龚永波
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:随着科技的进步,能建筑中广泛使用高灵敏度的现代化用电设备和装置。高次谐波污染往往导致这些电子系统运行错误乃至损坏。通过谐波保护器能够净化电源，保护用电设备和功率因数补偿设备,防止保护装置误跳闸,从而保证设备正常稳定地运行。
关键词:智能建筑;谐波，谐波污染;谐波保护器;谐波治理;电能质量
0引言
为了适应现代社会信息化与经济国际化的需要,智能建筑中使用了大量的现代化用电设备和装置,如通信系统、计算机、网络控制设备、变频空调、数码办公设备、灯光调控设备、消防系统、监控系统等,恶劣的谐波环境对保证系统和设备的正常运行造成了较大的威胁。
电子计算机、微处理器以及其他电子仪器设备普遍存在着绝缘强度低、对谐波环境要求高、过电压耐受能力差等缺点。高次谐波污染往往使得这些高灵敏度的电子系统在运行时经常出现程序运行错误、数据错误、时间错误、死机无故重新启动,甚至造成用电设备的损坏,给人们的工作和日常生活造成了巨大损失。
在消除或抑制谐波危害方面,智能建筑系统以往只是采取一些防范措施(如根据负载确定电力变压器额定容量时,考虑谐波畸变而留有裕量;为易受干扰设备加装线路滤波器等)。这些措施无法从根本上消除谐波危害。
采用改良技术的谐波保护装置(HPD)能吸收各种频率各种能量的谐波干扰,从发生源消除谐波，自动消除对用电设备产生的随机高次谐波高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰。
1谐波的危害及防范
电网谐波(分量)的定义为:对周期流量进行傅里叶级数分解,得到的频率为基波频率整数倍的分量。理想的供电应是单一恒定频率与规定幅值的稳定电压。但随着各种新型、多功能用电设备的不断更新，这些非线性电气设备使电网电压、电流波形实际上是不同程度畸变的非正弦波。非正弦波含有对人体及用户设备产生危害的高次谐波。
智能建筑中谐波主要来自两方面。一是大量非线性负荷形成的谐波源,例如计算机系统、开关电源、电子式荧光整流器等导致配电系统的电压电流发生畸变，产生谐波;二是公用电网本身具有一定的谐波含量和配电变压器作为谐波源产生的谐波,由公用电网侧传输至配电系统。
1.1谐波产生的危害
恶劣的谐波环境将会对智能建筑中用电设备和系统造成巨大的危害。主要表现在以下几个方面:
(1)电脑死机。于设自身生的接电流在设备和真实地之间产生一个电压降，因此，容易使电脑死机。虽然设备能将这种扰动的敏感性降低,但不能完全消除,特别是当噪声频率较高的时候。
(2)屏幕频闪。高次谐波会在中性线上叠加,中性线电流能够在建筑物金属结构上任意流动，从而产生不受控制的磁场，即引发计算机屏幕的频闪现象。
(3)灯光频闪。由于开关短路以及负载变化而引起的短时间电压变化将会引起灯光频闪过度的频闪将会使人体不舒服。
(4)影响控制装置的正常运行。严重的谐波畸变会引起在一个正弦周波内的额外过零点，影响测试设备，干扰程序控制装置的同步性，导致控制装置死机。
(5)数据网络堵塞。智能建筑中线缆密布系统设备繁多,微电子装备复杂,且防护能力弱高次谐波将会使智能化系统设备产生误码、错码误动作,使信号系统受到污染、产生噪声甚至连通话质量都不能保证。随着低电压信号在IT设备中使用的增加,比特错误率也随之提高,甚至可以高到使整个网络瘫痪。
