1 諧波是怎樣產(chǎn)生的
在理想干凈的電力系統(tǒng)中，電流和電壓都是純粹的正弦波。實(shí)際上，當(dāng)電流流過與所加電壓不呈線性關(guān)系的負(fù)荷時(shí)，就形成非正弦電流。在只含線性元件(電阻、電感及電容)的簡單電路里，流過的電流和施加的電壓成正比。所以如果所加電壓是正弦的話，流過的電流就是正弦的，如圖1所表示的那樣。其中的負(fù)荷線表示外加電壓和負(fù)荷中所生電流的關(guān)系，圖1中表示的電流波形與電壓波形是和線性負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的。應(yīng)指明，在有無功元件的場合，在電壓和電流波形間有一個(gè)相位移動(dòng)，功率因數(shù)變低了，但線路仍是線性的。
圖2是負(fù)荷為簡單的全波整流器及電容器時(shí)的情況。在這個(gè)情況下電流只有在電源電壓超過存貯電容器上存的電壓時(shí)才流通，亦即接近正弦波電壓峰值附近時(shí)，如負(fù)荷線的形態(tài)所示。
實(shí)際上負(fù)荷線(此處的電流波形)比本例所說的要更為復(fù)雜，可以是某種非對(duì)稱的、磁滯形的以及轉(zhuǎn)折形的，并且斜率也是隨負(fù)荷而變的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的正弦。諧波頻率是基頻的整數(shù)倍，例如基頻為50Hz時(shí)，二次諧波為100Hz，而三次諧波則為150Hz。諧波電流在供電系統(tǒng)及設(shè)備內(nèi)部均會(huì)造成問題，其效果不一，需分別加以研究。
2 諧波對(duì)電力設(shè)備的影響及應(yīng)對(duì)方法
2.1 電壓畸變
因?yàn)楣╇娤到y(tǒng)有內(nèi)阻抗，所以諧波負(fù)荷電流將造成電壓波形的諧波電壓畸變。此阻抗有兩個(gè)組成部分：公共耦合點(diǎn)(PCC)的內(nèi)部電纜走線的阻抗，以及在PCC上供電系統(tǒng)的固有阻抗，以就地供電變壓器為例，在圖3中加以說明。由非線性負(fù)荷形成的畸變的負(fù)荷電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個(gè)畸變的電壓降。合成的畸變電壓波形，加到與此同一電路相連的全部的別的負(fù)荷上去，而形成諧波電流在其上流過，甚至它們是線性的負(fù)荷時(shí)也是如此。
問題的解決辦法是把產(chǎn)生諧波的負(fù)荷的供電線路和對(duì)諧波敏感的負(fù)荷的供電線路分開，如圖4所示的那樣，這里線性負(fù)荷和非線性負(fù)荷從公共連接點(diǎn)用分別的電路饋電，以使由非線性負(fù)荷產(chǎn)生的電壓畸變不會(huì)達(dá)到線性負(fù)荷上去。為了使問題簡化，本例中假設(shè)在公共耦合點(diǎn)(PCC)上的電源阻抗為零。在實(shí)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)生的諧波電壓畸變加劇。
2.2 中線導(dǎo)線的過熱
在三相系統(tǒng)中每個(gè)相線對(duì)星形接法的中點(diǎn)電壓間有120°的相位移動(dòng)，故當(dāng)每相的負(fù)荷相等時(shí)，在中線上的電流為零。當(dāng)三相負(fù)荷不均衡時(shí)，只有去掉均衡值以后的電流流入中線。安裝者利用這一好處可把中線導(dǎo)線容量減少一半。然而，雖然基波電流可相互抵消，但諧波電流則不是這樣的——事實(shí)上它們都是三次諧波有奇數(shù)位(“3N倍”的諧波)在中線上矢量相加。研究表明相電流為100A時(shí)，中線電流竟達(dá)150A。中線電流可輕易地接近相電流的兩倍來流過截面減半的中線導(dǎo)線。所以中線的截面應(yīng)該是每相導(dǎo)線截面的兩倍，用五芯電纜可方便地實(shí)現(xiàn)這一方案；每相用一個(gè)芯線而中線則用兩個(gè)芯線，如果搞不到五芯電纜，就好是用一根兩倍截面的電纜做中線。
2.3 對(duì)變壓器和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的影響
(1)變壓器。
三相變壓器對(duì)高次諧波的響應(yīng)狀況取決于所用的連接方式(星形的或三角形的連接)。
對(duì)于星/星(Y/Y)接法，相電流間的任何不平衡結(jié)果會(huì)使星點(diǎn)電氣位移，使相線對(duì)中線的電壓不相等。3N倍的諧波電流在一次及二次的相線對(duì)中線的電壓上均造成諧波電壓并使星點(diǎn)的電壓脈動(dòng)。如果一次是四線制的(即星點(diǎn)連接中線)，電壓就不會(huì)有畸變，但一次中線上要流過諧波電流，就會(huì)引起電源系統(tǒng)的畸變。加上第三個(gè)三角形接法的繞阻就可以克服這個(gè)問題(容量為變壓器額定值的30％)，它給循環(huán)不均衡的及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)。
對(duì)于三角形/星形(△/Y)接法，不平衡和3N次諧波電流在一次繞阻循環(huán)流動(dòng)而不會(huì)傳到電源系統(tǒng)中去。這種接法是配電變壓器中常用的一種。
