法拉德有源滤波器在室内建筑中的应用

1、房屋建筑中产生谐波的非线性用电设备概述

在房屋建筑的各种电器设备、设施中，非线性用电设备、照明、家用办公电器在人们生活和企事业单位应用十分广泛。这些非线性用电设备可分为两大类，一类是家用电器、办公电器、照明灯具。如电视机、各种节能灯、电冰箱、洗衣机、微波炉、电磁炉、计算机、激光打印机、充电器、调速驱动的空调等，另一类是建筑中的动力控制设备，如电梯控制设备、水泵控制设备、风机控制设备、各种自控设备、各种医疗和科研用的仪器和设备等等。凡含有非线性元件的家用电器、办公电器、动力控制设备，均会产生不同的谐波。

这些设备和电器中大部分都使用充电装置、开关电源、整流装置等非线性电子元件，虽然单个容量较小，但数量众多。它们产生的高次谐波叠加后会对电系统造成严重影响，加重电力网的谐波污染，还会对用电线路、设备及用户造成损害。

非线性用电设备中的充气电光源更是常见的谐波源，如节能灯、荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯应用气体放电原理发光。其伏安特性具有明显的非线性特征，特别是节能灯、电子荧光灯产生的谐波也是最大谐波源之一。

非线性用电设备中的计算机、电视机、录像机、调光灯具、调温炊具、微波炉等家用电器。因内置调压、整流元件，也会对电网产生高次奇谐波，电风扇、洗衣机、空调器含小功率电动机, 也会产生一定量的谐波。这类设备功率虽小, 但数量多, 也是电网谐波源中不可忽视的因素。

在建筑中普遍使用大功率设备如水泵、风机、电梯、空调等，很大一部分采用变频原理。变频一般分为两类：交-直-交变频器和交-交变频器。前者将380V 50Hz工频电源经三相桥式可控硅整流。变成直流电压信号，滤波后由大功率晶体开关元件逆变成可变频率的交流信号。后者将固定频率的交流电直接转换成相数一致但频率可调的交流电。两者均采用相位控制技术，所以在变换后会产生含复杂成分(整次或分次)的谐波。因变频装置一般具有较大功率，也会对电网造成严重的谐波污染。

2、通过实验测试对部分电器的谐波分析

( 1)电视机。家用电器中产生谐波最大的电器之一就是电视机群。谐波为奇数次波, 主要是3次、5次、7次及9次比较严重, 谐波的峰值与基波峰值相重合。其交流侧电流只有正弦波的波头部分。

( 2)节能灯。随着建筑节能的要求，节能灯的应用已经十分普遍，大量的节能灯是建筑中最大的谐波源之一。节能灯几乎都是谐波源, 大多数节能灯的谐波电流畸变, 由于设计差异, 不同种类和型号节能灯的谐波电流次数均不同，一般为15%-30%。

( 3)各种荧光灯。

①线绕镇流器的3次谐波较高，在12%～13％。

②脉冲式电子镇流器型，谐波含量大约为15～18％，其中3次为主，次数愈高，含有率愈低。

③ 第二亚型电子镇流器是经整流再逆变的，产生出20~60 kHz的电流经过高频变压器馈供给灯管，故除了3~19各奇数次谐波电流外，还有极高频率的谐波电流存在。

④ 第三代亚型镇流器中为提高功率因数，降低电流和线损，采用并联电容器，但电容器起到了明显放大谐波的作用。

( 4)调光白炽灯。其特征谐波电流全部为奇数次谐波，控制角�的不同谐波电流含量不同。一般�越大,谐波电流含量越大。

( 5)空调机。谐波分布为2~ 15次。谐波电流大小依工作方式而变，只开风扇时，谐波电流为8%左右，制冷时谐波电流为24% 左右，制热时谐波电流为28% 左右。

( 6)电冰箱。其谐波为奇数次波。主要是3、5、7次，其中含有率3次为11% 左右，5 次为4% 左右，7次为1% 左右。

( 7)洗衣机。谐波为奇数次波。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)电脑。谐波为奇数次波，主要是3、5、7、9、11、13、15、17次波。谐波含量大约在20%，另外, 各种打印机、复印机、游戏机的用电性质以及谐波含有率也与之相类似。

