諧波與不平衡電流的危害

諧波簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是一定頻率的電壓或電流作用于非線(xiàn)性負載時(shí),會(huì )產(chǎn)生不同于原頻率的其它頻率的正弦電壓或電流的現象。

紋波是指在直流電壓或電流中，疊加在直流穩定量上的交流分量。它們雖然在概念上不是一回事，但它們之間有聯(lián)系。如電源上附加的紋波在用電器上很容易產(chǎn)生各頻率的諧波;電源中各頻率諧波的存在無(wú)疑導致電源中紋波成分的增加。

除了在電路中我們所需要產(chǎn)生諧波的情況以外，它主要有以下主要危害：

　　1、使電網(wǎng)中發(fā)生諧振而造成過(guò)電流或過(guò)電壓而引發(fā)事故;

　　2、增加附加損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設備的效率和設備利用率;

　　3、使電氣設備(如旋轉電機、電容器、變壓器等)運行不正常，加速絕緣老化，從而縮短它們的使用壽命;

　　4、使繼電保護、自動(dòng)裝置、計算機系統及許多用電設備運轉不正?；虿荒苷?dòng)作或操作;

　　5、使測量和計量?jì)x器、儀表不能正確指示或計量;

　　6、干擾通信系統，降低信號的傳輸質(zhì)量，破壞信號的正常傳遞，甚至損壞通信設備。

　　紋波的害處：

　　1、容易在用電器上產(chǎn)生諧波，而諧波會(huì )產(chǎn)生較多的危害;

　　2、降低了電源的效率;

　　3、較強的紋波會(huì )造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導致燒毀用電器;

　　4、會(huì )干擾數字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作;

　　5、會(huì )帶來(lái)噪音干擾，使圖像設備、音響設備不能正常工作。

　　總之，它們在我們不需要的地方出現都是有害的，需要我們避免的。對于如何抑制和去除諧波和紋波的方式方法有很多，但想完全消除，似乎是很難辦到的，我們只有將其控制在一個(gè)允許的范圍之內，不對環(huán)境和設備產(chǎn)生影響就算達到了我們的目的。

　　近年來(lái), 電力網(wǎng)中非線(xiàn)性負載的逐漸增加是全世界共同的趨勢，如變頻驅動(dòng)或晶閘管整流直流驅動(dòng)設備、計算機、重要負載所用的不間斷電源(UPS) 、節能熒光燈系統等，這些非線(xiàn)性負載將導致電網(wǎng)污染，電力品質(zhì)下降，引起供用電設備故障, 甚至引發(fā)嚴重火災事故等。

　　電力污染及電力品質(zhì)惡化主要表現在以下方面：電壓波動(dòng)、浪涌沖擊、諧波、三相不平衡等。

　　1.電源 污染的危害

　　電源污染會(huì )對用電設備造成嚴重危害，主要有：

　　? 干擾通訊設備、計算機系統等電子設備的正常工作，造成數據丟失或死機。

　　? 影響無(wú)線(xiàn)電發(fā)射系統、雷達系統、核磁共振等設備的工作性能, 造成噪聲干擾和圖像紊亂。

　　? 引起電氣自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，甚至發(fā)生嚴重事故。

　　? 使電氣設備過(guò)熱，振動(dòng)和噪聲加大，加速絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。

　　? 造成燈光亮度的波動(dòng)(閃變)，影響工作效益。

　　? 導致供電系統功率損耗增加。

　　2.電源污染的種類(lèi)

　　2.1 電壓波動(dòng)及閃變

　　電壓波動(dòng)是指多個(gè)正弦波的峰值，在一段時(shí)間內超過(guò)(低于)標準電壓值，大約從半周波到幾百個(gè)周波，即從10MS到2.5秒, 包括過(guò)壓波動(dòng)和欠壓波動(dòng)。普通避雷器和過(guò)電壓保護器，完全不能消除過(guò)壓波動(dòng)，因為它們是用來(lái)消除瞬態(tài)脈沖的。普通避雷器在限壓動(dòng)作時(shí)有相當大的電阻值，考慮到其額定熱容量(焦爾)，這些裝置很容易被燒毀，而無(wú)法提供以后的保護功能。這種情況往往很容易忽視掉，這是導致計算機、控制系統和敏感設備故障或停機的主要原因。

