建筑电气设计中低压单相非线性负荷谐波畸变问题研究

贺　桥

（重庆市规划设计院，中国 重庆 401120）

【摘　要】随着人们物质生活水平的不断提高,电子节能设备、娱乐电器及诸多家用电器等典型非线性负载在民用建筑中的广泛使用和发展,使得民用建筑物内谐波危害正日趋严重,我们必须加以重视和采用一定的措施进行有效抑制才能保证民用建筑中的用电安全和稳定可靠。

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关键词 谐波畸变；单相非线性设备；谐波特性；电能质量；谐波电流；谐波治理

０　引言

在理想的供电系统中，电能以单一恒定的工业频率（50Hz 或 60Hz）与规定幅值的稳定电压供电，对电能质量用频率和电压来衡量。因此各国就用频率和电压的允许偏差值对电能质量进行衡量并作出规定。但仅用这两个指标来表征电能的质量并不完善，波形畸变和三相交流电力系统中三相电压和电流的不平衡也是影响电能质量的重要因素，这两个问题在过去未对电力系统产生严重的影响。

1　电力系统中谐波产生的原因及危害

目前，随着非线性设备的大量使用，电力系统谐波问题引起了人们越来越多的关注。这些非线性设备将发电机向电力系统提供的基波功率转化为各次谐波能量，成为“谐波能量”源，被称为电力系统谐波源。作为谐波源，非线性设备可大致划分为如下三类：

１）以具有强烈非线性特征的电弧为工作介质的设备，如气体放电灯、交流电弧炉和交流弧焊机等；

２）指具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如变压器和电抗器等；

３）以电力电子元件为基础的开关电源设备，如各种电力电子变流设备（整流器、逆变器、变频器等），相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等。

在电力系统中，谐波危害问题随着谐波设备越来越广泛的应用而日趋恶化，引起了学术界和供用电部门的密切关注。谐波不仅会消耗系统的无功功率储备，其危害还主要表现在以下几个方面：

１）谐波引起的热损耗。谐波增加设备的铜耗、铁耗和介质损耗从而加剧设备的热应力。因谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，由于集肤效应(当交变电流流过导线时，导线周围变化的磁场也要在导线中产生感应电流，从而使沿导线截面的电流分布不均匀。特别当频率较高时，此电流几乎是在导线表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的“集肤效应”)的作用，导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。

２）谐波对通信系统造成的干扰。谐波对邻近通信线路产生谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰，引起通信系统的噪音，降低信号的传输质量，降低语言或图像的清晰度，甚至会破坏信号的正常传递，引起信号的丢失，使系统无法正常工作。在电力线载波通信的系统中，由于谐波的影响，造成系统误动作，甚至无法运行，在谐波和基波的综合作用下，曾有多次触发电话响铃的记载，在极端的情况下甚至将威胁到通信设备和人员的安全。

３）谐波对住宅和办公建筑中低压电器造成的不良影响。计算机、绘图仪、打印机和很多家用电器、灯具既是小型或微型谐波源，也是受谐波有害影响的电器，谐波会使计算机数据丢失，程序出错，甚至损坏；谐波影响自动控制的家用电器的正常工作，如电视机、收音机、洗衣机等荧光灯的伏安特性是严重非线性的，因此会引起严重的谐波电流，其中3次谐波电流含量最高，同时电网中的谐波又会使日光灯、白炽灯异常发热减少其使用寿命，特别是对白炽灯光源的的影响，美国 EIS照明手册指出，若谐波引起电压升高5%，则白炽灯寿命降低 47%。

２　低压单相非线性负荷的使用特性及危害

当今社会，节能是发展的主题，在这种意识的驱动下电力电子技术发展得更加迅速。美国IEEE学会认为，伴随着电力电子技术的飞速发展这一当代最重要的科技进步，已涌现出大量的作为非线性用电负荷的敏感电子器件。其负荷在20世纪90年代中后期的美国要上升到1992 年的4~5倍。英国同样有学者认为，自60年代以来由于电力电子技术的不断发展，若谐波畸变问题不能得到有效的治理，到80年代末，英国的供电电压畸变率可能高达10％。目前，电力电子设备被大量地应用于人们的生产生活中，CFL、计算机、笔记本电脑、空调、微波炉、电视机、冰箱等非线性设备被大量使用在住宅和办公楼建筑，谐波注入量因此而迅速增加。这些非线性设备与传统大功率谐波源有很大差异。传统的分析方法把各谐波设备看作固定谐波电流源或电压源，在这里具有较大的局限性，这取决于此类小功率谐波源的数量大、分布地域广，且不同设备间谐波相位具有较大的差异，既不能像大功率谐波源那样对其单独补偿，也不能对其进行简单的数值叠加。

低压配电系统单个非线性负荷如节能灯、计算机等接入系统并不会造成严重影响，但由于其数量众多，其总谐波危害不容忽视。低压配电系统中的单相非线性负荷所产生的谐波，除了使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短等危害以外，更严重危害之一，非线性负荷的广泛使用将导致大量3次及其倍数次谐波从中性线流过，其电流有效值甚至会超过流经相线的电流有效值。在现行的建筑电气设计规范中，对非线性负荷引发的谐波问题没有充分地考虑，认为流经中性线电流比相线电流小得多，在设计时中性线截面选择得较小。在大量3次及其倍数次谐波电流流过中性线时，中性线电流明显增大，甚至会超过相线电流，选择偏小的中性线截面积将使导线过载过热、损坏其绝缘，甚至会引发短路火灾，为电气火灾事故埋下巨大的隐患。

3　低压单相非线性负荷谐波特性研究

目前，电力系统中谐波畸变引发的电能质量问题，逐渐引起了越来越多的专家和学者的关注。其中在低压配电系统中应用越来越广泛的节能灯、计算机、电视机等单相非线性设备，对电力系统造成的谐波危害也日趋严重。对谐波治理的措施主要有三种：

１）受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力；

２）主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低其产生的谐波；

３）被动治理，即加设滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或阻碍电力系统谐波流入负载端。

被动治理谐波的措施主要有：采用无源滤波器的谐波治理；采用有源滤波器的谐波治理；采用混合型有源滤波器进行谐波治理。混合滤波器可降低治理投资、改善传统滤波器的技术性能，成为未来抑制谐波的新的方向。但由于低压配电系统中这些单相非线性设备的功率小，分布广等特点，给谐波治理造成了困难。

另外，在低压配电系统中，谐波引起线缆过载导致短路火灾的问题也日趋严重。我国电气火灾问题尤为严重，占火灾总数的30%，因电气火灾造成的损失占火灾总损失的40%，严重威胁了人民的生命财产安全。电气火灾中又以线路短路火灾居多，约占电气火灾的40%，因此防短路火灾是防电气火灾的重点。而线路因过载加剧绝缘劣化以致失效而引起短路是较为主要的一条。目前基于电力电子电路的单相用电设备（非线性负载）的广泛使用，导致低压配电系统谐波问题日益突出，时有因谐波过载而导致导线过热引发火灾的报道。

４　结束语

总之,现代智能建筑中谐波和无功功率带来严重（下转第142页）（上接第90页）的危害和不良影响,必须寻求有效的途径加以综合治理。从理论上和技术上研究综合治理智能建筑配电系统谐波和无功功率,是一个应当引起高度重视的课题。

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参考文献

［１］王琪辉,刘涛.民用建筑用电中的谐波危害及抑制[J].重庆建筑大学学报,2001,23(2):81-86.

［２］王葵.谐波电流对低压配电网的影响分析[J].继电器,2008,36(7):24-28.

［责任编辑：邓丽丽］