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摘要：在房屋建筑中非線性用電設(shè)備、照明、家用電器、辦公電器等用電設(shè)備的質(zhì)量參差不齊，往往會(huì)產(chǎn)生大小不一的諧波；由于非線性用電設(shè)備的數(shù)量眾多，且分布很廣，眾多的諧波疊加將對(duì)供、配電系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，給用電設(shè)備及人身帶來(lái)?yè)p害。在此對(duì)房屋建筑中的非線性用電設(shè)備諧波危害進(jìn)行分析。...

房屋建筑中非線性用電設(shè)備諧波的危害

鄭林忠

(浙江泛華工程監(jiān)理有限公司，浙江杭州310005)

1.房屋建筑中能產(chǎn)生諧波的非線性用電設(shè)備概述

    在房屋建筑的各種電器設(shè)備、設(shè)施中，非線性用電設(shè)備、照明、家用辦公電器在人們生活和企事業(yè)單位應(yīng)用十分廣泛，這些非線性用電設(shè)備可分為兩大類，一類是家用電器、辦公電器、照明燈具，如電視機(jī)、各種節(jié)能燈、電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐、電磁爐、計(jì)算機(jī)、激光打印機(jī)、充電器、調(diào)速驅(qū)動(dòng)的空調(diào)等等；另一類是建筑中的動(dòng)力控制設(shè)備，如電梯控制設(shè)備、水泵控制設(shè)備、風(fēng)機(jī)控制設(shè)備、各種自控設(shè)備、各種醫(yī)療和科研用的儀器和設(shè)備等等。凡含有非線性元件的家用電器、辦公電器、動(dòng)力控制設(shè)備，均會(huì)產(chǎn)生不同的諧波。

    這些設(shè)備和電器中大部分都使用非線性電子元件，有的電器還帶小容量變壓器。其勵(lì)磁電流所占比例都較大，雖然單個(gè)容量較小，但數(shù)量眾多，它們產(chǎn)生的高次諧波疊加后會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，加重電力網(wǎng)的諧波污染，還會(huì)對(duì)用電線路、設(shè)備及用戶造成損害。

    這些非線性用電設(shè)備中的充電裝置、開關(guān)電源、整流裝置等等，很多方面普遍采用晶閘管、整流管，它采用移相原理，從電網(wǎng)吸收的是半周正弦波，而留給電網(wǎng)剩下的半周正弦波，這種半周正弦波分解后能產(chǎn)生大量的諧波。有統(tǒng)計(jì)表明，整流設(shè)備所產(chǎn)生的諧波占整個(gè)諧波的近40％左右，是最大的諧波源。

    非線性用電設(shè)備中的充氣電光源更是常見的諧波源，如節(jié)能燈、熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈應(yīng)用氣體放電原理發(fā)光，其伏安特性具有明顯的非線性特征，特別是節(jié)能燈、電子熒光燈產(chǎn)生的諧波也是最大諧波源之一。

    非線性用電設(shè)備中的計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具、微波爐等家用電器，因內(nèi)置調(diào)壓、整流元件，也會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生高次奇諧波；電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、空調(diào)器含小功率電動(dòng)機(jī)，也會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波。這類設(shè)備功率雖小，但數(shù)量多，也是電網(wǎng)諧波源中不可忽視的因素。

    在建筑中普遍使用大功率設(shè)備如水泵、風(fēng)機(jī)、電梯、空調(diào)等，很大一部分采用變頻原理，變頻一般分為兩類：交一直一交變頻器和交一交變頻器。前者將380V、50Hz工頻電源經(jīng)三相橋式可控硅整流，變成直流電壓信號(hào)，濾波后由大功率晶體開關(guān)元件逆變成可變頻率的交流信號(hào)。后者將固定頻率的交流電直接轉(zhuǎn)換成相數(shù)一致但頻率可調(diào)的交流電。兩者均采用相位控制技術(shù)，所以在變換后會(huì)產(chǎn)生含復(fù)雜成分(整次或分次)的諧波。因變頻裝置一般具有較大功率，也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染。

2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)部分電器的諧波分析

    (1)電視機(jī)。家用電器中產(chǎn)生諧波最大的電器之一就是電視機(jī)群。諧波為奇數(shù)次波，主要是3次、5次、7次及9次比較嚴(yán)重，諧波的峰值與基波峰值相重合。其交流側(cè)電流只有正弦波的波頭部分。

    (2)節(jié)能燈。隨著建筑節(jié)能的要求，節(jié)能燈的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，大量的節(jié)能燈是建筑中最大的諧波源之一。節(jié)能燈幾乎都是諧波源，大多數(shù)節(jié)能燈的諧波電流畸變，由于設(shè)計(jì)差異，不同種類和型號(hào)節(jié)能燈的諧波電流次數(shù)均不同。

    (3)各種熒光燈。

    ①線繞鎮(zhèn)流器的3次諧波較高，在10％左右。

    ②電子鎮(zhèn)流器型脈沖式，為奇數(shù)次諧波，其中3次諧波較高為75％左右，各奇數(shù)次含有率15％左右，奇數(shù)次愈高，含有率愈低；產(chǎn)品為高頻時(shí)各諧波含有率較低，一般為8％左右。