　　另一個(gè)相反的情況是欠壓波動(dòng)，它是指多個(gè)正弦波的峰值，在一段時(shí)間內低于標準電壓值，或如通常所說(shuō)：晃動(dòng)或降落。長(cháng)時(shí)間的低電壓情況可能是由供電公司造成或由于用戶(hù)過(guò)負載造成，這種情況可能是事故現象或計劃安排。更為嚴重的是失壓，它大多是由于配電網(wǎng)內重負載的分合造成，例如大型電動(dòng)機、中央空調系統、電弧爐等的啟停以及開(kāi)關(guān)電弧、保險絲燒斷、斷路器跳閘等，這些都是通常導致電壓畸變的原因。

　　大型用電設備的頻繁啟動(dòng)導致電壓的周期性波動(dòng),如電焊機、沖壓機、吊機、電梯等,這些設備需要短時(shí)沖擊功率,主要是無(wú)功功率。電壓波動(dòng)導致設備功率不穩，產(chǎn)品質(zhì)量下降;燈光的閃變引致眼睛疲勞,降低工作效率。

　　2.2 浪涌沖擊

　　浪涌沖擊是指系統發(fā)生短時(shí)過(guò)(低)電壓,即時(shí)間不超過(guò)1毫秒的電壓瞬時(shí)脈沖，這種脈沖可以是正極性或負極性，可以具有連串或振蕩性質(zhì)。它們通常也被叫作：尖峰、缺口、干擾、毛刺或突變。

　　電網(wǎng)中的浪涌沖擊既可由電網(wǎng)內部大型設備(電機、電容器等)的投切或大型晶閘管的開(kāi)斷引起，也可由外部雷電波的侵入造成。浪涌沖擊容易引起電子設備部件損壞，引起電氣設備絕緣擊穿;同時(shí)也容易導致計算機等設備數據出錯或死機。

　　2.3 諧波

　　線(xiàn)性負載，例如純電阻負載，其工作電流的波形與輸入電壓的正弦波形完全相同，非線(xiàn)性負載，例如斬波直流負載，其工作電流是非正弦波形。傳統的線(xiàn)性負載的電流/電壓只含有基波(50Hz)，沒(méi)有或只有極小的諧波成分，而非線(xiàn)性負載會(huì )在電力系統中產(chǎn)生可觀(guān)的諧波。

　　諧波與電力系統中基波疊加，造成波形的畸變，畸變的程度取決于諧波電流的頻率和幅值。非線(xiàn)性負載產(chǎn)生陡峭的脈沖型電流，而不是平滑的正弦波電流，這種脈沖中的諧波電流引起電網(wǎng)電壓畸變，形成諧波分量，進(jìn)而導致與電網(wǎng)相聯(lián)的其它負載產(chǎn)生更多的諧波電流。

　　計算機是此類(lèi)非線(xiàn)性負載之一，象絕大多數辦公室電子設備一樣，計算機裝有一個(gè)二極管/電容型的供電電源，這類(lèi)供電電源僅在交流正弦波電壓的峰值處產(chǎn)生電流，因此產(chǎn)生大量的三次諧波電流(150Hz)。其它產(chǎn)生諧波電流的設備主要有：電動(dòng)機變頻調速器，固態(tài)加熱器，和其他一些產(chǎn)生非正弦波變化電流的設備。

　　熒光燈照明系統也是一個(gè)重要的諧波源，在普通的電磁整流器燈光電路中，三次諧波的典型值約為基波(50Hz)值的13%-20%。而在電子整流器燈光電路中，諧波分量甚至高達80%。

