電力諧波對設備的影響

1　諧波是怎樣產(chǎn)生
　　理想干凈電力系統(tǒng)中，電流和電壓都是純粹正弦波。實際上，當電流流過與所加電壓不呈線性關系負荷時，就形成非正弦電流。只含線性元件(電阻、電感及電容)簡單電路里，流過電流和施加電壓成正比。所加電壓是正弦話，流過電流就是正弦，如圖1所表示那樣。其中負荷線表示外加電壓和負荷中所生電流關系，圖1中表示電流波形與電壓波形是和線性負荷相對應。應指明，有無功元件場合，電壓和電流波形間有一個相位移動，功率因數(shù)變低了，但線路仍是線性。
　　圖2是負荷為簡單全波整流器及電容器時情況。這個情況下電流電源電壓超過存貯電容器上存電壓時才流通，亦即接近正弦波電壓峰值附近時，如負荷線形態(tài)所示。糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導計| 水分測定儀| 濁度計| 色度計| 粘度計| 折射計| 滴定儀| 密度計
　　實際上負荷線(此處電流波形)比本例所說要更為復雜，可以是某種非對稱、磁滯形以及轉折形，斜率也是隨負荷而變?nèi)魏沃芷谛圆ㄐ尉�可分解為一個基頻正弦加上許多諧波頻率正弦。諧波頻率是基頻整數(shù)倍，例如基頻為50Hz時，二次諧波為100Hz，而三次諧波則為150Hz。諧波電流供電系統(tǒng)及設備內(nèi)部均會造成問題，其效果不一，需分別加以研究。
2　諧波對電力設備影響及應對方法
2.1　電壓畸變
　　供電系統(tǒng)有內(nèi)阻抗，諧波負荷電流將造成電壓波形諧波電壓畸變。此阻抗有兩個組成部分：公共耦合點(PCC)內(nèi)部電纜走線阻抗 ，以及PCC上供電系統(tǒng)固有阻抗，以就供電變壓器為例，圖3中加以說明。由非線性負荷形成畸變負荷電流電纜阻抗上產(chǎn)生一個畸變電壓降。合成畸變電壓波形，加到與此同一電路相連全部別負荷上去，而形成諧波電流其上流過，它們是線性負荷時也是如此。
　　問題解決辦法是把產(chǎn)生諧波負荷供電線路和對諧波敏感負荷供電線路分開，如圖4所示那樣，這里線性負荷和非線性負荷從公共連接點用分別電路饋電，以使由非線性負荷產(chǎn)生電壓畸變不會達到線性負荷上去。使問題簡化，本例中公共耦合點(PCC)上電源阻抗為零。實際上此電源阻抗很低但有一定數(shù)值，并有電感成分而使由諧波電流產(chǎn)生諧波電壓畸變加劇。
2.2　中線導線過熱
　　三相系統(tǒng)中每個相線對星形接法中點電壓間有120°相位移動，故當每相負荷相等時，中線上電流為零。當三相負荷不均衡時，去掉均衡值以后電流流入中線。安裝者利用這一好處可把中線導線容量減少一半。，基波電流可相互抵消，但諧波電流則這樣——事實上它們都是三次諧波有奇數(shù)位(“3N倍”諧波)中線上矢量相加。最新研究表明相電流為100A時，中線電流竟達150A。中線電流可輕易接近相電流兩倍來流過截面減半中線導線。中線截面應該是每相導線截面兩倍，用五芯電纜可方便實現(xiàn)這一方案；每相用一個芯線而中線則用兩個芯線，搞不到五芯電纜，就最好是用一根兩倍截面電纜做中線。
2.3　對變壓器和感應電動機影響
　　(1)變壓器。
　　三相變壓器對高次諧波響應狀況取決于所用連接方式(星形或三角形連接)。
　　星/星(Y/Y)接法，相電流間任何不平衡結果會使星點電氣位移，使相線對中線電壓不相等。3N倍諧波電流一次及二次相線對中線電壓上均造成諧波電壓并使星點電壓脈動。一次是四線制(即星點連接中線)，電壓就不會有畸變，但一次中線上要流過諧波電流，就會引起電源系統(tǒng)畸變。加上第三個三角形接法繞阻就可以克服這個問題(容量為變壓器額定值30％)，它給循環(huán)不均衡及3N次諧波提供了通路，這樣就可防止它們傳回入配電系統(tǒng)。