應(yīng)注意，的其他諧波都會(huì)傳回到電源系統(tǒng)中去，結(jié)果將廣泛散布開來。如所了解的那樣，較低次數(shù)的諧波是麻煩的，因?yàn)樗鼈儽容^強(qiáng)大，系統(tǒng)的阻抗不能將它們衰減多少，并且很難將它們從電源中消除。無論是傳出去與否，的諧波都要增大在變壓器的繞阻和鐵心上的損耗，環(huán)流不做有用功，但會(huì)引起額外的損耗并增加繞阻的溫度，更高的諧波頻率使磁損及渦流損耗加大。
(2)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。
和變壓器中的道理一樣，諧波畸變會(huì)加大電動(dòng)機(jī)中的損耗。
然而，由于勵(lì)磁磁場的諧波會(huì)產(chǎn)生附加的損耗，每個(gè)諧波分量都有自身的相序(正序、逆序、零序)，它表示旋轉(zhuǎn)的方向(在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中相對(duì)于基波磁場的正向而言的)。
諧波次數(shù) 123456789101112
相 序?。?＋－0＋－0＋－0
零序諧波(3次及3的倍數(shù)，即“3N”次諧波)產(chǎn)生不變的磁場，但是因?yàn)橹C波頻率較高，故磁性損耗大大增高而將諧波能量以熱的方式放出。負(fù)序的諧波產(chǎn)生反方向旋轉(zhuǎn)的磁場(相對(duì)于基波而言)，而使電機(jī)的力矩下降，并和零序諧波一樣，產(chǎn)生更多的損耗。正序諧波產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)磁場來加大力矩，它和負(fù)序分量一起，可造成電機(jī)的振動(dòng)而降低電機(jī)壽命。
在有諧波出現(xiàn)的場合，電動(dòng)機(jī)的容量應(yīng)按圖5中的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為以基波的百分?jǐn)?shù)表示的第n次諧波電壓的方均根值，n為奇次諧波的次數(shù)(3N次諧波除外)。
2.4 斷路器的騷擾跳閘
剩余電流斷路器(RCCB)是根據(jù)相線及中性線中的電流之和來動(dòng)作的，如果結(jié)果不在額定的限度之內(nèi)時(shí)，就將負(fù)荷的電源切斷。有下面的兩個(gè)原因，在出現(xiàn)諧波時(shí)騷擾跳閘就會(huì)發(fā)生。，因?yàn)镽CCB是機(jī)電裝置，有時(shí)不能準(zhǔn)確獲得高頻分量的和，所以就會(huì)誤跳閘。第二，由于有諧波電流的緣故，流過電路的電流會(huì)比計(jì)算所得或簡單量測的值要大。大多數(shù)的便攜式測量儀表并不能讀出真實(shí)的電流方均根值，相反，它們測到的是平均值，然后假設(shè)波形是純正弦的再乘一個(gè)校正系數(shù)。在有諧波時(shí)，這樣讀出的結(jié)果可能比真實(shí)數(shù)值低得多，而這就意味著過電流脫扣被整定在一個(gè)十分低的數(shù)值上。真實(shí)的方均根值的測量需要一個(gè)響應(yīng)寬頻帶和精確的高速乘法運(yùn)算，這直到近似的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也是難于在廉價(jià)的便攜式儀表上實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)代便攜式儀表可在峰值因數(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，對(duì)于正弦波為1.41。
現(xiàn)在剩余電流斷路器就成為檢測電流方均根值的有實(shí)用價(jià)值的電器，連同真實(shí)的方均根測量，便可提供可靠的工作。
2.5 集膚效應(yīng)
交流電流趨向于在導(dǎo)體的外表面流動(dòng)，即眾所周知的集膚效應(yīng)，它在高頻方面更為。通常因?yàn)榧w效應(yīng)在電網(wǎng)頻率下影響很小而被忽略，但是大約在300Hz以上(亦即七次諧波及其以上時(shí))，集膚效應(yīng)將應(yīng)變?yōu)榈亩鴮?dǎo)致附加的損耗和過熱。在有諧波電流的場合，設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮集膚效應(yīng)并適當(dāng)降低電纜的額定容量。例如采用多芯電纜或分層的母線來克服這個(gè)問題。
3 結(jié)束語
近年來，產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型及數(shù)量已在急劇增長，并將繼續(xù)增長。諧波負(fù)荷電流是由的非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的。例如，開關(guān)模式電源，電子熒光燈鎮(zhèn)流，調(diào)速的傳動(dòng)裝置，不間斷電源，磁性鐵心裝置。
了解諧波的產(chǎn)生及對(duì)設(shè)備造成的影響，為我們消除、減小諧波對(duì)人們生產(chǎn)、生活帶來的不利影響提供了依據(jù)及保證。
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