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探討諧波治理措施在建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
摘要:本文結(jié)合筆者多年工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)諧波存在于智能建筑中的危害進(jìn)行了分析,并針對(duì)目前在建筑電氣設(shè)計(jì)中應(yīng)用的諧波治理措施作了比較與分析,謹(jǐn)供大家作參考之用。
關(guān)鍵詞:智能建筑;電氣設(shè)計(jì);諧波治理措施;危害
1 諧波對(duì)智能建筑的危害
智能建筑中諧波主要來(lái)自?xún)煞矫妫阂皇谴罅糠蔷性負(fù)荷形成的諧波源,例如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)電源、電子式熒光整流器等導(dǎo)致配電系統(tǒng)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作為諧波源產(chǎn)生的諧波,由公用電網(wǎng)側(cè)傳輸至配電系統(tǒng)。
惡劣的諧波環(huán)境將會(huì)對(duì)智能建筑中用電設(shè)備和系統(tǒng)造成巨大的危害,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
①由于設(shè)備自身產(chǎn)生的接地電流在設(shè)備和真實(shí)地之間產(chǎn)生一個(gè)電壓降,因此,容易使電腦死機(jī);高次諧波會(huì)在中性線上疊加,中性線電流能夠在建筑物金屬結(jié)構(gòu)上任意流動(dòng),從而產(chǎn)生不受控制的磁場(chǎng),即引發(fā)計(jì)算機(jī)屏幕的頻閃現(xiàn)象;由于開(kāi)關(guān)、短路以及負(fù)載變化而引起的短時(shí)間電壓變化將會(huì)引起燈光頻閃,過(guò)度的頻閃將會(huì)使人體不舒服;嚴(yán)重的諧波畸變會(huì)引起在一個(gè)正弦周波內(nèi)的額外過(guò)零點(diǎn),影響測(cè)試設(shè)備,干擾程序控制裝置的同步性,導(dǎo)致控制裝置死機(jī)。
②智能建筑中線纜密布,系統(tǒng)設(shè)備繁多,微電子裝備復(fù)雜,且防護(hù)能力弱,高次諧波將會(huì)使智能化系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生誤碼、錯(cuò)碼、誤動(dòng)作,使信號(hào)系統(tǒng)受到污染、產(chǎn)生噪聲,甚至連通話質(zhì)量都不能保證。隨著低電壓信號(hào)在IT設(shè)備中使用的增加,比特錯(cuò)誤率也隨之提高,甚至可以高到使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
③在諧波電壓作用下,電容器會(huì)產(chǎn)生額外的功率損耗,加快絕緣介質(zhì)的老化。更為嚴(yán)重的是,大量諧波電流很可能引發(fā)電容器和系統(tǒng)其他元件之間的并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振,造成電容器超載而損壞;使與電容器連接的配電回路中所有線路、設(shè)備因電壓閃變、超壓、過(guò)負(fù)荷而損壞。
④配電回路的諧波電流含量高會(huì)使斷路器遮斷能力降低。這是因?yàn)榛冸娏鬟^(guò)零點(diǎn)時(shí),電弧電流隨時(shí)間的變化要比工頻正弦電流大,電弧電壓的恢復(fù)要迅速得多,使電弧容易重燃,導(dǎo)致誤跳閘或在該跳閘的時(shí)候根本不跳。剩余電流可能會(huì)達(dá)到使剩余電流保護(hù)裝置動(dòng)作的設(shè)定值。事實(shí)表明,空氣電磁斷路器不能遮斷其分?jǐn)嗄芰Ψ秶鷥?nèi)波形畸變率超過(guò)50%的故障電流,而且還會(huì)導(dǎo)致斷路器損壞。
⑤電壓諧波會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的額外損耗。高次諧波導(dǎo)致的扭矩脈動(dòng)在聯(lián)軸器和軸承處會(huì)產(chǎn)生磨損和裂紋。由于電機(jī)速度是固定的,諧波中儲(chǔ)藏的能量就以額外的熱量形式散發(fā)了,導(dǎo)致設(shè)備過(guò)早老化。
