论文部分内容阅读
摘要：小功率非线性电子设备是现代办公建筑中谐波污染的源头，熟悉谐波产生的原理和分类，采取合理有效的治理措施有利于创造一个更安全的办公环境。本文阐述了谐波的定义、产生原理及分类，介绍了某办公建筑谐波污染的检测及治理改造措施，给与人们这方面的参考和借鉴。
关键词：办公建筑；非线性设备；谐波源；谐波保护装置
引言
随着我国经济的不断增长，现代办公建筑建设项目越来越多，其中智能化系统的运用十分广泛。但是由于电子设备造成的谐波污染对智能化系统的运行造成了严重的影响。因此，如何使用合理的治理措施来控制谐波，提供一个更稳定安全的电源环境成为了施工人员需要解决的问题。下面就此进行讨论分析。
1 谐波的定义、产生原理及分类
谐波是基波（频率为50Hz）频率整数倍的正弦波电压或电流，例如100Hz的正弦波称为2次谐波，500Hz的正弦波称为10次谐波，以此类推。
谐波的产生是由于线路存在大量的非线性负荷，当电流流经负载时，与负载两端的电压不呈线性比例关系，就形成非正弦电流，即产生谐波电流。
当多个谐波电流（或电压）与基波电流（或电压）相互叠加时，就形成了各式各样的电流或电压波形，即电流畸变或电压畸变。图1为5次、7次谐波与基波叠加的波形图。
图1 5次、7次谐波与基波叠加波形图
在民用公共建筑尤其是办公建筑中，谐波多为3、5、7、9等奇次谐波，基波电流或基波电压是正弦波波形，当线路中存在谐波时，基波波形就会发生畸变，存在的谐波成分越多，波形的畸变就会越严重。
根據影响的范围及危害程度，谐波分为用户侧谐波和电力侧谐波两种。用户侧谐波是指40次以上的谐波，又称高频谐波；电力侧谐波是指40次以下的谐波，又称低频谐波，尤以3、5、7、9等奇次谐波为代表。表1为各类谐波比较与治理方法。
表1 各类谐波比较与治理方法
2 某办公建筑谐波污染的检测及治理改造措施
2.1 存在的电气问题
（1）变压器、电缆等设备出现过热；
（2）无功补偿装置不能正常投切，且出现无故损坏事故；
（3）断路器经常无故跳闸；
（4）办公室内的灯具出现频闪现象；
（5）电脑主机屏幕频闪，并出现网络运行不稳定的现象；
（6）电力仪表测量不准确。
2.2 该办公建筑中存在的谐波污染源
经过现场实地观测，办公建筑存在大量的谐波源，以上问题的出现应该是电网中的谐波含量较高造成的。该办公建筑的负荷分布相对来说较为集中，节能灯、景观装饰灯、台式计算机、笔记本电脑、打印机、投影仪、变频电梯、中央空调及UPS电源等为主要负荷，在整个负荷比例的分配中单相非线性负荷占据了较大的部分，主要谐波源可以分为以下几类：
（1）照明设备：由于办公建筑内使用的节能荧光灯较多，导致严重的谐波电流，谐波主要为3次谐波，当很多荧光灯连接在一起形成三相四线制负载时，就会流过大量的3次谐波电流。
（2）UPS和计算机：办公楼内现在大部分都是计算机网络管理，大量的计算机要求服务器数据存储系统必须配备UPS和其他备用电源，计算机和UPS电源都是谐波源，这些设备将产生3、5、7、9次等谐波。
（3）变频空调通风系统：为了节约能源，大部分办公建筑都使用变频空调通风系统，变频器是非常重要的谐波源，总谐波电流超过33%的失真率，会产生5、7次等谐波污染。
（4）其他如变频电梯、变频水泵、打印机、投影仪等，在整个负荷比例分配中占据的比例较少，但是在使用过程中却能产生较大的5、7次谐波电流。
2.3 检测情况
谐波治理措施运用前电源质量检测情况经过对某些电源回路实地谐波检测，所得数据如图2和图3所示。
图2
图3
从图2可以看出，电流的畸变率达到30%，电流谐波含量已经大大超过了国家标准，主要为3、5、7、9、13、15次谐波。
