气电磁断路器无法对其分断能力范围内波形畸变率超过50%的故障电流起到遮断作用，还可能出现断路器的损坏。
（五）集肤效应的出现。集肤效应指的是，电力电缆和配电线路中的电阻增大，线损加大，发热量升高，绝缘老化的情况。在建筑电气设计中，谐波电流频率的升高会造成明显的集肤效应，尤其是电子节能气体光源和计算机广泛使用的场所，谐波电流频率的增加会使中性线过热，甚至有发生火灾的危险。
三、 谐波污染的治理措施与应用效果
（一） 无源滤波器的应用
无源滤波器指的是以串联方式连接在一起的一组电抗器和电容器。这种设计是将电抗器与电容器组成电路的阻抗设计成在某一频率下，低于其他电力阻抗的情况。其主要缺点是容易发生过载，且在过载的情况下会被烧毁；还可能发生成功率因数过补偿的情况。无源滤波器谐波治理的传统方法，其只可以过滤一种谐波，不同谐波频率的过滤要采用不同的谐波滤过器。
（二） 有源滤波器的应用
不同于无源滤波器的串联方式，有源滤波器是并联型的，其可以和非线性的电力负荷并联，自动监测非线性电力负荷形成的谐波电流，反应迅速，且不会出现谐振的状况。除此之外，有源滤波器还具有同时多次滤除高次谐波的功效，治疗效果受到认同的和肯定。其缺点在于价格过高。在建筑电气设计中，如果考虑安装有源电力滤波器的话，要根据配电系统的实际运行情况，选择与谐波源接近的安装位置。
（三） 谐波保护器的应用
谐波保护器的主要工作原理是通过利用磁场的特殊性能，对谐波能量进行有效的处理，强化滤波的滤除功能。与有源滤波器相比，其既具备了保障电力系统正常运行，延长系统与电力设备使用寿命的优点，还具有低成本的优势。常见的HPD谐波保护器不仅可以吸收不同频率的谐波，还能消除用电设备产生的高次谐波干扰，重要的是，HPD谐波保护器在并联电路中并不耗电。
总而言之，在建筑电气设计，对可能产生的谐波采取有针对性的治理和防护措施，能将谐波的危害最大程度降低，减少了谐波污染对电力系统、电力设备发生损害的可能性。
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