論現代建築中諧波的危害與防治工學論文
【論文關鍵詞】智慧建築；諧波；公用電網
【論文摘要】近年來，隨著國家工業化和建築智慧化水平的不斷提高，現代建築中的諧波危害也與越來越大，本文分析了危害的產生，從兩種效能濾波器的選擇給出了諧波的防治措施，僅供參考。
隨著技術的進步和計算機時代的到來，國家工業化和建築智慧化水平不斷提高，大容量電力整流、換流裝置以及電子裝置在各工業部門和電力系統及其自動控制中的廣泛應用，產生諧波的裝置及數量均己劇增，並將繼續增長。實踐表明，來自供電系統的多種異常波形對敏感的電子裝置的正常執行構成了嚴重威脅，甚至毀壞硬體，資料丟失，所造成的經濟損失是巨大的。智慧建築中大量的電子裝置及電氣裝置產生的諧波對配電系統汙染嚴重，隨著智慧建築及智慧小區的迅速發展，若治理不力，這種汙染愈來愈重，將成為公用電網的主要汙染源。因此現代智慧建築電氣設計中必須很慎重地考慮諧波以及它的不良影響，綜合治理好智慧建築的諧波和無功功率，對提高公用電網的電能質量以及提高智慧建築的功能和效益等方面有十分重要的意義。
1諧波的概念
國際上公認的諧波定義為：“諧波是一個週期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍”。波形畸變是指交流電力系統中電壓或電流波形偏離正弦波。一個具有非正弦波形的週期變數可以用一組正弦變數及恆定分量之和來表示。頻率與原波形的頻率相同的分量稱為基波，其餘頻率為基波整數倍的分量為諧波(hannonic)。諧波頻率和基波頻率的比值稱為諧波的次數。所討論的非正弦畸變波形應該是週期性重複而且持續一段時間的過程，所以諧波是屬於穩態範疇的念。
2諧波的危害
近年來，隨著社會的發展、科技的進步，電力系統的諧波源也發生了很大的變化。目前，日益增長的非線性負荷的應用引起的諧波電流將會給電纜、變壓器機帶來麻煩。智慧建築中產生的諧波電壓和諧波電流，對配電系統是一種汙染，樓宇中的終端電氣裝置與電子裝置及樓宇智慧化系統用電環境惡化，並的通訊系統甚至配電系統以外的裝置帶來危害。智慧建築中諧波主要來自於兩方面，一是大量非線性負荷形成的諧波源，導致配電系統的電壓、電流發生畸變，產生諧波；二是公用電網本身具有一定的諧波含量和配電變壓器等作為諧波源產生的諧波，由網側傳輸至配電系統。
2.1附加諧波損耗的產生諧波也能使一些大容量電力整流、換流裝置以及電子裝置產生諧波損耗。一些附加諧波損耗的包括：其一，由於變壓器的溫度升高，它的產生由於：諧波電流能增加變壓器的銅損和漏磁損耗或者是諧波電壓能增加鐵損。其二，電動機過熱或者產生附加力矩，由於它使電機主磁通呈脈動性，將產生高頻噪音、振動和轉動的週期變動，容易與機座發生共振現象，破壞機械裝置本體，危害的嚴重性與諧波電壓、諧波電流以及旋轉電機的型式和結構有關。其三，諧波能引起電容器過熱、過壓，諧波電壓使電容器產生額外的功率損耗，並聯電容器其容抗隨著諧波頻率增大而減少，產生過電流，加速絕緣老化程序，增加絕緣擊穿故障。
2.2諧波能損壞敏感電子裝置諧波對敏感電子裝置的主要影響有：①對過零檢測以基波頻率為基準的電子裝置，因諧波的的'影響造成過零誤動作，這種多個過零破壞電子裝置的執行，最明顯的是數字時鐘，任何應用過零原理的同步元件都應考慮這種影響。半導體器件經常在電壓過零時投入，以降低電磁干擾和湧流，多次過零會改變器件投入時間，破壞裝置的執行。②電力電子電源使用波形的峰值以維持濾波電容器的全充電。諧波畸形可提高或削平波峰的峰值。其結果是即使均方根值的輸入電壓是正常的，電力電源將實際在高的或低的輸入電壓下，嚴重時裝置的執行可能遭到破壞。③諧波會引起樓宇自動化、消防報警、辦公自動化、安全防範等系統的電子裝置誤動作，甚至無法工作。
