浅述建筑电气行业中的谐波问题及相关工程实例

浅述建筑电气行业中的谐波问题及相关工程实例
摘要：本文旨在分析谐波产生的原因以及对于电气系统的影响，并列举相关的
解决方法，以及借用一个工程实例来阐述如何进行故障分析及寻找解决方法。

一、概要
当前，谐波问题已经成为建筑电气行业中越来越关注的问题，因为谐波会造
成各种各样的电气设备故障甚至损害、或者对电网产生影响进而影响电网上的设备。

由于谐波产生的原因千差万别且不可预测，使得谐波问题的治理较为复杂，
在工程设计阶段往往缺乏实际数据的支撑而无法百分之百地预测谐波并通过设计
手段有效地抑制谐波，只能按常规的设计通则来设计，或为未来进一步治理提供
一定程度的预留条件，留待项目完工并运营一段时间后，通过观察测量真实产生
的谐波，来进行针对性的治理，从而抑制谐波。

二、谐波产生的原因
首先要明确一点，谐波并非属于线路故障，而是由于某些元器件的工作特性
引起的。

例如由于二极管的正向导通、反向高阻的工作特性，使得正向电流正常、而反向电流为零，电流失真不再是正弦波形。

因为在理想的电力系统中，电流和电压都是纯粹的正弦波。

而由于大量非线
性电气设备的投入运行，产生各种突发脉冲，使得电压波形、电流波形已不是完
全的正弦波波形，以不同程度地发生了失真畸变，也就是引起了谐波。

以前，认为谐波仅在铁路行业使用的整流器和工业中使用的直流变速驱动产生。

然而近年来，民用建筑中由于产生谐波的设备的种类和数量急剧增多并持续
出现，设计人员越来越多地关注和重视谐波问题并寻求抑制和减少谐波的方法，
以期将谐波控制在合理范围内，不至于严重损坏设备甚至将问题反馈到电网端引
起电网波动。

民用建筑中引起谐波的非线性设备主要有以下几种：
单相负载，如开关电源、电子镇流荧光灯、小型UPS
三相负载，如变频器、大型UPS开关
三、谐波造成的危害
谐波的表现形式有谐波电流和谐波电压，均可对电源系统和设备造成危害。

谐波电流主要会引起如下几个问题：
•中性线过载：在三相平衡系统中，中性线电流为零。

中性线通常采用一半
的截面就是因为此。

当某相的负载不平衡时，中性线上就会出现不平衡电流。

尽
管三相基波电流抵消为零，但每相的3N次谐波电流会叠加在中性线上，假设每
相产生70%的三次谐波电流，那么叠加后中性线上就阐述了210%的谐波电流。

研究表明，商业项目，会有150%-210%的电流流过通常为相线截面一半的中性线上。

•变压器过热：变压器受谐波影响主要有两个方面。

一是涡流损耗，通常10%的损耗，随着谐波次数的平方而增长。

实际上，一台带有IT设备的满载变压器，
损耗是相同线性负载的两倍。

二是3N次谐波的影响，3N次谐波在三角形绕组里
循环，被有效地吸收而不会反馈到电源端，引起绕组过热，而其它次谐波都能通过。

•断路器误跳闸：
谐波引起剩余电流保护器RCCB误跳闸主要有两个原因。

一，漏电断路器RCCB可能不能正确地将更高次谐波含量相加而误跳闸。

二、产生谐波的设备也会
产生开关噪音，这些噪音须被过滤。

这种滤波器在相地间和相中性线间存在电容，因此会通过电容产生出对地露电流。

规范限制这个泄露电流在3.5mA以下，甚至
更低，但当设备接到一条电路中，泄露电流可以足够大而使RCCB跳闸。

这种情
况能通过增加更多负载来解决。

•功率因数校正电容器的过流过压：功率因数校正器的电容阻抗随频率上升
而降低，而电源阻抗通常为感性，随着频率上升而增大。

一个潜在的危险是当电
容和电源系统的杂散电感在其中一个谐波频率处或附近发生谐振，会产生非常大
的电压和电流，造成电容器烧毁等严重危害。

通常，可通过串联电抗来避免谐振，在谐波的最低频率处呈感性。

•集肤效应：交流电更倾向于在导体表面通过，在高频时更加明显。

工频时
集肤效应通常被忽略，而高频时例如7次频率时，就很明显，造成额外的损耗，
使得输电线路的损耗增加。

可采用多芯电缆和复合母排来缓解该效应。

谐波电压则主要会引起如下几个问题：
•电压畸变：由于非线性负载产生的谐波电流引起了谐波电压，施加到跟电
源连接的所有负载上，不管是非线性还是线性负载，都随之又产生谐波电流。