3、谐波的危害

( 1)谐波对配电系统的危害。主要是对线路上所配置的保护及测量设备的影响。因这些设备一般采用电磁式继电器、感应继电器元件，容易接受谐波干扰而误动和拒动，系统中存在的不明原因的误动和拒动，很大一部分与谐波有关系。所以谐波超标会严重威胁配电系统的安全稳定运行。

( 2)谐波对电动机的危害。主要是产生附加的损耗和转矩，绝缘寿命减少，降低效率。谐波使电源频率增高，集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高，会使在旋转电动机的铁心和绕组中产生附加损耗增加。电动机的出力一般不能根据发热情况而调整，由谐波引起的电动机发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的。试验表明，在额定出力下持续承受3% 额定电压的负序电压时，电动机的绝缘寿命要减少一半。负序谐波产生的负序旋转磁场会产生制动力矩，严重影响电动机的效率。

( 3)谐波对电力电子设备的危害。电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常须靠电压波形的过零点或其它电压波形取得同步运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个相间电压高于另一个相间电压的位置点。这两点对于不同类型的电力电子电路控制是至关重要的。控制系统对这两点(电压过零点与电压位置点)的判断错误可导致控制系统失控。而电力与通讯线路之间的感性或容性耦合亦可能造成对通讯设备的干扰。计算器和其它一些电子设备，如可编过程控制器( PLC )，通常要求总谐波电压畸变率( THD )小于5%，且个别谐波电压畸变率低于3% ，较高的畸变量可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断，导致较大的经济损失。对工业企业自动化的正常通讯造成干扰，影响电力电子计量设备的准确，可能使电能计量产生较大误差，严重时会导致计量混乱。同样，谐波也是引起录波装置误启动、保护误动和拒动的重要因素。

(4)谐波对变压器的危害。谐波电流会大大增加电力变压器的铜损和铁损, 特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热，对星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加降低变压器效率。

(5)谐波对无功补偿设备的危害。谐波注入电网时容易造成变电站高压电容过电流和过负荷, 在谐波场合下，电容柜无法正常投切，更严重的情况下，电容柜会将电网谐波进一步放大。同时谐波会导致电容端电压升高，损耗加大，使电容器发热，加速老化，从而缩短使用寿命，严重时会使电容器损毁。

(6)谐波对电网的危害。谐波注入电网后会使无功功率加大。功率因数降低，甚至有可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备以及干扰通信线路的正常工作。高次谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，另外相同频率相同相位的谐波电压和谐波电流要产生同次谐波的有功功率和无功功率，从而降低电网电压，增加线路损耗，浪费电网容量。

(7)谐波对低压配电线路的危害。谐波会使低压配电线路中的三相电流失去平衡，增大线路中零线的电流，严重时会使零线发热烧毁，造成同一系统用电设备的损坏。此外，谐波会通过静电感应、电磁感应以及传导等多种方式耦合进通讯系统，影响它们的正常运行。

4、目前在房屋建筑中谐波防治的现状和解决的主要举措

 ( 1)目前在房屋建筑中谐波防治的现状。我国目前并没有在用电环节进行系统完善防治谐波的规范和标准。虽然《电能质量 公用电网谐波( GB /T 14549- 1993)》对电网各级电压谐波水平进行了量化限制。对用户注入公用电网的谐波电流也进行了相应的规定。在主网、城网中, 谐波治理也有明确的规定和要求，但没有对入电网的各种用电设备、用电电器等制定出具体的准入标准，也没有对房屋建筑设计中对有关谐波的防治进行具体规范。

由于房屋建筑中使用的电气设备和产品不规范产生的谐波, 目前设计中对谐波防治一般又都无具体措施, 已经有不少案例说明谐波给用电带来危害,如某公司大楼为了节能需要把原来的照明白炽灯、日光灯等全部换成节能灯, 更换后不久低配系统的功率因素补偿电容就全部损毁。某小区由于设计防治谐波措施欠缺, 电源零线出现过负载性损毁。

目前房屋建设中对谐波的危害没有引起足够的重视, 随着电子技术的飞速发展, 非线性元器件在房屋建筑中大量的使用, 谐波防治的任务已经十分紧迫。用电环节的谐波治理, 不仅能够改善整个网络的电力品质, 同时也能延长用户设备使用寿命, 提高产品质量, 降低电磁污染环境, 减少能耗, 提高电能利用率。

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