2.3諧波惡化電力電纜絕緣和母線過熱電纜的分佈電容可使諧波放大，諧波流過電力電纜時，所產生的集膚效應將會加重，使電纜產生過熱，附加損耗增大。諧波引起電纜損壞的主要原因是浸漬絕緣的區域性放電、介損和溫升的增大。電纜的額定等級愈高，諧波引起電纜介質不穩定的危險性愈大。諧波電壓引起的電壓波形畸變會影響線路正常執行，當諧波電壓與基波電壓波峰重合時，可能使線路的電暈問題變得嚴重。在電網低谷負荷下當電網電壓上升而諧波電壓也升高的時刻，電纜更容易出現故障。
2.4降低開關裝置的開斷能力高次諧波含量較高的電流將使斷路器的分斷能力降低。這是因為當電流有效值相同時，波形畸變嚴重的電流與工頻正弦波形的電流相比較大。當存在嚴重的諧波電流時，某些斷路器的磁線圈不能常工作，開斷將更為困難，而且由於開斷時間延長而延長了故障電流切除時間因而造成快速重合閘後的再燃。各種中壓斷路器在截斷電感電流時，可能發生大的諧頻湧波電壓和重燃現象，這和截流過程中激發的暫態引數諧振有關，並且常常受到附近電容器的響聲。
3簡述諧波的控制方法
以上列舉了幾種危害以及危害產生的原因，就其特點我們主要是從以下兩方面考慮：一是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的；二是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波。
3.1採用無源調諧濾波器以前傳統的諧波補償辦法主要是採用LC組成的無源調諧濾波器，由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成。它利用電容、電感在諧波頻率時發生諧振，提供諧波入地的低阻通路，使諧波匯入大地脫離電網。它的優點是：在基波時呈容性，能夠同時補償電網中感性無功功率，具有結構簡單、技術成熟、前期投資少、功率容量大、執行可靠性高、執行費用低等優點，一直被廣泛使用。但它缺點也較多：受電網阻抗和執行狀態影響大，易和系統發生並聯諧振，導致諧波放大，甚至過載燒燬；它也只能補償固定頻率的諧波，當所需補償諧波較多時需裝置多組濾波器，既增加了成本也降低了可靠性。
3.2有源電力濾波器有源濾波器是20世紀80年代以來逐漸興起的諧波抑制新方法，目前己成為諧波抑制的一種趨勢。它的優點是：能對頻率和大小都變化的諧波和無功進行補償，可以彌補無源濾波器的不足，獲得比無源濾波器更好的補償特性，是一種理想的補償諧波裝置。與無源濾波器相比，有源濾波器有以下優點：①為高次諧波電流源，不受系統阻抗的影響。②沒有共振現象，系統結構的變化不會影響補償效果。③原理上比LC濾波器更為優越，用一臺裝置就能完成各次諧波的補償。④即使高次諧波的頻率發生變化，也能完全補償。有源電力濾波器的變流電路可分為電壓型和電流型，目前實際應用的裝置中90%以上是電壓型。從與負載連線形式的角度可分為並聯型有源電力濾波器和串聯型有源電力濾波器兩大類。現在執行的裝置幾乎都是並聯型，上述型別都可以單獨使用也可以和LC濾波器混合使用。目前，有源電力濾波器的研究主要集中在交流有源電力濾波器，直流有源電力濾波器的研究也在逐步開展，典型的研究之一是在直流輸電系統中的應用。
3.3高功率因數變流器整流裝置是電力系統的主要諧波源。對整流裝置改進，使其儘量不產生諧波，並且電流電壓同相位，稱高功率因數整流器或高功率因數變流器。①採用整流電路的多重化。②採用脈寬調製整流電路。③採用帶斬波器的二極體整流電路。④矩陣式變頻電路。
參考文獻
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2戴瑜興，張義兵，胡慶偉.智慧建築諧波和無功功率的綜合治理[J].2003
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