从图3中可以看出，电压波形畸变率为2.2%，符合国标不大于5%的规定；总电流约为1kA，电流的畸变率达到14%，电流谐波含量已经大大超过国标的规定，主要为3、5、7、9、11、13、15次谐波。
2.4 谐波治理措施及措施运用后电源质量检测情况
通过上述内容的归类总结和比较，发现该建筑的配电系统中存在较多的谐波电流，应采取科学合理的谐波治理方案才能有效去除系统的谐波成分，具体的谐波治理措施如下：
（1）更换变压器设备，采用D，yn11接线组别的变压器。在该联结组别的变压器中，3n次谐波励磁电流在其一次绕组内形成环流，不能注入到公共电网中去。
（2）在变配电室低压总出线处设置有源滤波柜，进行集中谐波治理。有源滤波装置通过外部采集模块采集电流信号送至控制PCB的谐波分离模块，该模块将基波成分分离，将谐波成分送至调节和检测模块，该模块会将采集到的系统谐波成分与谐波治理装置已发出的补偿电流进行比较，得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT逆变器将补偿谐波电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。有源滤波柜安装方式及位置如图4所示。
（3）在用电设备末端配电箱处装设有源滤波模块，该模块能在谐波源近端处及时有效地消除用电设备产生的谐波成分，具体安装方式及安装位置如图5所示。
在谐波治理措施运用后，该办公楼的电源环境得到了很大的改善，上述问题基本解决，生产率得到了很大的提高，图6和图7所示是进行谐波治理后的数据。
从图6和图7中可以看出电流波形在治理后得到了明显的改善，谐波含量符合国家的标准。
4 结论
总而言之，采取科学合理的谐波治理措施对办公建筑电源环境质量改善起到了十分重要的作用，不仅可以明显提高系统的反应动作和电子设备的效率，而且可以有效地降低设备的故障发生率和运行的成本，值得我们对此加以重视，制定合适的保护方案，创造更好的经济和社会效益。
关键词：办公建筑；非线性设备；谐波源；谐波保护装置
引言
随着我国经济的不断增长，现代办公建筑建设项目越来越多，其中智能化系统的运用十分广泛。但是由于电子设备造成的谐波污染对智能化系统的运行造成了严重的影响。因此，如何使用合理的治理措施来控制谐波，提供一个更稳定安全的电源环境成为了施工人员需要解决的问题。下面就此进行讨论分析。
1 谐波的定义、产生原理及分类
谐波是基波（频率为50Hz）频率整数倍的正弦波电压或电流，例如100Hz的正弦波称为2次谐波，500Hz的正弦波称为10次谐波，以此类推。
谐波的产生是由于线路存在大量的非线性负荷，当电流流经负载时，与负载两端的电压不呈线性比例关系，就形成非正弦电流，即产生谐波电流。
当多个谐波电流（或电压）与基波电流（或电压）相互叠加时，就形成了各式各样的电流或电压波形，即电流畸变或电压畸变。图1为5次、7次谐波与基波叠加的波形图。
图1 5次、7次谐波与基波叠加波形图
在民用公共建筑尤其是办公建筑中，谐波多为3、5、7、9等奇次谐波，基波电流或基波电压是正弦波波形，当线路中存在谐波时，基波波形就会发生畸变，存在的谐波成分越多，波形的畸变就会越严重。
根據影响的范围及危害程度，谐波分为用户侧谐波和电力侧谐波两种。用户侧谐波是指40次以上的谐波，又称高频谐波；电力侧谐波是指40次以下的谐波，又称低频谐波，尤以3、5、7、9等奇次谐波为代表。表1为各类谐波比较与治理方法。
表1 各类谐波比较与治理方法
2 某办公建筑谐波污染的检测及治理改造措施
2.1 存在的电气问题
（1）变压器、电缆等设备出现过热；
（2）无功补偿装置不能正常投切，且出现无故损坏事故；
