電力諧波對設備的影響

1　諧波是怎樣產(chǎn)生
　　理想干凈電力系統中，電流和電壓都是純粹正弦波。實(shí)際上，當電流流過(guò)與所加電壓不呈線(xiàn)性關(guān)系負荷時(shí)，就形成非正弦電流。只含線(xiàn)性元件(電阻、電感及電容)簡(jiǎn)單電路里，流過(guò)電流和施加電壓成正比。所加電壓是正弦話(huà)，流過(guò)電流就是正弦，如圖1所表示那樣。其中負荷線(xiàn)表示外加電壓和負荷中所生電流關(guān)系，圖1中表示電流波形與電壓波形是和線(xiàn)性負荷相對應。應指明，有無(wú)功元件場(chǎng)合，電壓和電流波形間有一個(gè)相位移動(dòng)，功率因數變低了，但線(xiàn)路仍是線(xiàn)性。
　　圖2是負荷為簡(jiǎn)單全波整流器及電容器時(shí)情況。這個(gè)情況下電流電源電壓超過(guò)存貯電容器上存電壓時(shí)才流通，亦即接近正弦波電壓峰值附近時(shí)，如負荷線(xiàn)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(shí)際上負荷線(xiàn)(此處電流波形)比本例所說(shuō)要更為復雜，可以是某種非對稱(chēng)、磁滯形以及轉折形，斜率也是隨負荷而變任何周期性波形均可分解為一個(gè)基頻正弦加上許多諧波頻率正弦。諧波頻率是基頻整數倍，例如基頻為50Hz時(shí)，二次諧波為100Hz，而三次諧波則為150Hz。諧波電流供電系統及設備內部均會(huì )造成問(wèn)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
　　供電系統有內阻抗，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(gè)組成部分：公共耦合點(diǎn)(PCC)內部電纜走線(xiàn)阻抗 ，以及PCC上供電系統固有阻抗，以就供電變壓器為例，圖3中加以說(shuō)明。由非線(xiàn)性負荷形成畸變負荷電流電纜阻抗上產(chǎn)生一個(gè)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(guò)，它們是線(xiàn)性負荷時(shí)也是如此。
　　問(wèn)題解決辦法是把產(chǎn)生諧波負荷供電線(xiàn)路和對諧波敏感負荷供電線(xiàn)路分開(kāi)，如圖4所示那樣，這里線(xiàn)性負荷和非線(xiàn)性負荷從公共連接點(diǎn)用分別電路饋電，以使由非線(xiàn)性負荷產(chǎn)生電壓畸變不會(huì )達到線(xiàn)性負荷上去。使問(wèn)題簡(jiǎn)化，本例中公共耦合點(diǎn)(PCC)上電源阻抗為零。實(shí)際上此電源阻抗很低但有一定數值，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(xiàn)導線(xiàn)過(guò)熱
　　三相系統中每個(gè)相線(xiàn)對星形接法中點(diǎn)電壓間有120°相位移動(dòng)，故當每相負荷相等時(shí)，中線(xiàn)上電流為零。當三相負荷不均衡時(shí)，去掉均衡值以后電流流入中線(xiàn)。安裝者利用這一好處可把中線(xiàn)導線(xiàn)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(shí)上它們都是三次諧波有奇數位(“3N倍”諧波)中線(xiàn)上矢量相加。最新研究表明相電流為100A時(shí)，中線(xiàn)電流竟達150A。中線(xiàn)電流可輕易接近相電流兩倍來(lái)流過(guò)截面減半中線(xiàn)導線(xiàn)。中線(xiàn)截面應該是每相導線(xiàn)截面兩倍，用五芯電纜可方便實(shí)現這一方案；每相用一個(gè)芯線(xiàn)而中線(xiàn)則用兩個(gè)芯線(xiàn)，搞不到五芯電纜，就最好是用一根兩倍截面電纜做中線(xiàn)。
2.3　對變壓器和感應電動(dòng)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(huì )使星點(diǎn)電氣位移，使相線(xiàn)對中線(xiàn)電壓不相等。3N倍諧波電流一次及二次相線(xiàn)對中線(xiàn)電壓上均造成諧波電壓并使星點(diǎn)電壓脈動(dòng)。一次是四線(xiàn)制(即星點(diǎn)連接中線(xiàn))，電壓就不會(huì )有畸變，但一次中線(xiàn)上要流過(guò)諧波電流，就會(huì )引起電源系統畸變。加上第三個(gè)三角形接法繞阻就可以克服這個(gè)問(wèn)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。
　　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(dòng)而不會(huì )傳到電源系統中去。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(huì )傳回到電源系統中去，結果將廣泛散布開(kāi)來(lái)。如所了解那樣，較低次數諧波是最麻煩，它們比較強大，系統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(huì )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(dòng)機。
　　和變壓器中道理一樣，諧波畸變會(huì )加大電動(dòng)機中損耗。
，勵磁磁場(chǎng)諧波會(huì )產(chǎn)生附加損耗，每個(gè)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(dòng)機中相基波磁場(chǎng)正向而言。
　　諧波次數　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，即“3N”次諧波)產(chǎn)生不變磁場(chǎng)，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(chǎng)(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(chǎng)來(lái)加大力矩，它和負序分量一起，可造成電機振動(dòng)而降低電機壽命。
　　有諧波出現場(chǎng)合，電動(dòng)機容量應按圖5中曲線(xiàn)來(lái)降低其額定功率。
諧波電壓因數(HVF)定義如下
　　式中,Vn為以基波百分數表示第n次諧波電壓方均根值，n為奇次諧波次數(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(xiàn)及中性線(xiàn)中電流之和來(lái)動(dòng)作，結果不額定限度之內時(shí)，就將負荷電源切斷。有下面兩個(gè)原因，出現諧波時(shí)騷擾跳閘就會(huì )發(fā)生。第一，RCCB是機電裝置，不能準確獲高頻分量和，就會(huì )誤跳閘。第二，有諧波電流緣故，流過(guò)電路電流會(huì )比計算所或簡(jiǎn)單量測值要大。大多數便攜式測量?jì)x表并不能讀出真實(shí)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(gè)校正系數。有諧波時(shí)，這樣讀出結果可能比真實(shí)數值低多，而這就意味著(zhù)過(guò)電流脫扣被整定一個(gè)十分低數值上。真實(shí)方均根值測量需要一個(gè)響應寬頻帶和精確高速乘法運算，這直到近似數字信號處理技術(shù)也是難于廉價(jià)便攜式儀表上實(shí)現�，F代便攜式儀表可峰值因數大于3，精度(包括電流互感器)為5％之下測波形。峰值因數是峰值和方均根值之比，正弦波為1.41。
　　現剩余電流斷路器就成為檢測電流方均根值有實(shí)用價(jià)值電器，連同真實(shí)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(dòng)，即眾所周知集膚效應，它高頻方面更為顯著(zhù)。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(shí))，集膚效應將應變?yōu)轱@著(zhù)而導致附加損耗和過(guò)熱。有諧波電流場(chǎng)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(xiàn)來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。
3　結束語(yǔ)
　　近年來(lái)，產(chǎn)生諧波設備類(lèi)型及數量已急劇增長(cháng)，并將繼續增長(cháng)。諧波負荷電流是由所有非線(xiàn)性負荷所產(chǎn)生。例如，開(kāi)關(guān)模式電源，電子熒光燈鎮流，調速傳動(dòng)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(lái)不利影響提供了依據及保證。