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論現代建筑中諧波的危害與防治工學(xué)論文
【論文關(guān)鍵詞】智能建筑；諧波；公用電網(wǎng)
【論文摘要】近年來(lái)，隨著(zhù)國家工業(yè)化和建筑智能化水平的不斷提高，現代建筑中的諧波危害也與越來(lái)越大，本文分析了危害的產(chǎn)生，從兩種性能濾波器的選擇給出了諧波的防治措施，僅供參考。
隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步和計算機時(shí)代的到來(lái)，國家工業(yè)化和建筑智能化水平不斷提高，大容量電力整流、換流設備以及電子設備在各工業(yè)部門(mén)和電力系統及其自動(dòng)控制中的廣泛應用，產(chǎn)生諧波的設備及數量均己劇增，并將繼續增長(cháng)。實(shí)踐表明，來(lái)自供電系統的多種異常波形對敏感的電子設備的正常運行構成了嚴重威脅，甚至毀壞硬件，數據丟失，所造成的經(jīng)濟損失是巨大的。智能建筑中大量的電子設備及電氣設備產(chǎn)生的諧波對配電系統污染嚴重，隨著(zhù)智能建筑及智能小區的迅速發(fā)展，若治理不力，這種污染愈來(lái)愈重，將成為公用電網(wǎng)的主要污染源。因此現代智能建筑電氣設計中必須很慎重地考慮諧波以及它的不良影響，綜合治理好智能建筑的諧波和無(wú)功功率，對提高公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及提高智能建筑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(gè)周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(gè)具有非正弦波形的周期變量可以用一組正弦變量及恒定分量之和來(lái)表示。頻率與原波形的頻率相同的分量稱(chēng)為基波，其余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(chēng)為諧波的次數。所討論的非正弦畸變波形應該是周期性重復而且持續一段時(shí)間的過(guò)程，所以諧波是屬于穩態(tài)范疇的念。
2諧波的危害
近年來(lái)，隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展、科技的進(jìn)步，電力系統的諧波源也發(fā)生了很大的變化。目前，日益增長(cháng)的非線(xiàn)性負荷的應用引起的諧波電流將會(huì )給電纜、變壓器機帶來(lái)麻煩。智能建筑中產(chǎn)生的諧波電壓和諧波電流，對配電系統是一種污染，樓宇中的終端電氣設備與電子設備及樓宇智能化系統用電環(huán)境惡化，并的通信系統甚至配電系統以外的設備帶來(lái)危害。智能建筑中諧波主要來(lái)自于兩方面，一是大量非線(xiàn)性負荷形成的諧波源，導致配電系統的電壓、電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波；二是公用電網(wǎng)本身具有一定的諧波含量和配電變壓器等作為諧波源產(chǎn)生的諧波，由網(wǎng)側傳輸至配電系統。
2.1附加諧波損耗的產(chǎn)生諧波也能使一些大容量電力整流、換流設備以及電子設備產(chǎn)生諧波損耗。一些附加諧波損耗的包括：其一，由于變壓器的溫度升高，它的產(chǎn)生由于：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(dòng)機過(guò)熱或者產(chǎn)生附加力矩，由于它使電機主磁通呈脈動(dòng)性，將產(chǎn)生高頻噪音、振動(dòng)和轉動(dòng)的周期變動(dòng)，容易與機座發(fā)生共振現象，破壞機械設備本體，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(guān)。其三，諧波能引起電容器過(guò)熱、過(guò)壓，諧波電壓使電容器產(chǎn)生額外的功率損耗，并聯(lián)電容器其容抗隨著(zhù)諧波頻率增大而減少，產(chǎn)生過(guò)電流，加速絕緣老化進(jìn)程，增加絕緣擊穿故障。
2.2諧波能損壞敏感電子設備諧波對敏感電子設備的主要影響有：①對過(guò)零檢測以基波頻率為基準的電子設備，因諧波的的影響造成過(guò)零誤動(dòng)作，這種多個(gè)過(guò)零破壞電子設備的運行，最明顯的是數字時(shí)鐘，任何應用過(guò)零原理的同步元件都應考慮這種影響。半導體器件經(jīng)常在電壓過(guò)零時(shí)投入，以降低電磁干擾和涌流，多次過(guò)零會(huì )改變器件投入時(shí)間，破壞設備的運行。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(shí)際在高的或低的輸入電壓下，嚴重時(shí)設備的運行可能遭到破壞。③諧波會(huì )引起樓宇自動(dòng)化、消防報警、辦公自動(dòng)化、安全防范等系統的電子裝置誤動(dòng)作，甚至無(wú)法工作。