(6)功数补偿设产故。在电压作用下,电容器会产生额外的功率损耗加快绝缘介质的老化。更为严重的是,大量谐波电流很可能引发电容器和系统其他元件之间的并联谐振或串联谐振,造成电容器超载而损坏;使与电容器连接的配电回路中所有线路、设备因电压闪变、超压、过负荷而损坏。据统计,七成以上的谐波故障发生在电容器装置上。
(7)保护装置误跳闸。配电回路的谐波电流含量高会使断路器遮断能力降低。这是因为畸变电流过零点时,电弧电流随时间的变化要比工频正弦电流大,电弧电压的恢复要迅速得多,使电弧容易重燃导致误跳闸或在该跳闸的时候根本不跳。剩余电流可能会达到使剩余电流保护装置动作的设定值。事实表明,空气电磁断路器不能遮断其分断能力范围内波形变率超过五成的故障电流，而且还会导致断路器损坏。
(8)严重干扰感应式电能表。在谐波环境下,电能表记录的是基波电能及部分谐波电能谐波电能会使得用电设备性能变坏，因此用户不但多交电费,而且利益受到损。
(9)在负载适中情况下变压器过热。谐波会引起变压器的额外损耗,这些损耗将会导致变压器早期故障。随着当前装置需要运行到限值的趋势以及低电压系统日益增加的谐波污染，这个问题也变得日趋严重。
(10)感应电动机损耗。电压谐波会导致感应电动机的额外损耗。高次谐波导致的扭矩脉动在联轴器和轴承处会产生磨损和裂纹。由于电机速度是固定的，谐波中储藏的能量就以额外的热量形式散发了,导致设备过早老化。
(11)集肤效应引起的导线过热。对于电力电缆和配电线路,谐波电流频率增高会引起明显的集肤效应导线电阻增大(如一根直径为20mm的导线在350H时具有比其直流电阻率高六成的视在电阻),线损加大，发热增加,绝缘过早老化,容易发生接地短路故障,形成潜在的火灾隐患。在智能建筑中大量集中使用电子计算机和大面积采用电子节能气体光源照明的场合,中性线电流甚至达到相线电流的2倍致使中性线过热烧毁,甚至导致火灾。
1.2谐波污染的主要防范措施
为保证智能建对3A系统(自动化系统、办公自动化系统通信自动化系统)运行的高可靠性要求，在设计和施工阶段，目前主要采取以下措施预防谐波对电子设备的干扰。
(1)为电子设备设计回路供电,尽可能避免谐波干扰沿供电线路窜人。
(2)为易受干扰设备加装线路滤波器,消除或抑制谐波分量,达到净化电源的目的。
(3)该设备配尽能离电流畸变严重的线路,以避免空间电磁干扰。
然而,这些措施却不是从源头对谐波污染进行治理。
2谐波保护装置
某公司推出的谐波保护器从源头消除了谐波污染,为用电设备提供谐波保护功能。HPD采用了超微晶合金材料与创新科技的特别电路，在2kHz10MH频段内有较好的滤波吸收效果,对用电设备产生的随机高次谐波和高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰具有抑制和吸收作用;随时测量电压波形,瞬时滤除电源中的尖峰浪涌(雷电)、杂波,矫正因谐波影响而产生畸变的电压波形;除对电源中的干扰噪声有滤波作用外，还对电源波形有矫正作用,把有用的电能返还到电源,达到提高电能质量的效果。
2.1 HPD工作原理
HPD的工作原理如图1所示。
图1HPD的工作原理
首先要探知电压瞬间急剧变化的情况，根据感应线圈的成分，使能源延迟接收;根据电容器的成分,将能源先暂时储存;当逆向电压继续变化时,将能源返还原处后取消;用电压变化之差,将多余的能源分割成复数谐振成分后返回;根据内部阻抗(电阻)的成分，以热能形式逐渐消耗。HPD将电源线上传输的不需要的噪声成分作为热量全部吸收而不丢弃。将能源返还到电源线上的同时形成清洁、光滑的电源波形。在这里高科技的超微晶合金材料起到了重要作用。HPD使用时并联在电路中,本身不耗电.
