试论谐波治理技术在建筑电气设计中的应用
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作者: 尹杰
摘 要：随着时代的发展，科学技术的进步，我国在建筑电气方面的设计建设更加注重。电气设计质量是否达标直接决定着建筑物的安全性和节能性。而谐波是影响电气设计能否达标的重要因素。本文结合笔者多年工程的实践经验，对谐波存在于智能建筑中的危害进行了分析，并针对目前在建筑电气设计中应用的谐波治理措施作了比较与分析，谨供大家作参考之用。
关键词：智能建筑 电气设计 谐波治理措施 危害
近年来，在建筑工程项目中电气应用逐步增多，很多建筑特别是智能建筑采用大量的换流逆变设备和可控制硅整流设备，这些设备的采用产生了大量的谐波，严重的影响了建筑电气系统的正常运行。不但降低了电能的使用质量和使用效果，还对经济造成了严重的损失，甚至威胁着整个电网的运行安全。
1、谐波的定义和危害
谐波是指电流中所含有的频率为基波倍数的电量，通常在工作中对周期性的非正弦电量进行技术分解，其他大于基波频率的电流。在智能建筑建设中谐波的产生容易造成电气设备的运行不畅，使得电动机在运行的过程中发生巨大的损耗，还对电动机的运转产生了相关的振动和噪音，更有甚至是容易引发火灾险情。随着近年来科学技术的飞速发展，大量的先进设备逐步采用，但是由此所产生的谐波现象也在日益增多。如计算机系统、开关电源、电子式荧光整流器等先进设备在应用中容易造纸供电系统的电压和电流发生不确定的畸变，这就造成了大量的谐波。其次是在公用电网的应用中本身存在着一定的谐波含量和配电变压器作为产生谐波的主要因素，通常这些谐波都是有公用电网传输给配电系统，造成配电系统在运行中的缺陷和问题。
恶劣的谐波环境对现阶段的建筑用电设备和电力系统造成巨大的危害和影响，尤其是在智能建筑中，这种危害更为严重，其主要表现在以下几个方面：
1.1谐波的出现造成了各种电气设备在使用中发电机产生了其他损耗，严重的增加了电能的消耗，同时还对电气设备的运行带来了振动和噪音影响，甚至是造成电气火灾的发生。
1.2智能建筑中线缆密布，各类系统设备繁多和微电子装置复杂，且在这些设备的安装和运行中保护措施的关注较弱，这就造成谐波的产生，并且严重的影响着智能系统设备的误码和错码，使得各类信号在传输的过程中受到污染，甚至造成信号失真和无法及时传达的影响。随着低电压信号在IT设备中使用的增加，谐波的影响严重威胁着信号安全和质量，甚至会影响到整个网络系统的运行问题，造成网络的瘫痪。
1.3、在电气设备应用谐波的过程中，一般在公网使用的时候，设备元件容易产生谐波，在谐波的电压作用下，各类设备的输电和发电效率大大降低，从而影响了电气设备的使用效率。这些问题如果得不到及时合理的解决，甚至会造成谐波的集中穿线，形成线路过热，从而能引发火灾。
1.4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零点时，电弧电流随时间的变化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，导致误跳闸或在该跳闸的时候根本不跳。剩余电流可能会达到使剩余电流保护装置动作的设定值。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超过50%的故障电流，而且还会导致断路器损坏。
1.5、因电气设备在接地时产生的电流在设备与大地之间形成电压降，从而导致计算机死机；因中性线上高次谐波的叠加，所以中性线上的电流能在建筑物的金属结构上随意流动，形成难以控制的磁场，从而出现计算机屏幕频闪的现象；因开关电气设备、线路短路和负载变化而导致短时间内电压的变化引起灯光频闪，频闪一旦过度就会给人体造成不适；谐波严重畸变就会导致一个正弦周波内产生附加过零点，从而影响设备的测试性能，对程序控制装置的同步性产生干扰，造成控制装置失灵。
2、谐波治理的主要措施
2.1采用无源滤波器。采用无源滤波器是传统的抑制谐波的方法。无源滤波器包括一组以串联方式连接的电抗器与电容器。此电路的阻抗在某一频率下，被设计成比电网中的其他电路低的多。这种装置的缺点是容易过载，在过载时会被烧损。另外，可能造成功率因数过补偿，同时无源滤波器不能受控。因此，随着时间的改变以及配件老化或电网负载的变动，会改变谐波振频率，使滤波效果下降。更重要的是，无源滤波器只可以过滤一种谐波成分。如果过滤不同的频率，则要分别采用不同的滤波器，如有的滤波器只能滤除三次谐波。
②采用有源滤波器。并联型有源滤波器实质上是一个受控的、快速反应的谐波电流源，与非线性负荷并联，自动检测非线性负荷产生的谐波电流。DSP产生的控制信号控制IGBT高速开关器件，经过输出电抗器，输出与负荷产生的谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流，起到补偿谐波的作用，其结果是系统只向负荷提供基波电流。
在设计有源滤波器治理位置时，需要根据剧场配电系统和负荷情况的不同，设计不同的安装位置。有源滤波器的安装与谐波源越近，滤波效果越好，这是减小谐波电流和谐波电压畸变的最好办法。但在一些非线性负荷分布负载的场合，可以采取变压器总补偿或二级配电补偿的方案，而且不同方案可以配合使用。由于有源电力滤波器安装位置灵活，可以完全实现根据设计需要达到最完美的谐波治理效果。
2.2采用混合型滤波器。可将有源电力滤波器与无源电力滤波器混合使用。其中，无源滤波器由3、5、7、9次单调谐滤波器支路及高通滤波器支路组成。有源滤波器由8个IGBT、直流电容及滤波电感构成。直流电容可为有源滤波器提供一个稳定的直流电压；滤波电感可减小有源滤波器产生的高频开关频率谐波。有源滤波器和无源滤波器串联后并人电网。由于有源滤波器不是直接对谐波电流进行消除，它所产生的补偿电压中只含有谐波电压，故其功率容量很小，具有良好的经济性，从而可降低系统成本。
2.3采用谐波保护器。采用磁性方法治理谐波比有源滤波器成本更低。谐波保护器从任何一种谐波对电路系统带来危害的本质上着手解决问题，即采用磁场吸收谐波能量的方法，具有很高的可靠性与使用寿命。此类产品如谐波保护器（HPD），采用了超微晶合金材料与创新科技的特别电路，能吸收各种频率各种能量的谐波干扰，将谐波消除在发生源。
2.4在建筑电气设计中谐波治理方法的应用是一项较为系统、复杂的工作。为尽可能的降低谐波对我们造成的危害，应加大谐波治理方法的应用力度。只有这样，才能有效降低建筑电气设计和施工成本，有效提高电能质量，从而确保建筑电气系统高效、安全的运行，最终提高建筑电气设计质量。
3、结语
在实际工作中，由于谐波具有多发性、随机性和不可重复性，导致智能建筑中的各种电气设备性能下降、无法工作的现象时有发生，因此，为保证现代智能建筑中各种不同类型设备和计算机及精密电子装置正常、可靠、高效地运行，必须要采取相应措施，确保用电设备的使用寿命，从以上分析可知，笔者觉得采取混合滤波器能快速、有效地跟踪谐波变化，抑制谐波，是最有成效的一种措施。
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