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摘要：在房屋建筑中非線性用電設備、照明、家用電器、辦公電器等用電設備的質量參差不齊，往往會產生大小不一的諧波；由于非線性用電設備的數量眾多，且分布很廣，眾多的諧波疊加將對供、配電系統造成嚴重危害，給用電設備及人身帶來損害。在此對房屋建筑中的非線性用電設備諧波危害進行分析。...

房屋建筑中非線性用電設備諧波的危害

鄭林忠

(浙江泛華工程監理有限公司，浙江杭州310005)

1.房屋建筑中能產生諧波的非線性用電設備概述

    在房屋建筑的各種電器設備、設施中，非線性用電設備、照明、家用辦公電器在人們生活和企事業單位應用十分廣泛，這些非線性用電設備可分為兩大類，一類是家用電器、辦公電器、照明燈具，如電視機、各種節能燈、電冰箱、洗衣機、微波爐、電磁爐、計算機、激光打印機、充電器、調速驅動的空調等等；另一類是建筑中的動力控制設備，如電梯控制設備、水泵控制設備、風機控制設備、各種自控設備、各種醫療和科研用的儀器和設備等等。凡含有非線性元件的家用電器、辦公電器、動力控制設備，均會產生不同的諧波。

    這些設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。其勵磁電流所占比例都較大，雖然單個容量較小，但數量眾多，它們產生的高次諧波疊加后會對電力系統造成嚴重影響，加重電力網的諧波污染，還會對用電線路、設備及用戶造成損害。

    這些非線性用電設備中的充電裝置、開關電源、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，從電網吸收的是半周正弦波，而留給電網剩下的半周正弦波，這種半周正弦波分解后能產生大量的諧波。有統計表明，整流設備所產生的諧波占整個諧波的近40％左右，是最大的諧波源。

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

    非線性用電設備中的計算機、電視機、錄像機、調光燈具、調溫炊具、微波爐等家用電器，因內置調壓、整流元件，也會對電網產生高次奇諧波；電風扇、洗衣機、空調器含小功率電動機，也會產生一定量的諧波。這類設備功率雖小，但數量多，也是電網諧波源中不可忽視的因素。

    在建筑中普遍使用大功率設備如水泵、風機、電梯、空調等，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工頻電源經三相橋式可控硅整流，變成直流電壓信號，濾波后由大功率晶體開關元件逆變成可變頻率的交流信號。后者將固定頻率的交流電直接轉換成相數一致但頻率可調的交流電。兩者均采用相位控制技術，所以在變換后會產生含復雜成分(整次或分次)的諧波。因變頻裝置一般具有較大功率，也會對電網造成嚴重的諧波污染。

2.通過實驗測試對部分電器的諧波分析

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

    (2)節能燈。隨著建筑節能的要求，節能燈的應用已經十分普遍，大量的節能燈是建筑中最大的諧波源之一。節能燈幾乎都是諧波源，大多數節能燈的諧波電流畸變，由于設計差異，不同種類和型號節能燈的諧波電流次數均不同。

    (3)各種熒光燈。

    ①線繞鎮流器的3次諧波較高，在10％左右。

    ②電子鎮流器型脈沖式，為奇數次諧波，其中3次諧波較高為75％左右，各奇數次含有率15％左右，奇數次愈高，含有率愈低；產品為高頻時各諧波含有率較低，一般為8％左右。

    ③第二亞型電子鎮流器是經整流再逆變的，產生出20～60 kHz的電流經過高頻變壓器饋供給燈管，故除了3～19各奇數次諧波電流外，還有極高頻率的諧波電流存在。

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

    (4)調光白熾燈。其特征諧波電流全部為奇數次諧波，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)空調機。諧波分布為2～15次。諧波電流大小依工作方式而變，只開風扇時，諧波電流為8％左右，制冷時諧波電流為24％左右，制熱時諧波電流為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。諧波為奇數次波，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、復印機、游戲機的用電性質以及諧波含有率也與之相類似。

3.諧波的危害

    (1)諧波對配電系統的危害。主要是對線路上所配置的保護及測量設備的影響。因這些設備一般采用電磁式繼電器、感應繼電器元件，容易接受諧波干擾而誤動和拒動，系統中存在的不明原因的誤動和拒動，很大一部分與諧波有關系。所以諧波超標會嚴重威脅配電系統的安全穩定運行。

    (2)諧波對電動機的危害。主要是產生附加的損耗和轉矩，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、磁滯、渦流等隨著頻率的增高，會使在旋轉電動機的鐵心和繞組中產生附加損耗增加。電動機的出力一般不能根據發熱情況而調整，由諧波引起的電動機發熱效應是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負序電壓來考慮的。試驗表明，在額定出力下持續承受3％額定電壓的負序電壓時，電動機的絕緣壽命要減少一半。負序諧波產生的負序旋轉磁場會產生制動力矩，嚴重影響電動機的效率。