HPD典型接线图如图2所示
图2HPD典型接线图
2.2 HPD功能
(1)自保护用电设。于设自身产的接地电流在设备和地之间会引发一个电压降当噪声频率较高时,很容易造成计算机、电子设备、PLC电机、电器等死机。HPD能自动消除具有破坏性的高次谐波、高频噪声、浪涌、尖峰瞬变等,确保了用电设备的使用寿命。
(2)净化电源。HPD具有很强的抑制谐波能力,可消除九成九的因各种谐波引起的电压电流的畸变，防止谐波引发的计算机屏幕频闪，以及由于开关、短路、负载变化引起的灯光频闪。
(3)保护补偿备。高率可能和杂散的电网电感及功率因数补偿(PFC)设备组合的谐波频率形成并联谐振回路,谐振电路引起的谐波放大使电压和电流波形畸变更为严重,从而导致设备过早出现故障。HPD消除了谐波污染确保了功率因数补偿设备的使用寿命(4)防止保护装置的误跳闸。谐波电流会导致断路器误跳闸或是在该跳闸的时候根本不跳HPD可有效防止保护装置误跳闸。
2.3 HPD用场合
(1)计算机电子设备PLC电机电器等
(2)净化电源，消除浪涌、尖峰电压、电路噪声和静电等干扰。
(3)晶闸管整流装置
(4)绝缘电阻。导电部分与外壳间绝缘电阻 ≥50 Mn(冷态)。
(5)电脑服器(包括流水生产线上的各类服电机等)。
(6)电子光装置。
(7)电子镇流装置。
(8)各类高压灯具(如碘钨灯、汞灯节能灯、日光灯等)。
(9)电脑供电系统
(10)不间断电源装置(UPS)
(11)电梯空调等。
(12)复印机微炉像机电视机及各充电器等日常办公生活用电器。
(13)电脑网络。
2.4 HPD主要性能指标
(1)额定电压。额定电压为250V，50/60HZ
(2)钳位电压。相(L)对中性(N)电压为510V
(3)抗浪涌电流。对2500V的浪涌电压(1.2/50us),浪涌电流不超过12000A(8/2048)
(4)绝缘电阻。导电部分与外壳间绝缘电阳≥50MN(冷态)。
(5)耐压。导电部与外壳应能承受电AC2000V，历时1min，无击穿和闪络现象(试验时电路中的并接在L和N之间的两只联电容应断开)。
(6)剩余电流。相线对地中性线对地间的剩余电流S2mA(冷)。
(7)滤波效能。并接在网电源上对网电源中的尖峰瞬变和2kHz~10MH杂波有明显的滤波效果。在频率100kHz左右不低于40dB。
(8)其他。功耗:小于3W;接点容量:50A:外壳;铸铝;安装尺寸;122mmx100mmx65mm;端子:酚醛树脂，耐高温900C。
3 安科瑞APF有源滤波器产品选型
(1)DSP+FPGA控制方式，响应时间短，全数字控制算法，运行稳定；
(2)一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～51次谐波进行全补偿或特定次谐波进行补偿；
(3)具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；
(4)模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；
(5)采用7英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护；
(6)输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；
(7)多机并联，达到较高的电流输出等级；
3.2型号说明
3.3尺寸说明
3.4产品实物展示
ANAPF有源滤波器
4 安科瑞智能电容器产品选型
4.1产品概述
AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小，功耗更低，维护方便，使用寿命长，可靠性高的特点，适应现代电网对无功补偿的更高要求。
AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找适宜投入（切除）点，实现过零投切，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。
4.2型号说明
AZC系列智能电容器选型：
AZCL系列智能电容器选型：
4.3产品实物展示
AZC系列智能电容模块AZCL系列智能电容模块
安科瑞无功补偿装置智能电容方案
5结语
智能建筑中的谐波污染对设备造成了大量危害。脉冲干扰会导致电子器件、设备的损坏,计算机及应用计算技术的仪表程序错误,存储丢失甚至系统损坏。在实际工作中,由于谐波具有多发性随机性和不可重复性,使设备性能下降、无法工作的现象时有发生。为保证现代智能建筑中各种不同类型设备和计算机及电子装置正常可靠、稳定地运行,所以要采取相应措施,消除对用电设备具有破坏性的高次谐波、高频噪声、浪涌、尖峰瞬变等,防止计算机电子设备、PLC、电机电器等死机,确保用电设备的使用寿命。
参考文献:
[1]戴瑜兴,张义兵，故庆伟智能建筑谐波和无功功率[1]的综合治理[J].电工技术杂志，2003(12):31-33.
[2]郑国兴.谐波保护器及其在智能建筑中的应用[J].低压电器,2007(20):55-58.DOI:10.16628/j.cnki.2095-8188.2007.20.015
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.
作者简介：
龚永波，本科，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电，Email: 28801392115@qq.com手机：18702101301 QQ:2881392115