　　非線(xiàn)性負載所產(chǎn)生的諧波電流會(huì )影響電力系統的多個(gè)工作環(huán)節，包括變壓器，中性線(xiàn)，還有電動(dòng)機，發(fā)電機和電容器等。諧波電流會(huì )導致變壓器，電動(dòng)機和備用發(fā)電機的運行溫度(K參數)嚴重升高。中性線(xiàn)上的過(guò)電流(由諧波和不平衡引起)不僅會(huì )使導線(xiàn)溫度升高，造成絕緣損壞，而且會(huì )在三相變壓器線(xiàn)圈中產(chǎn)生環(huán)流，導致變壓器過(guò)熱。無(wú)功補償電容器會(huì )因電網(wǎng)電壓諧波畸變而產(chǎn)生過(guò)熱，諧波將導致嚴重過(guò)流;

　　另外，電容器還會(huì )與電力系統中的電感性元件形成諧振電路，這將導致電容器兩端的電壓明顯升高，引致嚴重故障。照明裝置的啟輝電容器對于由高頻電流引起的過(guò)熱也是十分敏感的，啟輝電容器的頻繁損壞顯示了電網(wǎng)中存在諧波的影響。諧波還會(huì )引起配電線(xiàn)路的傳輸效率下降，損耗增大，并干擾電力載波通訊系統的工作，如電能管理系統(EMS)和時(shí)鐘系統。而且，諧波還會(huì )使電力測量表計，有功需量表和電度表的計量誤差增大。

　　2.4 三相不平衡

　　三相不平衡會(huì )在中性線(xiàn)上產(chǎn)生過(guò)電流(由諧波和不平衡引起)不僅會(huì )使導線(xiàn)溫度升高，造成絕緣損壞，而且會(huì )在三相變壓器線(xiàn)圈中產(chǎn)生環(huán)流，導致變壓器過(guò)熱, 甚至引發(fā)嚴重火災事故等。

　　3.電源污染的治理

　　對于現有供電網(wǎng)絡(luò )或待建電網(wǎng)中的電力污染情況，要進(jìn)行仔細分析，通常解決的方法有兩個(gè)：一是局部重組電網(wǎng)結構，分離或隔離產(chǎn)生電力污染的設備;二是使用電源凈化濾波設備進(jìn)行治理，通常電壓諧波是由電流諧波產(chǎn)生的，有效地抑制電流諧波就會(huì )使電壓畸變達到要求的范圍。國內外很多單位已開(kāi)始重視電源污染的治理, 投資安裝電源凈化濾波裝置, 取得了提高電源品質(zhì)和節能的雙重效果。

　　電源污染的治理主要有以下幾種方法：

　　? 串聯(lián)電抗器

　　? 有源濾波補償

　　? 無(wú)源濾波補償

　　? 增加整流設備的相數

　　? 安裝各種突波吸收保護裝置,如避雷器等

　　目前，無(wú)源濾波補償是實(shí)際應用最多、效果較好、價(jià)格較低的解決方案，它包括三種基本形式：串聯(lián)濾波、并聯(lián)濾波和低通濾波(串并混合)。其中串聯(lián)濾波主要適用于三次諧波的治理;低通濾波主要適用于高次諧波的治理;并聯(lián)濾波是一種綜合裝置，它可濾除多次諧波，同時(shí)提供系統的無(wú)功功率，是應用最廣泛的電源凈化濾波裝置。

　　近年來(lái)，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源濾波補償技術(shù)日益成熟，并得到了廣泛應用。較傳統的無(wú)源濾波補償系統，它具有功能多，適應性好及響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，隨著(zhù)價(jià)格的不斷下降，應用將日益普遍。有源濾波補償系統在很多重要場(chǎng)所應用效果非常好。

　　不平衡電流的危害

　　電網(wǎng)中三相間的不平衡電流是普遍存在的，在城市民用電網(wǎng)及農用電網(wǎng)中由于大量單相負荷的存在，三相間的電流不平衡現象尤為嚴重。對于三相不平衡電流，除了盡量合理地分配負荷之外幾乎沒(méi)有什么行之有效的解決辦法。正因為找不到解決問(wèn)題的有效辦法，因此反而不被人們所重視，也很少有人進(jìn)行研究。

