胡向東

摘 要：了解調(diào)光燈供電網(wǎng)諧波的存在及諧波干擾帶來(lái)的危害，制定一個(gè)科學(xué)可行的解決方案，從而消除諧波干擾，減少對(duì)電網(wǎng)的危害，提高供電質(zhì)量和設(shè)備穩(wěn)定性，確保供配電系統(tǒng)的正常工作。

關(guān)鍵詞：高次諧波；諧波源；電壓畸變；可控硅調(diào)光裝置；諧波治理；有源濾波器

隨著科學(xué)技術(shù)的日益創(chuàng)新，越來(lái)越多的高科技視聽(tīng)產(chǎn)品不斷地在舞臺(tái)中得到廣泛應(yīng)用，在人們盡情地享受著視覺(jué)盛宴的同時(shí)，也給出現(xiàn)了諸如紫外線、電磁波、高次諧波等對(duì)人體有害的輻射污染。劇場(chǎng)存有大量的非線性用電負(fù)載諧波源，特別是采用可控硅調(diào)光控制技術(shù)的舞臺(tái)燈光系統(tǒng)能使電壓無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常合格的正弦波輸出，甚至?xí)霈F(xiàn)大量的高次諧波。高次諧波不僅造成電能的極大浪費(fèi)，而且產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)引發(fā)供用電設(shè)施設(shè)備的工作異常或故障，甚至?xí)＜半娋W(wǎng)造成電力事故。為抑制上述干擾應(yīng)采取一定的措施。

1 諧波潛在影響分析與危害

正常合格的電能源是以50HZ變化的三相交流正弦波電源。對(duì)于其它不同頻率、幅值的正弦波形統(tǒng)一稱之為諧波。就劇場(chǎng)而言，諧波主要是由可控硅調(diào)光器引起，每個(gè)調(diào)光器實(shí)質(zhì)就是一個(gè)單相交流調(diào)壓器。

可控硅調(diào)光器是采用相位控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)光的。其原理是通過(guò)控制觸發(fā)信號(hào)的施加時(shí)間（或相位）來(lái)改變可控硅正弦波交流輸出電壓，即改變導(dǎo)通角θ（或控制角a）大小來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)光，導(dǎo)通角越大，調(diào)光器輸出的電壓越高，燈就越亮。由于采用移相調(diào)壓控制通光量度，調(diào)光器輸出電壓波形除含有50Hz的基波成分外，還含頻率為基波分量整數(shù)倍的高次諧波。這些高次諧波通過(guò)導(dǎo)線傳導(dǎo)到其它負(fù)載，引起電源電壓波形畸變。

當(dāng)諧波電流、電壓超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14549-93）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEC1000-3-4、IEEE-519-1992）時(shí)，將對(duì)供配電系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響與危害。其危害有以下幾方面：

（1）對(duì)電力電纜造成危害。由于電力線路中的高次諧波會(huì)產(chǎn)生疊加，使得電纜導(dǎo)體集膚效應(yīng)越發(fā)明顯，導(dǎo)致電纜導(dǎo)體的內(nèi)阻增大，使得電纜允許通過(guò)電流減小。在供配電三相電源線路中，相線中的3次以上的諧波會(huì)疊加在中性線路上，會(huì)使流過(guò)中性線的電流值大于相線電流，引起線路過(guò)熱損壞甚至發(fā)生火災(zāi)。

（2）變壓器諧波電流會(huì)造成變壓器繞組線圈的內(nèi)阻損耗、渦流損耗、雜散損失的增大，諧波電壓會(huì)使變壓器鐵芯產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗增加。由于兩方面損耗的增加，從而導(dǎo)致變壓器的實(shí)際使用容量下降，降低了變壓器的使用效率。諧波電流還會(huì)使變壓器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苡蓛?nèi)向外擴(kuò)散，引起變壓器外殼、外層硅鋼片及緊固件發(fā)熱而產(chǎn)生振動(dòng)或噪音，加速絕緣保護(hù)材料的老化，降低了變壓器的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使變壓器無(wú)法正常地運(yùn)行。

（3）當(dāng)電網(wǎng)中電容器發(fā)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振時(shí)，會(huì)進(jìn)一步引起諧波的放大，造成供電設(shè)備過(guò)流、過(guò)熱、爆裂甚至引起火災(zāi)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成用電安全事故。

（4）諧波對(duì)電機(jī)的影響除了引起附加損耗外，還會(huì)引起伺服電機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)，交流異步電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、增大噪音量。降低電氣設(shè)備中的繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)系統(tǒng)裝置的靈敏度或產(chǎn)生誤動(dòng)作，造成控制開(kāi)關(guān)的閉合能力下降和精密測(cè)量?jī)x表的計(jì)量不準(zhǔn)或計(jì)量紊亂等現(xiàn)象。

（5）對(duì)弱電線路產(chǎn)生電磁干擾。諧波通過(guò)靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)與傳導(dǎo)方式耦合到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、電視轉(zhuǎn)播、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警等弱電設(shè)備中，產(chǎn)生電磁干擾，造成信息系統(tǒng)傳輸故障、顯示器頻閃或產(chǎn)生誤動(dòng)、拒動(dòng)故障。