•感应电动机：谐波电压畸变使电动机和变压器涡流损耗增大。

然而，由于
在定子中产生谐波场，每个定子试图让电动机以不同的速度正转或者反转，以及
在转子中感应产生的高频电流，更是造成了额外的损耗。

这种情况下，电动机应
该降额选用。

•过零噪声：当谐波或瞬变在电源端出现时，过零处的电压变换速度更快，
也更难识别，造成在半个周期里过零好几次。

四、消除谐波的方法
1、消除源头
谐波的治理，首先应当考虑控制好源头，使系统中产生的谐波尽量减小，例
如在其他条件同等或类似的情况下优先选择12脉冲或Delta变换的设备，选择有
更换的整流电路和完善的滤波措施的产品。

2、无源滤波器
无功补偿和谐波滤除通常同时使用，电容器与电抗器组成串联回路，其谐振
频率设定在需要消除的谐波频率上。

例如，6%电抗器抑制5次谐波效果较好，但
同时会放大3次谐波的作用；当系统里3次谐波成本较多时，需要配置12%电抗器，应根据系统谐波背景选择合适的电抗率。

同时需要注意的是，在串联电抗上会存在一个电压降，它会导致加到并联电
容上的电压升高。

电抗系数越高，电压增加越大。

因此，在考虑电抗率的同时，
也应考虑电抗器带来电容器电压的升高，电压升高会造成电容器寿命降低，甚至
发生发热爆炸的现象。

3、隔离变压器
前面提到，3N次谐波可以在Delta绕组中环流，虽然这造成了变压器的过热
和损耗，但是对系统而言，它将3N次谐波阻挡在了电源外。

4、有源滤波器：动态技术，通过产生一个和谐波同频率、同幅度但相位相反的谐波电流，来抵消由负载产生的系统谐波电流，以及电源端存在的电压畸变。

有源滤波器的好处是能够减少约90%的谐波电流，改善功率因数，不会产生谐振，不会过载，灵活，能针对特殊的谐波频率自行编程。

甚至有时候可以同时采用无源和有源滤波器，无源滤波器用以消除特定次数
的谐波，剩余次数的谐波则可由有源滤波器滤除。

当然，这么做的代价是较高的
成本，一般用户只要能将谐波控制在国标规定限值以内，不至于危害其它用电设备，不追求必须采用有源滤波，但现在的许多项目，会在设计阶段在配电柜处预
留一个空位，或一个空柜安装空间，若未来投入运行后发现无源滤波达不到滤波
效果，会在预留处增加有源滤波器，这样能节省初投资、又能在后期针对性地进
行有源滤波器的设计及安装。

五、工程实例
某商业综合体在运行过程中，其中冷热源变电所内的无功补偿柜多次发生电
容器鼓胀、爆炸事故，所幸无人员伤亡。

事后业主聘请第三方检测机构进行现场
测量、寻找事故原因，以消除并降低故障再次发生的可能性。

对发生故障的变电所配电支路出线端进行测试，该支路上的常用主要负载有：冷却塔等，采用变频器方式。

测量点选在支路出线端、变压器低压侧出线端，测量电压均方根、电流均方根、谐波电压、谐波电流、功率因数。

其它测量项目还有现场温度测量、铜排温
升检测、电容器检测、发黑铜排材质检测。

在已替换损毁的电容器后，主开关测试点的检测结果为：
电压均方根：相电压225V-235V，波动范围在±5%以内；
电流均方根：稳态运行电流497.4A，在额定范围内；
谐波电压：稳态运行谐波电压总畸变率3.1%，主要谐波电压为5、7次。

符
合谐波电压畸变率限值5%要求；
谐波电流：稳态运行谐波电流总畸变率38.5%，主要谐波电流为5、7次。

谐
波电流超标。

功率因数：0.90，符合要求。

由以上测试结果可以看到，该配电支路主要存在的问题是稳态下的谐波电流
过量，该谐波次数为5、7次，主要是由变频器工作时六脉冲整流器的原因产生，有可能变频器本身未采取滤波措施，或是滤波装置的参数不合适，造成该回路前
端存在谐波电流超标的问题。

当这个问题长时间存在，将会长期累积放大。

无功
补偿柜的容性阻抗与配电系统的系统感抗之间，在主要谐波电流次数的频率点上
可能存在并联谐振，瞬间启动时谐波电压过高会引发局部串联谐振，使谐波含量
放大，造成电容器过压过流，从而发生鼓胀、爆炸事故。

建议的解决方案是在无功补偿柜后端、负载前端并联合适的有源滤波器，主
动探测谐波电流以提供相同大小但相位相反的电流以抵消谐波电流。

六、小结
谐波的产生原因很多，对设备及电网造成的危害不容小觑，在建筑电气行业，谐波日益成为关注问题，项目应结合实际情况，采取适当的谐波抑制措施，将谐
波抑制在可接受范围内，不至于影响电网及电网上的设备。

参考文献
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