（3）断路器经常无故跳闸；
（4）办公室内的灯具出现频闪现象；
（5）电脑主机屏幕频闪，并出现网络运行不稳定的现象；
（6）电力仪表测量不准确。
2.2 该办公建筑中存在的谐波污染源
经过现场实地观测，办公建筑存在大量的谐波源，以上问题的出现应该是电网中的谐波含量较高造成的。该办公建筑的负荷分布相对来说较为集中，节能灯、景观装饰灯、台式计算机、笔记本电脑、打印机、投影仪、变频电梯、中央空调及UPS电源等为主要负荷，在整个负荷比例的分配中单相非线性负荷占据了较大的部分，主要谐波源可以分为以下几类：
（1）照明设备：由于办公建筑内使用的节能荧光灯较多，导致严重的谐波电流，谐波主要为3次谐波，当很多荧光灯连接在一起形成三相四线制负载时，就会流过大量的3次谐波电流。
（2）UPS和计算机：办公楼内现在大部分都是计算机网络管理，大量的计算机要求服务器数据存储系统必须配备UPS和其他备用电源，计算机和UPS电源都是谐波源，这些设备将产生3、5、7、9次等谐波。
（3）变频空调通风系统：为了节约能源，大部分办公建筑都使用变频空调通风系统，变频器是非常重要的谐波源，总谐波电流超过33%的失真率，会产生5、7次等谐波污染。
（4）其他如变频电梯、变频水泵、打印机、投影仪等，在整个负荷比例分配中占据的比例较少，但是在使用过程中却能产生较大的5、7次谐波电流。
2.3 检测情况
谐波治理措施运用前电源质量检测情况经过对某些电源回路实地谐波检测，所得数据如图2和图3所示。
图2
图3
从图2可以看出，电流的畸变率达到30%，电流谐波含量已经大大超过了国家标准，主要为3、5、7、9、13、15次谐波。
从图3中可以看出，电压波形畸变率为2.2%，符合国标不大于5%的规定；总电流约为1kA，电流的畸变率达到14%，电流谐波含量已经大大超过国标的规定，主要为3、5、7、9、11、13、15次谐波。
2.4 谐波治理措施及措施运用后电源质量检测情况
通过上述内容的归类总结和比较，发现该建筑的配电系统中存在较多的谐波电流，应采取科学合理的谐波治理方案才能有效去除系统的谐波成分，具体的谐波治理措施如下：
（1）更换变压器设备，采用D，yn11接线组别的变压器。在该联结组别的变压器中，3n次谐波励磁电流在其一次绕组内形成环流，不能注入到公共电网中去。
（2）在变配电室低压总出线处设置有源滤波柜，进行集中谐波治理。有源滤波装置通过外部采集模块采集电流信号送至控制PCB的谐波分离模块，该模块将基波成分分离，将谐波成分送至调节和检测模块，该模块会将采集到的系统谐波成分与谐波治理装置已发出的补偿电流进行比较，得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT逆变器将补偿谐波电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。有源滤波柜安装方式及位置如图4所示。
（3）在用电设备末端配电箱处装设有源滤波模块，该模块能在谐波源近端处及时有效地消除用电设备产生的谐波成分，具体安装方式及安装位置如图5所示。
在谐波治理措施运用后，该办公楼的电源环境得到了很大的改善，上述问题基本解决，生产率得到了很大的提高，图6和图7所示是进行谐波治理后的数据。
从图6和图7中可以看出电流波形在治理后得到了明显的改善，谐波含量符合国家的标准。
4 结论
总而言之，采取科学合理的谐波治理措施对办公建筑电源环境质量改善起到了十分重要的作用，不仅可以明显提高系统的反应动作和电子设备的效率，而且可以有效地降低设备的故障发生率和运行的成本，值得我们对此加以重视，制定合适的保护方案，创造更好的经济和社会效益。