电力谐波对设备的影响

电力谐波对设备的影响

1　谐波是怎样产生
　　理想干净电力系统中，电流和电压都是纯粹正弦波。实际上，当电流流过与所加电压不呈线性关系负荷时，就形成非正弦电流。只含线性元件(电阻、电感及电容)简单电路里，流过电流和施加电压成正比。所加电压是正弦话，流过电流就是正弦，如图1所表示那样。其中负荷线表示外加电压和负荷中所生电流关系，图1中表示电流波形与电压波形是和线性负荷相对应。应指明，有无功元件场合，电压和电流波形间有一个相位移动，功率因数变低了，但线路仍是线性。
　　图2是负荷为简单全波整流器及电容器时情况。这个情况下电流电源电压超过存贮电容器上存电压时才流通，亦即接近正弦波电压峰值附近时，如负荷线形态所示。糖度计| 盐度计| 酸碱度计| 电导计| 水分测定仪| 浊度计| 色度计| 粘度计| 折射计| 滴定仪| 密度计
　　实际上负荷线(此处电流波形)比本例所说要更为复杂，可以是某种非对称、磁滞形以及转折形，斜率也是随负荷而变任何周期性波形均可分解为一个基频正弦加上许多谐波频率正弦。谐波频率是基频整数倍，例如基频为50Hz时，二次谐波为100Hz，而三次谐波则为150Hz。谐波电流供电系统及设备内部均会造成问题，其效果不一，需分别加以研究。
2　谐波对电力设备影响及应对方法
2.1　电压畸变
　　供电系统有内阻抗，谐波负荷电流将造成电压波形谐波电压畸变。此阻抗有两个组成部分：公共耦合点(PCC)内部电缆走线阻抗 ，以及PCC上供电系统固有阻抗，以就供电变压器为例，图3中加以说明。由非线性负荷形成畸变负荷电流电缆阻抗上产生一个畸变电压降。合成畸变电压波形，加到与此同一电路相连全部别负荷上去，而形成谐波电流其上流过，它们是线性负荷时也是如此。
　　问题解决办法是把产生谐波负荷供电线路和对谐波敏感负荷供电线路分开，如图4所示那样，这里线性负荷和非线性负荷从公共连接点用分别电路馈电，以使由非线性负荷产生电压畸变不会达到线性负荷上去。使问题简化，本例中公共耦合点(PCC)上电源阻抗为零。实际上此电源阻抗很低但有一定数值，并有电感成分而使由谐波电流产生谐波电压畸变加剧。
2.2　中线导线过热
　　三相系统中每个相线对星形接法中点电压间有120°相位移动，故当每相负荷相等时，中线上电流为零。当三相负荷不均衡时，去掉均衡值以后电流流入中线。安装者利用这一好处可把中线导线容量减少一半。，基波电流可相互抵消，但谐波电流则这样——事实上它们都是三次谐波有奇数位(“3N倍”谐波)中线上矢量相加。最新研究表明相电流为100A时，中线电流竟达150A。中线电流可轻易接近相电流两倍来流过截面减半中线导线。中线截面应该是每相导线截面两倍，用五芯电缆可方便实现这一方案；每相用一个芯线而中线则用两个芯线，搞不到五芯电缆，就最好是用一根两倍截面电缆做中线。
2.3　对变压器和感应电动机影响
　　(1)变压器。
　　三相变压器对高次谐波响应状况取决于所用连接方式(星形或三角形连接)。
　　星/星(Y/Y)接法，相电流间任何不平衡结果会使星点电气位移，使相线对中线电压不相等。3N倍谐波电流一次及二次相线对中线电压上均造成谐波电压并使星点电压脉动。一次是四线制(即星点连接中线)，电压就不会有畸变，但一次中线上要流过谐波电流，就会引起电源系统畸变。加上第三个三角形接法绕阻就可以克服这个问题(容量为变压器额定值30％)，它给循环不均衡及3N次谐波提供了通路，这样就可防止它们传回入配电系统。
　　三角形/星形(△/Y)接法，不平衡和3N次谐波电流一次绕阻循环流动而不会传到电源系统中去。这种接法是配电变压器中最常用一种。
　　应注意，所有其他谐波都会传回到电源系统中去，结果将广泛散布开来。如所了解那样，较低次数谐波是最麻烦，它们比较强大，系统阻抗不能将它们衰减多少，很难将它们从电源中消除。是传出去与否，所有谐波都要增大变压器绕阻和铁心上损耗，环流不做有用功，但会引起额外损耗并增加绕阻温度，更高谐波频率使磁损及涡流损耗加大。 
　　(2)感应电动机。
　　和变压器中道理一样，谐波畸变会加大电动机中损耗。
，励磁磁场谐波会产生附加损耗，每个谐波分量都有自身相序(正序、逆序、零序)，它表示旋转方向感应电动机中相基波磁场正向而言。
　　谐波次数　1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 
　　相　　序　＋－ 0 ＋－ 0 ＋－ 0 ＋ － 0
　　零序谐波(3次及3倍数，即“3N”次谐波)产生不变磁场，谐波频率较高，故磁性损耗大大增高而将谐波能量以热方式放出。负序谐波产生反方向旋转磁场(相基波而言)，而使电机力矩下降，并和零序谐波一样，产生更多损耗。正序谐波产生正向旋转磁场来加大力矩，它和负序分量一起，可造成电机振动而降低电机寿命。
　　有谐波出现场合，电动机容量应按图5中曲线来降低其额定功率。
谐波电压因数(HVF)定义如下
　　式中,Vn为以基波百分数表示第n次谐波电压方均根值，n为奇次谐波次数(3N次谐波除外)。
2.4　断路器骚扰跳闸
　　剩余电流断路器(RCCB)是相线及中性线中电流之和来动作，结果不额定限度之内时，就将负荷电源切断。有下面两个原因，出现谐波时骚扰跳闸就会发生。第一，RCCB是机电装置，不能准确获高频分量和，就会误跳闸。第二，有谐波电流缘故，流过电路电流会比计算所或简单量测值要大。大多数便携式测量仪表并不能读出真实电流方均根值，相反，它们测到是平均值，然后波形是纯正弦再乘一个校正系数。有谐波时，这样读出结果可能比真实数值低多，而这就意味着过电流脱扣被整定一个十分低数值上。真实方均根值测量需要一个响应宽频带和精确高速乘法运算，这直到近似数字信号处理技术也是难于廉价便携式仪表上实现。现代便携式仪表可峰值因数大于3，精度(包括电流互感器)为5％之下测波形。峰值因数是峰值和方均根值之比，正弦波为1.41。
　　现剩余电流断路器就成为检测电流方均根值有实用价值电器，连同真实方均根测量，便可提供可靠工作。
2.5　集肤效应
交流电流趋向于导体外表面流动，即众所周知集肤效应，它高频方面更为显著。通常集肤效应电网频率下影响很小而被忽略，大约300Hz以上(亦即七次谐波及其以上时)，集肤效应将应变为显著而导致附加损耗和过热。有谐波电流场合，设计者应考虑集肤效应并适当降低电缆额定容量。例如采用多芯电缆或分层母线来克服这个问题。
3　结束语
　　近年来，产生谐波设备类型及数量已急剧增长，并将继续增长。谐波负荷电流是由所有非线性负荷所产生。例如，开关模式电源，电子荧光灯镇流，调速传动装置，不间断电源，磁性铁心装置。
　　了解谐波产生及对设备造成影响，为我们消除、减小谐波对人们生产、生活带来不利影响提供了依据及保证。