    (3)諧波對電力電子設備的危害。電力電子設備對供電電壓的諧波畸變很敏感，這種設備常常須靠電壓波形的過零點或其它電壓波形取得同步運行。電壓諧波畸變可導致電壓過零點漂移或改變一個相間電壓高于另一個相間電壓的位置點。這兩點對于不同類型的電力電子電路控制是至關重要的。控制系統對這兩點(電壓過零點與電壓位置點)的判斷錯誤可導致控制系統失控。而電力與通訊線路之間的感性或容性耦合亦可能造成對通訊設備的干擾。計算器和其它一些電子設備，如可編過程控制器(PLC)，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5％．且個別諧波電壓畸變率低于3％，較高的畸變量可導致控制設備誤動作，進而造成生產或運行中斷，導致較大的經濟損失。對工業企業自動化的正常通訊造成干擾，影響電力電子計量設備的準確性，可能使電能計量產生較大誤差，嚴重時會導致計量混亂。同樣，諧波也是引起錄波裝置誤啟動、保護誤動和拒動的重要因素。

    (4)諧波對變壓器的危害。諧波電流會大大增加電力變壓器的銅損和鐵損，特別是3次及其倍數次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環流，使繞組過熱；對星形連接的變壓器，當繞組中性點接地，而該側電網中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯電容器時，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)諧波對無功補償設備的危害。諧波注入電網時容易造成變電站高壓電容過電流和過負荷，在諧波場合下，電容柜無法正常投切，更嚴重的情況下，電容柜會將電網諧波進一步放大。同時諧波會導致電容端電壓升高，損耗加大，使電容器發熱，加速老化，從而縮短使用壽命，嚴重時會使電容器損毀。

    (6)諧波對電網的危害。諧波注入電網后會使無功功率加大，功率因數降低，甚至有可能引發并聯或串聯諧振，損壞電氣設備以及干擾通信線路的正常工作。高次諧波能使電網的電壓與電流波形發生畸變，另外相同頻率的諧波電壓和諧波電流要產生同次諧波的有功功率和無功功率，從而降低電網電壓，增加線路損耗，浪費電網容量。

    (7)諧波對低壓配電線路的危害。諧波會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，嚴重時會使零線發熱燒毀，造成同一系統用電設備的損壞。

    此外，諧波會通過靜電感應、電磁感應以及傳導等多種方式耦合進通訊系統，影響它們的正常運行。對于人體，諧波會刺激人體細胞，使正常的細胞膜電位發生快速波動或可逆的翻轉，當這種波動或翻轉頻率接近諧波頻率時，會影響人體大腦與心臟。

4.目前在房屋建筑中諧波防治的現狀和解決的主要舉措

    (1)目前在房屋建筑中諧波防治的現狀。

    我國目前并沒有在用電環節進行系統完善防治諧波的規范和標準，雖然《電能質量一公用電網諧波(GB／T l4549—1993)》對電網各級電壓諧波水平進行了量化限制，對用戶注入公用電網的諧波電流也進行了相應的規定，在主網、城網中，諧波治理也有明確的規定和要求，但沒有對人電網的各種用電設備、用電電器等制定出具體的準入標準，也沒有對房屋建筑設計中對有關諧波的防治進行具體規范。

    由于房屋建筑中使用的電氣設備和產品不規范產生的諧波，目前設計中對諧波防治一般又都無具體措施，已經有不少案例說明諧波給用電帶來危害，如某公司大樓為了節能需要把原來的照明白熾燈、日光燈等全部換成節能燈，更換后不久低配系統的功率因素補償電容就全部損毀。某小區由于設計防治諧波措施欠缺，電源零線出現過負載性損毀。

    (2)當前亟待解決的舉措。

    ①從國家管理層面上，在發電、輸電、配電、用電環節都可能產生諧波，其中產生諧波最多位于用電環節上。隨著房屋建筑中非線性設備、設施的普遍使用，應該首先從產品源頭控制，制定出入電網使用的各種用電設備、用電電器等具體的標準和準入制度；其次是規范房屋建筑諧波防治設計、施工等標準；再次是加強標準和相應規范的宣傳貫徹，并對 IEC 6100以及國標GB／T l4549．1993對于諧波定義、測量等進行宣傳，明確對諧波治理是一項互惠互利、節能增效的措施，能保證電網和設備安全穩定運行。

    ②從設計層面上，要加強房屋建筑諧波防治的技術措施，如設置效果較好的濾波設備；選用諧波指標不超標的產品；增加零線的負載等等。這是用戶環節諧波防治的一道主要防線。

    ③從建設方、施工方層面上，要把好房屋建筑中非線性各種用電設備、用電電器的采購關，并增加必要的投入。

    目前房屋建設中對諧波的危害沒有引起足夠的重視，隨著電子技術的飛速發展，非線性元器件在房屋建筑中大量的使用，諧波防治的任務已經十分緊迫。用電環節的諧波治理，不僅能夠改善整個網絡的電力品質，同時也能延長用戶設備使用壽命，提高產品質量，降低電磁污染環境，減少能耗，提高電能利用率。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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