2.3諧波惡化電力電纜絕緣和母線(xiàn)過(guò)熱電纜的分布電容可使諧波放大，諧波流過(guò)電力電纜時(shí)，所產(chǎn)生的集膚效應將會(huì )加重，使電纜產(chǎn)生過(guò)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局部放電、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(zhì)不穩定的危險性愈大。諧波電壓引起的電壓波形畸變會(huì )影響線(xiàn)路正常運行，當諧波電壓與基波電壓波峰重合時(shí)，可能使線(xiàn)路的電暈問(wèn)題變得嚴重。在電網(wǎng)低谷負荷下當電網(wǎng)電壓上升而諧波電壓也升高的時(shí)刻，電纜更容易出現故障。
2.4降低開(kāi)關(guān)設備的開(kāi)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(shí)，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(shí)，某些斷路器的磁線(xiàn)圈不能常工作，開(kāi)斷將更為困難，而且由于開(kāi)斷時(shí)間延長(cháng)而延長(cháng)了故障電流切除時(shí)間因而造成快速重合閘后的再燃。各種中壓斷路器在截斷電感電流時(shí)，可能發(fā)生大的諧頻涌波電壓和重燃現象，這和截流過(guò)程中激發(fā)的暫態(tài)參數諧振有關(guān)，并且常常受到附近電容器的響聲。
3簡(jiǎn)述諧波的控制方法
以上列舉了幾種危害以及危害產(chǎn)生的原因，就其特點(diǎn)我們主要是從以下兩方面考慮：一是裝設諧波補償裝置來(lái)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(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波。
3.1采用無(wú)源調諧濾波器以前傳統的諧波補償辦法主要是采用LC組成的無(wú)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(shí)發(fā)生諧振，提供諧波入地的低阻通路，使諧波導入大地脫離電網(wǎng)。它的優(yōu)點(diǎn)是：在基波時(shí)呈容性，能夠同時(shí)補償電網(wǎng)中感性無(wú)功功率，具有結構簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、前期投資少、功率容量大、運行可靠性高、運行費用低等優(yōu)點(diǎn)，一直被廣泛使用。但它缺點(diǎn)也較多：受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響大，易和系統發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大，甚至過(guò)載燒毀；它也只能補償固定頻率的諧波，當所需補償諧波較多時(shí)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(lái)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(yōu)點(diǎn)是：能對頻率和大小都變化的諧波和無(wú)功進(jìn)行補償，可以彌補無(wú)源濾波器的不足，獲得比無(wú)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(wú)源濾波器相比，有源濾波器有以下優(yōu)點(diǎn)：①為高次諧波電流源，不受系統阻抗的影響。②沒(méi)有共振現象，系統結構的變化不會(huì )影響補償效果。③原理上比LC濾波器更為優(yōu)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(fā)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(shí)際應用的裝置中90%以上是電壓型。從與負載連接形式的角度可分為并聯(lián)型有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器兩大類(lèi)�，F在運行的裝置幾乎都是并聯(lián)型，上述類(lèi)型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(kāi)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(jìn)，使其盡量不產(chǎn)生諧波，并且電流電壓同相位，稱(chēng)高功率因數整流器或高功率因數變流器。①采用整流電路的多重化。②采用脈寬調制整流電路。③采用帶斬波器的二極管整流電路。④矩陣式變頻電路。
參考文獻
1宋文南，劉寶仁.電力系統諧波分析[M].北京：水利電力出版社，1995
2戴瑜興，張義兵，胡慶偉.智能建筑諧波和無(wú)功功率的綜合治理[J].2003
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