谐波对建筑电气设计的影响及对策分析

唐振宇　刘钊

摘要：在建筑电气设计中，谐波是一个必须要考虑的因素，因为谐波会影响用电设备的正常运行，甚至会导致电力系统崩溃，严重影响电能质量。文章在分析谐波产生原因的基础上，分析了谐波对建筑供配电系统产生的影响，并提出了相应的处理对策，对保证建筑电气供配电系统能够安全、可靠、经济运行具有一定的实用价值。

关键词：谐波；建筑电气设计；电能质量；用电设备；电力系统；建筑供配电系统 文献标识码：A

中图分类号：TU85 文章编号：1009-2374（2017）10-0162-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.081

建筑电气供配电系统中，由于用电设备及线路的干预，很容易产生谐波。谐波对电气设备、供电系统会产生很大的危害，不仅影响电能质量，甚至会导致电气系统崩溃或是引发火灾。因此，在建筑电气设计中，必须要考虑谐波干扰问题，必须要制定出科学合理的谐波治理方案，尽可能地减少谐波带来的危害，以保障建筑电气系统能够安全、可靠、经济运行。

1 谐波产生的原因

在供配电系统中，从理论分析，如果电流和电压都处于理想状态，那么电流和电压都会表现出正弦波形，而如果周期性电量超出基波频率整数倍，电流大于基波频率时，谐波就会出现。在公用电网系统中，配电变压器就是一个谐波源，通过谐波源产生谐波，然后传输到配电系统中。在建筑工程的供配电系统中，无论是计算机系统、各种消防设施、常用的通讯设备以及各种照明设施、开关电源等，在日常使用的环节都不可避免会出现谐波。这些设备之所以会产生谐波，主要是其在运行过程中产生了很多非线性负荷，电流与电压产生了畸变。谐波出现后，会对供配电系统及电气设备带来较大危害，不仅会增加建筑电气系统的运行负担，也可能会导致供配电系统损坏或崩溃，影响供电质量。在建筑电气设计过程中，考虑谐波的危害并制定科学合理的治理措施是很有必要的。

2 谐波对电气设备产生的影响

2.1 谐波对变压器设备产生的影响

2.1.1 变压器输入电压以及输出电压的影响因素。变压器主要由线圈和铁芯组成，当谐波电流经过变压器线圈时，线圈周围就会产生交变磁场，形成集肤效应，变压器内部的电阻、电抗等参数也会发生改变，进而会影响到变压器的输入电压和输入电压。设定变压器的电路属于T型电路，那么谐波分量就是电流源，能够在变压器上产生叠加，此时的T型等效电路就会成为谐波作用下的等效电路，叠加到第n次谐波时，就会形成如图1所示的谐波T型等效电路，此时变压器的输入电压及输入电压都会发生改变。另外，由于变压器的铁芯在材料、工艺及结构上有很大不同，这也是导致变压器输入电压以及输出电压不断恶化的关键影响因素。

2.1.2 影响变压器的损耗。变压器的常见损耗主要分成两个部分，也就是负载损耗还有空载损耗。所谓负载损耗指的是经过变压器绕组负荷电流所产生的损耗，空载损耗则是发生在变压器内部铁芯叠片上的损耗。在不分析变压器生成的谐波影响的基础上，谐波会给变压器的损耗带来直接的影响，谐波电流经过变压器线圈时，集肤效应会导致变压器线圈阻抗变大，这将导致变压器的损耗增大。

2.2 谐波对导线产生的影响

2.2.1 对线路损耗的影响。谐波电流在通过导线的时候能够生成线路损耗，导线的等效电路图、理想介质损耗及实际介质损耗如图2所示。假设电缆是以直接埋地的方式敷设，导线和地就构成了电容器，导线和地是电容的两极，导线的绝缘材料及其他中间物质是电容介质，由于理想电容器不存在，所以一定会产生介质损耗。

2.2.2 影响中性线。由于谐波会引起线路损耗增加，当线路损耗超过某一介值时，则会导致相线过载。在具体的配电系统当中，不管是三相四线制或者还是三相五线制，产生的谐波都会对中性线产生非常严重的影响。以居民住宅建筑为例，随着用电设备的不断更新，非线性负载不断增多，谐波电流不断增长，通过中性线的电流不断变大，这将导致导线绝缘加速老化，甚至会引发电气火灾事故。

2.3 谐波对电容器的影响

在电气系统当中，谐波对电容器产生的影响是不容忽视的。一旦出现谐波问题，电容器就会相应的出现功率损耗，导致电容器的绝缘介质加速老化，随着谐波电流的不断增加，电容器以及设备系统当中的各种电气元件会出现谐振，最终使得电容器运行超载，相关的那些设备及线路就会发生超压、闪变等问题，将可能导致供电系统发生大范围损害。

2.4 谐波对继电器的影响

继电器主要有电磁型继电器、感应型继电器和整流型继电器三种，谐波对这三种继电器的影响有较大差异。电磁型继电器主要由电磁铁、衔铁、低压电源和开关组成，电磁铁通电后产生电磁动作转矩，衔铁在电磁铁引力下产生动作。电磁继电器当中的电磁转矩磁以及铁线圈电流的平方成正比，动作电流根据基波电流完成设计。谐波带来的主要影响体现在不管谐波的次数，动作电流在到达特定的取值之后，电磁继电器当中的衔铁就会随之产生动作，尤其是当线路中含有谐波含量比较高的励磁涌流时，继电器就会产生误动作，导致开关跳闸。感应型继电器受到谐波的影响较小，主要是由于这种类型的继电器如果是圆盘形状或者是圆筒形状，在磁场的影响下会生成电流从而产生转矩，在此基础上推动圆筒或者是圆盘活动，因为圆盘或者是圆筒在活动的时候有很大的惯性，因此即便谐波在瞬时作用影响下也会生成感应电流，继电器的圆筒或者是圆盘几乎不会发生误动作问题。整流型的继电器则是借助于整流之后的电压信号或者是电流信号来实现继电器的控制，谐波问题会使得回路当中的电流或者是电压在短时间内显著上升，因此整流型继电器受谐波的影响最為严重。