⑥對(duì)于電力電纜和配電線路,諧波電流頻率增高會(huì)引起明顯的集膚效應(yīng),導(dǎo)線電阻增大,線損加大,發(fā)熱增加,絕緣過(guò)早老化,容易發(fā)生接地短路故障,形成潛在的火災(zāi)隱患。在智能建筑中大量集中使用電子計(jì)算機(jī)和大面積采用電子節(jié)能氣體光源照明的場(chǎng)合,中性線電流甚至達(dá)到相線電流的2倍,致使中性線過(guò)熱、燒毀,甚至導(dǎo)致火災(zāi)。
2 諧波治理的主要措施
①采用無(wú)源濾波器。采用無(wú)源濾波器是傳統(tǒng)的抑制諧波的方法。無(wú)源濾波器包括一組以串聯(lián)方式連接的電抗器與電容器。此電路的阻抗在某一頻率下,被設(shè)計(jì)成比電網(wǎng)中的其他電路低的多。這種裝置的缺點(diǎn)是容易過(guò)載,在過(guò)載時(shí)會(huì)被燒損。另外,可能造成功率因數(shù)過(guò)補(bǔ)償,同時(shí)無(wú)源濾波器不能受控。因此,隨著時(shí)間的改變以及配件老化或電網(wǎng)負(fù)載的變動(dòng),會(huì)改變諧波振頻率,使濾波效果下降。更重要的是,無(wú)源濾波器只可以過(guò)濾一種諧波成分。如果過(guò)濾不同的頻率,則要分別采用不同的濾波器,如有的濾波器只能濾除三次諧波。
②采用有源濾波器。并聯(lián)型有源濾波器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)受控的、快速反應(yīng)的諧波電流源,與非線性負(fù)荷并聯(lián),自動(dòng)檢測(cè)非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流。DSP產(chǎn)生的控制信號(hào)控制IGBT高速開(kāi)關(guān)器件,經(jīng)過(guò)輸出電抗器,輸出與負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流,起到補(bǔ)償諧波的作用,其結(jié)果是系統(tǒng)只向負(fù)荷提供基波電流。
在設(shè)計(jì)有源濾波器治理位置時(shí),需要根據(jù)劇場(chǎng)配電系統(tǒng)和負(fù)荷情況的不同,設(shè)計(jì)不同的安裝位置。有源濾波器的安裝與諧波源越近,濾波效果越好,這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法。但在一些非線性負(fù)荷分布負(fù)載的場(chǎng)合,可以采取變壓器總補(bǔ)償或二級(jí)配電補(bǔ)償?shù)姆桨,而且不同方案可以配合使用。由于有源電力濾波器安裝位置靈活,可以完全實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)計(jì)需要達(dá)到最完美的諧波治理效果。
③采用混合型濾波器。可將有源電力濾波器與無(wú)源電力濾波器混合使用。其中,無(wú)源濾波器由3、5、7、9次單調(diào)諧濾波器支路及高通濾波器支路組成。有源濾波器由8個(gè)IGBT、直流電容及濾波電感構(gòu)成。直流電容可為有源濾波器提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓;濾波電感可減小有源濾波器產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)頻率諧波。有源濾波器和無(wú)源濾波器串聯(lián)后并人電網(wǎng)。由于有源濾波器不是直接對(duì)諧波電流進(jìn)行消除,它所產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓中只含有諧波電壓,故其功率容量很小,具有良好的經(jīng)濟(jì)性,從而可降低系統(tǒng)成本。
④采用諧波保護(hù)器。采用磁性方法治理諧波比有源濾波器成本更低。諧波保護(hù)器從任何一種諧波對(duì)電路系統(tǒng)帶來(lái)危害的本質(zhì)上著手解決問(wèn)題,即采用磁場(chǎng)吸收諧波能量的方法,具有很高的可靠性與使用壽命。此類(lèi)產(chǎn)品如諧波保護(hù)器(HPD),采用了超微晶合金材料與創(chuàng)新科技的特別電路,能吸收各種頻率各種能量的諧波干擾,將諧波消除在發(fā)生源,自動(dòng)消除對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生的隨機(jī)高次諧波和高頻噪聲、脈沖尖峰、電涌等干擾。HPD并聯(lián)在電路中使用,本身并不耗電。
3 結(jié)語(yǔ)
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