2 諧波治理作用與解決措施

諧波治理可有效的降低電網(wǎng)中諧波電流，提高供電質(zhì)量，減少對(duì)電網(wǎng)的危害，增加負(fù)載設(shè)備的帶載能力，提高變壓器的實(shí)際使用容量，減少因變壓器擴(kuò)容所帶來(lái)的高額擴(kuò)容費(fèi)用。諧波完全治理后可提升變壓器供電容量的20%；諧波治理還可提高變壓器功率因數(shù)，降低變壓器的銅芯、鐵芯損耗，減少電流在電纜導(dǎo)體中的集膚效應(yīng)，減少設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)或噪音，降低電網(wǎng)損耗而提升電能的利用效率。在相同供電、相同負(fù)載情況下，功率因數(shù)由低到高，則電流諧波畸變由高到低。

η（功率因數(shù)）=〔I1（基波電流）/I（總電流）〕×cosφ=λ（基波因子）×cosφ（基波功率因數(shù)）

從公式可以看出，基波因子反映了諧波對(duì)功率因數(shù)的影響。所以要解決功率因數(shù)過(guò)低的情況，首先要解決諧波問(wèn)題。為抑制諧波源產(chǎn)生干擾帶來(lái)的危害，可采取以下幾種解決措施：

（1）利用變壓器繞組的接線方式來(lái)抑制諧波的產(chǎn)生?！秳?chǎng)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ67-2001第10.3.3條明確規(guī)定：當(dāng)舞臺(tái)照明采用可控硅做調(diào)光設(shè)備時(shí)，其電源變壓器宜采用接線方式為Δ/Y0的變壓器?？紤]到對(duì)稱的三相負(fù)載中的非正弦波高次諧波分量相位均相同，可以將舞臺(tái)專用變壓器中的初級(jí)繞組或次級(jí)繞組中的任一繞組連接成△接線方式，給負(fù)載中的高次諧波提供通路，促使三次諧波零序磁通互相抵消。

（2）有些舞臺(tái)設(shè)備其自身就是諧波源，一些專業(yè)電子信息設(shè)備，尤其是電聲學(xué)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)又對(duì)諧波干擾高度敏感，這些設(shè)備使用同一供電回路又難以區(qū)分，為此可利用在舞臺(tái)專用變壓器低壓柜進(jìn)線處安裝無(wú)源諧波濾波器柜來(lái)抑制諧波的產(chǎn)生。

（3）對(duì)于可控硅調(diào)光器引起的諧波，大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，調(diào)光燈回路在100%以下負(fù)載時(shí)電流均發(fā)生畸變，且以3、5、7次諧波為主。為此可在調(diào)光設(shè)備進(jìn)線回路上配置有源濾波器進(jìn)行諧波治理和提高功率因數(shù)，補(bǔ)償容性無(wú)功，減少因調(diào)光設(shè)備產(chǎn)生的諧波對(duì)其它設(shè)備的干擾，從而改善供電質(zhì)量。

（4）對(duì)于劇場(chǎng)中央空調(diào)變頻調(diào)速系統(tǒng)引起的諧波，則要求配置交流電抗器、直流電抗器和抗無(wú)線電干擾濾波器，減緩電流畸變波形，使其更加接近正弦波形。

（5）對(duì)于可控硅控制的調(diào)光照明線路宜采用單相供電，導(dǎo)線的線徑在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上須增大一級(jí)，以此降低導(dǎo)線的內(nèi)阻損耗。在采用三相配送供電時(shí)，盡可能將三相負(fù)載的相位均勻分布，對(duì)于零線線徑則要求為相線線徑的2倍，即采用等線徑5芯電纜，其中2芯作為零線，接地線采用偏鋼單獨(dú)敷設(shè)。此方法可有效抑制調(diào)光回路上產(chǎn)生的高次諧波磁場(chǎng)。電視幕墻回路與電子照明設(shè)備回路的中性線采用與相線同線徑。

（6）采用可控硅調(diào)光裝置的照明線路應(yīng)避免與弱電線路平行敷設(shè)。當(dāng)必須平行敷設(shè)時(shí)，其間距應(yīng)大于1m。若垂直交叉時(shí)，間距應(yīng)大于0.5m；并外套金屬管進(jìn)行屏蔽且可靠接地。接地電阻須小于1歐姆。對(duì)于舞臺(tái)音響、計(jì)算機(jī)控制設(shè)備和弱電線路的電源則要求與舞臺(tái)照明不同的變壓器分路供電，同時(shí)須做好屏蔽措施，以此減少相互干擾。

參考文獻(xiàn)

[1]徐貴生.淺談劇場(chǎng)建筑低壓配電系統(tǒng)的諧波治理設(shè)計(jì)[J].藝術(shù)科技，2011.

[2]刁海燕.劇場(chǎng)建筑電氣設(shè)計(jì)中的諧波與治理[J].低壓電器，2007.

[3]曾碧陽(yáng).劇場(chǎng)電氣設(shè)計(jì)中的諧波抑制措施[J].電氣時(shí)代，2005.