2.5 谐波对电能计量设备的影响

电能计量设备主要有电磁感应式电能表和电子式电能表两种，谐波对这两种电能表的影响有不同的表现。电磁感应式电能表不能测量出谐波电流所产生的有功功率，当有谐波出现时，电能表的测量值与实际电流功率相比会产生误差。电子式电能表能够测量出谐波电流产生的有功功率，但值得注意的是，如果谐波源属于负载侧，而谐波向则向着电网一侧流动，同基波的方向是不同的，这个时候电能表计算得到的电量实际上要显著低于具体负载所需要的电量，这个问题是电子式电能表的显著缺陷。

2.6 谐波对通信线路的影响

通常情况下，电力系统的传输功率是以兆瓦（MW）为单位进行计算，而通信系统的功率是以毫瓦（mW）为单位进行计算，因此即便电力系统中有很小的谐波电流，一旦耦合到通信线路中，整个过程就很有可能会产生很大分贝的噪声，导致通信线路当中的信号出现严重的失真问题，从而给通信质量带来不良影响，同时也会对通信设备造成严重的干扰，使得通信线路中断，在问题严重的时候可能会发生人身方面的安全事故。研究表明，不平衡谐波电流对通信系统的干扰是最严重的，因此为了降低谐波对通信系统的影响，应适量保持电力线路与通信线路之间的距离，尽量采用屏蔽电缆或是绞线电缆，提高通信设备的抗干扰能力。

3 建筑电气设计中谐波的治理对策

在建筑电气设计中，如何治理谐波是设计人员必须要考虑的问题。治理谐波的方式主要从减少谐波的来源、检测过滤谐波以及降低谐波的危害几个方面进行考虑，具体来说主要有提高供电量、更换变压器、利用滤波器、利用谐波保护器等形式。

3.1 减少谐波的出现

3.1.1 提高供电量。提高供电量能够有效减少谐波的产生。建筑电气设计人员在进行设计时可以适当考虑通过提高供电量来抑制谐波出现，包括采用加大电缆面积或者是增加发电机容量以及电容器容量的途径。通过增加电缆面积，有利于最大限度避免集肤效应，防止谐波的出现，加大发电机容量或者是电容器容量能够降低谐波出现的频率。采取以上两种方式来减少谐波的出现会在一定程度上增加电力的投资成本，同时也会增加用户的用电成本，因此如果采取其他方式可以减少谐波产生的影响时，应避免采取这两种方式。

3.1.2 更换变压器。通过更换一些特殊的变压器能够有效抑制谐波的出现。这种处理方式虽然简单高效，但需要投入很高的资金成本，而且只针对一些典型谐波起作用，因此在综合考虑非线性负载的各种复杂情况下，这种方式只适合应用于一些特殊场合中。

3.2 利用滤波器检测过滤谐波

3.2.1 有源滤波器。将有源滤波器与非线性的负荷进行并联，可以高效快速检测非线性负荷导致的谐波。利用有源滤波器检测过滤谐波时应注意选择合适的安装点，尽量与谐波源接近，以抑制谐波发生畸变，提高过滤效果。

3.2.2 无源滤波器。无源滤波器与有源滤波器有很大区别，在检测与过滤谐波时无源滤波器需要与电容器及电抗器相串联，并且只有采用与谐波相对应的额定滤波器才能处理不同的谐波。另外，无缘滤波器由于在过载情况下容易烧毁，导致其失去检测与过滤谐波的作用，因此无源滤波器与有源滤波器相比，效果较差。

3.2.3 混合滤波器。混合滤波器可以说是源滤波器以及无源滤波器之间的混合體，主要用于用电可靠程度高同时谐波控制严格的场合。滤波器通过有源滤波器从电容中得到直流电压，通过滤波电感来降低谐波，再通过跟无源滤波器一起使用来有效控制谐波。混合滤波器综合了有源滤波器与无源滤波器的优势，能够充分发挥滤波器的功用。

3.3 利用滤波保护器降低谐波影响

除采用部分措施降低谐波出现或通过滤波器检测并过滤谐波外，还可以采用滤波保护器来降低谐波的影响，保障电气系统中的用电设备及线路正常运行，提高用电质量。滤波保护器主要是根据谐波危害供配电系统的特点，采取合适的磁场吸收谐波的能量，最大限度消除减少谐波影响，实现用电设备保护目的。从谐波源处消除高次谐波及高频噪声，吸收谐波能量，保护电气系统免受损害。

4 结语

谐波对建筑电气系统的影响是不容忽视的，为了提高供配电系统的安全性与可靠性，对谐波进行深入研究很有必要，只有对谐波有了充分的认识，才能有更好的治理措施。建筑电气设计人员应充分认识到谐波的危害，在设计过程中应根据具体情况采取科学合理的方式来减少谐波的发生，降低谐波的危害，提高供电质量。

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作者简介：唐振宇（1987-），男（土家族），湖南长沙人，中机国际工程设计研究院工程师，研究方向：电气设计；刘钊（1985-），男，河北石家庄人，中机国际工程设计研究院工程师，硕士，研究方向：电气设计。

（责任编辑：小 燕）