    ③第二亞型電子鎮(zhèn)流器是經(jīng)整流再逆變的，產(chǎn)生出20～60 kHz的電流經(jīng)過(guò)高頻變壓器饋供給燈管，故除了3～19各奇數(shù)次諧波電流外，還有極高頻率的諧波電流存在。

    ④第三代亞型鎮(zhèn)流器中為提高功率因數(shù)，降低電流和線損，采用線繞鎮(zhèn)流器和并聯(lián)電容器，但電容器起到了明顯放大諧波的作用。

    (4)調(diào)光白熾燈。其特征諧波電流全部為奇數(shù)次諧波，控制角儀的不同諧波電流含量不同，一般d越大，諧波電流含量越大。

    (5)空調(diào)機(jī)。諧波分布為2～15次。諧波電流大小依工作方式而變，只開風(fēng)扇時(shí)，諧波電流為8％左右，制冷時(shí)諧波電流為24％左右，制熱時(shí)諧波電流為28％左右，有變頻裝置的諧波含量及分布更大。

    (6)電冰箱。其諧波為奇數(shù)次波，主要是3、5、7次，其中含有率3次為l l％左右，5次為4％左右，7次為l％左右。

    (7)洗衣機(jī)。諧波為奇數(shù)次波，主要是3、5、7、9次波，其中3次22％～38％，5次6％左右，7次5％左右，9次3％左右。

    (8)電腦、彩電。諧波為奇數(shù)次波，主要是3、5、7、9、11、13、15、17次波，3～11次諧波電流稍減，l3、15、l7次諧波電流稍增。另外，各種打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、游戲機(jī)的用電性質(zhì)以及諧波含有率也與之相類似。

3.諧波的危害

    (1)諧波對(duì)配電系統(tǒng)的危害。主要是對(duì)線路上所配置的保護(hù)及測(cè)量設(shè)備的影響。因這些設(shè)備一般采用電磁式繼電器、感應(yīng)繼電器元件，容易接受諧波干擾而誤動(dòng)和拒動(dòng)，系統(tǒng)中存在的不明原因的誤動(dòng)和拒動(dòng)，很大一部分與諧波有關(guān)系。所以諧波超標(biāo)會(huì)嚴(yán)重威脅配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

    (2)諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害。主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩，絕緣壽命減少，降低效率。諧波使電源頻率增高，由于集膚效應(yīng)、磁滯、渦流等隨著頻率的增高，會(huì)使在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的鐵心和繞組中產(chǎn)生附加損耗增加。電動(dòng)機(jī)的出力一般不能根據(jù)發(fā)熱情況而調(diào)整，由諧波引起的電動(dòng)機(jī)發(fā)熱效應(yīng)是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負(fù)序電壓來(lái)考慮的。試驗(yàn)表明，在額定出力下持續(xù)承受3％額定電壓的負(fù)序電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命要減少一半。負(fù)序諧波產(chǎn)生的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)的效率。

    (3)諧波對(duì)電力電子設(shè)備的危害。電力電子設(shè)備對(duì)供電電壓的諧波畸變很敏感，這種設(shè)備常常須靠電壓波形的過(guò)零點(diǎn)或其它電壓波形取得同步運(yùn)行。電壓諧波畸變可導(dǎo)致電壓過(guò)零點(diǎn)漂移或改變一個(gè)相間電壓高于另一個(gè)相間電壓的位置點(diǎn)。這兩點(diǎn)對(duì)于不同類型的電力電子電路控制是至關(guān)重要的。控制系統(tǒng)對(duì)這兩點(diǎn)(電壓過(guò)零點(diǎn)與電壓位置點(diǎn))的判斷錯(cuò)誤可導(dǎo)致控制系統(tǒng)失控。而電力與通訊線路之間的感性或容性耦合亦可能造成對(duì)通訊設(shè)備的干擾。計(jì)算器和其它一些電子設(shè)備，如可編過(guò)程控制器(PLC)，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5％．且個(gè)別諧波電壓畸變率低于3％，較高的畸變量可導(dǎo)致控制設(shè)備誤動(dòng)作，進(jìn)而造成生產(chǎn)或運(yùn)行中斷，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化的正常通訊造成干擾，影響電力電子計(jì)量設(shè)備的準(zhǔn)確性，可能使電能計(jì)量產(chǎn)生較大誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致計(jì)量混亂。同樣，諧波也是引起錄波裝置誤啟動(dòng)、保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)的重要因素。

    (4)諧波對(duì)變壓器的危害。諧波電流會(huì)大大增加電力變壓器的銅損和鐵損，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對(duì)三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過(guò)熱；對(duì)星形連接的變壓器，當(dāng)繞組中性點(diǎn)接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)，可能形成3次諧波諧振。使變壓器附加損耗增加降低變壓器效率。