　　三角形/星形(△/Y)接法，不平衡和3N次諧波電流一次繞阻循環(huán)流動而不會傳到電源系統(tǒng)中去。這種接法是配電變壓器中最常用一種。
　　應注意，所有其他諧波都會傳回到電源系統(tǒng)中去，結果將廣泛散布開來。如所了解那樣，較低次數(shù)諧波是最麻煩，它們比較強大，系統(tǒng)阻抗不能將它們衰減多少，很難將它們從電源中消除。是傳出去與否，所有諧波都要增大變壓器繞阻和鐵心上損耗，環(huán)流不做有用功，但會引起額外損耗并增加繞阻溫度，更高諧波頻率使磁損及渦流損耗加大。 
　　(2)感應電動機。
　　和變壓器中道理一樣，諧波畸變會加大電動機中損耗。
，勵磁磁場諧波會產(chǎn)生附加損耗，每個諧波分量都有自身相序(正序、逆序、零序)，它表示旋轉方向感應電動機中相基波磁場正向而言。
　　諧波次數(shù)　1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 
　　相　　序　＋－ 0 ＋－ 0 ＋－ 0 ＋ － 0
　　零序諧波(3次及3倍數(shù)，即“3N”次諧波)產(chǎn)生不變磁場，諧波頻率較高，故磁性損耗大大增高而將諧波能量以熱方式放出。負序諧波產(chǎn)生反方向旋轉磁場(相基波而言)，而使電機力矩下降，并和零序諧波一樣，產(chǎn)生更多損耗。正序諧波產(chǎn)生正向旋轉磁場來加大力矩，它和負序分量一起，可造成電機振動而降低電機壽命。
　　有諧波出現(xiàn)場合，電動機容量應按圖5中曲線來降低其額定功率。
諧波電壓因數(shù)(HVF)定義如下
　　式中,Vn為以基波百分數(shù)表示第n次諧波電壓方均根值，n為奇次諧波次數(shù)(3N次諧波除外)。
2.4　斷路器騷擾跳閘
　　剩余電流斷路器(RCCB)是相線及中性線中電流之和來動作，結果不額定限度之內(nèi)時，就將負荷電源切斷。有下面兩個原因，出現(xiàn)諧波時騷擾跳閘就會發(fā)生。第一，RCCB是機電裝置，不能準確獲高頻分量和，就會誤跳閘。第二，有諧波電流緣故，流過電路電流會比計算所或簡單量測值要大。大多數(shù)便攜式測量儀表并不能讀出真實電流方均根值，相反，它們測到是平均值，然后波形是純正弦再乘一個校正系數(shù)。有諧波時，這樣讀出結果可能比真實數(shù)值低多，而這就意味著過電流脫扣被整定一個十分低數(shù)值上。真實方均根值測量需要一個響應寬頻帶和精確高速乘法運算，這直到近似數(shù)字信號處理技術也是難于廉價便攜式儀表上實現(xiàn)�，F(xiàn)代便攜式儀表可峰值因數(shù)大于3，精度(包括電流互感器)為5％之下測波形。峰值因數(shù)是峰值和方均根值之比，正弦波為1.41。
　　現(xiàn)剩余電流斷路器就成為檢測電流方均根值有實用價值電器，連同真實方均根測量，便可提供可靠工作。
2.5　集膚效應
交流電流趨向于導體外表面流動，即眾所周知集膚效應，它高頻方面更為顯著。通常集膚效應電網(wǎng)頻率下影響很小而被忽略，大約300Hz以上(亦即七次諧波及其以上時)，集膚效應將應變?yōu)轱@著而導致附加損耗和過熱。有諧波電流場合，設計者應考慮集膚效應并適當降低電纜額定容量。例如采用多芯電纜或分層母線來克服這個問題。
3　結束語
　　近年來，產(chǎn)生諧波設備類型及數(shù)量已急劇增長，并將繼續(xù)增長。諧波負荷電流是由所有非線性負荷所產(chǎn)生。例如，開關模式電源，電子熒光燈鎮(zhèn)流，調(diào)速傳動裝置，不間斷電源，磁性鐵心裝置。
　　了解諧波產(chǎn)生及對設備造成影響，為我們消除、減小諧波對人們生產(chǎn)、生活帶來不利影響提供了依據(jù)及保證。