剧场电气设计中的谐波抑制措施
2005-6-1
曾碧阳
摘要：本文通过对剧场电气谐波的产生、特性及其危害的分析，探讨剧场电气设计中进行谐波抑制的必要性及具体措施。
关键词：谐波 剧场 舞台 可控硅调光装置


由于非线性特性电气设备的使用，产生了周期性非正弦电量。对这些周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量即称为谐波。民用建筑电气设备中存在着众多的非线性特性负载谐波源，如：荧光灯、气体放电灯、计算机、UPS装置、电子调速装备、软起动设备等。剧场电气设备中，另有大量的谐波源,尤其是舞台灯光的可控硅调光装置引起的电流波形畸变，使谐波问题尤为严重。

1.剧场电气谐波的产生及其特性分析
可控硅调光器是目前舞台上的主流调光器。 舞台灯光用的各种调光器实质上就是一个单相的相位控制交流调压器。
在正弦交流电压过零后的某一时刻t1（或某一相位角wt1），在可控硅的门极上加一触发脉冲，使可控硅导通，这一导通将维持到正弦波正半周结束。因此在正弦波的正半周（即0～p区间）中，0～wt1范围可控硅不导通，这一范围称为控制角，常用a表示；而在wt1～p间可控硅导通，这一范围称为导通角，常用?表示。同理在正弦交流电压的负半周，对处于反向联接的另一个可控硅（对两个单向可控硅反并联而言）在t2时刻（即相位角wt2）施加触发脉冲，使其导通。如此周而复始，对正弦波的每一半周期控制其导通，获得相同的导通角。如改变触发脉冲的施加时间（或相位），即改变了导通角?（或控制角a）的大小。导通角越大调光器输出的电压越高，灯就越亮。从上述可控硅调光原理可知，调光器输出的电压波形已经不再是正弦波。
对该周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解可知,可控硅调光过程中输出的负荷电压除含有与电源同频率的基波成分外，还含一系列频率为电源频率奇次倍的高次谐波，这些高次谐波向空中大量幅射，也会通过导线传导到其它负载，引起电源电压波形畸变。

2.谐波的危害
电源电压波形畸变造成电网谐波污染，使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障。谐波的危害是多方面的，就剧场电气系统而言,主要来有以下几个方面：
2.1. 对供配电线路的危害
三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。 继电器在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用，产生误动或拒动，将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。
随着谐波次数高频率的上升，电缆导体趋肤效应越发明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。
2.2. 对电力设备的危害
当电网存在谐波时，投入电力电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加，加速绝缘介质老化。在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。
谐波使电力变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量，或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。
对于配电用断路器来说，受谐波电流的影响,导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低,可能因谐波产生误动作。
2.3.对弱电系统设备的干扰
对于计算机网络、通信、有线电视、火灾自动报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。

3.剧场电气谐波抑制措施
为抑制上述干扰应采取一定的措施。在剧场电气设计中，主要可采取以下几种措施：
3.1装设滤波器。
在可控硅的输出回路上加高频电感电容滤波器，使电流上升的时间从几微秒增至200微秒以上，这样可以大大降低高次谐波的分量。目前实际装置中大多采用L-C无源滤波器。它在吸收高次谐波的同时，还具有改善功率因数的功能。然而，由于调谐偏移及滤波器阻抗的存在，大大防碍了滤波效果。而且，对于多种谐波电流，需分别设置多个L-C滤波支路，彼此相互干扰，可能顾此失彼。装设有源滤波器可弥补这些不足，但单独使用做补偿谐