    (5)諧波對(duì)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的危害。諧波注入電網(wǎng)時(shí)容易造成變電站高壓電容過(guò)電流和過(guò)負(fù)荷，在諧波場(chǎng)合下，電容柜無(wú)法正常投切，更嚴(yán)重的情況下，電容柜會(huì)將電網(wǎng)諧波進(jìn)一步放大。同時(shí)諧波會(huì)導(dǎo)致電容端電壓升高，損耗加大，使電容器發(fā)熱，加速老化，從而縮短使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電容器損毀。

    (6)諧波對(duì)電網(wǎng)的危害。諧波注入電網(wǎng)后會(huì)使無(wú)功功率加大，功率因數(shù)降低，甚至有可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振，損壞電氣設(shè)備以及干擾通信線路的正常工作。高次諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，另外相同頻率的諧波電壓和諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率和無(wú)功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，增加線路損耗，浪費(fèi)電網(wǎng)容量。

    (7)諧波對(duì)低壓配電線路的危害。諧波會(huì)使低壓配電線路中的三相電流失去平衡，增大線路中零線的電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使零線發(fā)熱燒毀，造成同一系統(tǒng)用電設(shè)備的損壞。

    此外，諧波會(huì)通過(guò)靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)以及傳導(dǎo)等多種方式耦合進(jìn)通訊系統(tǒng)，影響它們的正常運(yùn)行。對(duì)于人體，諧波會(huì)刺激人體細(xì)胞，使正常的細(xì)胞膜電位發(fā)生快速波動(dòng)或可逆的翻轉(zhuǎn)，當(dāng)這種波動(dòng)或翻轉(zhuǎn)頻率接近諧波頻率時(shí)，會(huì)影響人體大腦與心臟。

4.目前在房屋建筑中諧波防治的現(xiàn)狀和解決的主要舉措

    (1)目前在房屋建筑中諧波防治的現(xiàn)狀。

    我國(guó)目前并沒(méi)有在用電環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)完善防治諧波的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，雖然《電能質(zhì)量一公用電網(wǎng)諧波(GB／T l4549—1993)》對(duì)電網(wǎng)各級(jí)電壓諧波水平進(jìn)行了量化限制，對(duì)用戶注入公用電網(wǎng)的諧波電流也進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定，在主網(wǎng)、城網(wǎng)中，諧波治理也有明確的規(guī)定和要求，但沒(méi)有對(duì)人電網(wǎng)的各種用電設(shè)備、用電電器等制定出具體的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有對(duì)房屋建筑設(shè)計(jì)中對(duì)有關(guān)諧波的防治進(jìn)行具體規(guī)范。

    由于房屋建筑中使用的電氣設(shè)備和產(chǎn)品不規(guī)范產(chǎn)生的諧波，目前設(shè)計(jì)中對(duì)諧波防治一般又都無(wú)具體措施，已經(jīng)有不少案例說(shuō)明諧波給用電帶來(lái)危害，如某公司大樓為了節(jié)能需要把原來(lái)的照明白熾燈、日光燈等全部換成節(jié)能燈，更換后不久低配系統(tǒng)的功率因素補(bǔ)償電容就全部損毀。某小區(qū)由于設(shè)計(jì)防治諧波措施欠缺，電源零線出現(xiàn)過(guò)負(fù)載性損毀。

    (2)當(dāng)前亟待解決的舉措。

    ①從國(guó)家管理層面上，在發(fā)電、輸電、配電、用電環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生諧波，其中產(chǎn)生諧波最多位于用電環(huán)節(jié)上。隨著房屋建筑中非線性設(shè)備、設(shè)施的普遍使用，應(yīng)該首先從產(chǎn)品源頭控制，制定出入電網(wǎng)使用的各種用電設(shè)備、用電電器等具體的標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)入制度；其次是規(guī)范房屋建筑諧波防治設(shè)計(jì)、施工等標(biāo)準(zhǔn)；再次是加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)規(guī)范的宣傳貫徹，并對(duì) IEC 6100以及國(guó)標(biāo)GB／T l4549．1993對(duì)于諧波定義、測(cè)量等進(jìn)行宣傳，明確對(duì)諧波治理是一項(xiàng)互惠互利、節(jié)能增效的措施，能保證電網(wǎng)和設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

    ②從設(shè)計(jì)層面上，要加強(qiáng)房屋建筑諧波防治的技術(shù)措施，如設(shè)置效果較好的濾波設(shè)備；選用諧波指標(biāo)不超標(biāo)的產(chǎn)品；增加零線的負(fù)載等等。這是用戶環(huán)節(jié)諧波防治的一道主要防線。

    ③從建設(shè)方、施工方層面上，要把好房屋建筑中非線性各種用電設(shè)備、用電電器的采購(gòu)關(guān)，并增加必要的投入。

    目前房屋建設(shè)中對(duì)諧波的危害沒(méi)有引起足夠的重視，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，非線性元器件在房屋建筑中大量的使用，諧波防治的任務(wù)已經(jīng)十分緊迫。用電環(huán)節(jié)的諧波治理，不僅能夠改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電力品質(zhì)，同時(shí)也能延長(zhǎng)用戶設(shè)備使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低電磁污染環(huán)境，減少能耗，提高電能利用率。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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