　　電網(wǎng)中的不平衡電流會(huì )增加線(xiàn)路及變壓器的銅損，增加變壓器的鐵損，降低變壓器的出力甚至會(huì )影響變壓器的安全運行，會(huì )造成三相電壓不平衡因而降低供電質(zhì)量，甚至會(huì )影響電能表的精度而造成計量損失。

　　理論研究證明：在輸出同樣功率的情況下，三相電流平衡時(shí)變壓器及線(xiàn)路的銅損最小，也就是說(shuō)：三相不平衡現象增加了變壓器及線(xiàn)路的銅損。

　　不平衡電流對系統銅損的影響

　　設某系統的三相線(xiàn)路及變壓器繞組的總電阻為R。如果三相電流平衡，IA=100A，IB=100A，IC=100A，則總銅損=1002R+1002R+1002R=30000R。

　　如果三相電流不平衡，IA=50A，IB=100A，IC=150A，則總銅損=502R+1002R+1502R=35000R，比平衡狀態(tài)的銅損增加了17%。

　　在更為嚴重的狀態(tài)下，如果IA=0A，IB=150A，IC=150A，則總銅損=1502R+1502R=45000R，比平衡狀態(tài)的銅損增加了50%。

　　在最嚴重的狀態(tài)下，如果IA=0A，IB=0A，IC=300A，則總銅損=3002R=90000R，比平衡狀態(tài)的銅損增加了3倍。

　　不平衡電流對變壓器的影響

　　現有的10/0.4KV的低壓配電變壓器多為Yyn0接法三相三柱鐵心的變壓器。這種類(lèi)型的變壓器，當二次側負荷不平衡且有零線(xiàn)電流時(shí)，零線(xiàn)電流即為零序電流，而在一次側由于無(wú)中點(diǎn)引出線(xiàn)因此零序電流無(wú)法流通，故零序電流不能安匝平衡，對鐵心而言，有一個(gè)激磁零序電流，它受零序激磁阻抗控制，根據磁路的設計，這一零序激磁阻抗較大，零序電流使相電壓的對稱(chēng)受到影響，中性點(diǎn)會(huì )偏移。由計算得知，當零線(xiàn)電流為額定電流的25%時(shí)，中性點(diǎn)移位約為額定電壓的7%。國家標準GB50052-95第6.08條規定: “當選用Yyn0結線(xiàn)組別的三相變壓器，其由單相不平衡負荷引起的電流不得超過(guò)低壓繞組額定電流的25%，且其中一相的電流在滿(mǎn)載時(shí)不得超過(guò)額定電流值?！庇捎谏鲜鲆幎?，限制了Yyn0結線(xiàn)配電變壓器接用單相負荷的容量，也影響了變壓器設備能力的充分利用。并且，對三相三柱的磁路而言，零序磁通不能在磁路內成回路，必須在油箱壁及緊固件內形成回路，而油箱壁及緊固件內的磁通會(huì )產(chǎn)生較大的渦流損耗，因而使變壓器的鐵損增加。當零序電流過(guò)大導致零序磁通過(guò)大時(shí)，由于中性點(diǎn)漂移過(guò)大會(huì )引起某些相電壓過(guò)高而導致鐵心磁飽和，使鐵損急劇增加，加上緊固件過(guò)熱等因素，可能會(huì )發(fā)生任何一相電流均未過(guò)載而變壓器卻因局部過(guò)熱而損壞的事故。由于Yyn0結線(xiàn)組的配電變壓器與的零序激磁阻抗較大，因此零線(xiàn)電流會(huì )造成較大的電壓變化，形成比較嚴重的三相電壓不平衡現象，不但影響單相用戶(hù)，對三相用戶(hù)的影響更大 。

3三相負荷不平衡的危害

　　3.1 對配電變壓器的影響

　　(1)三相負荷不平衡將增加變壓器的損耗：

　　變壓器的損耗包括空載損耗和負荷損耗。正常情況下變壓器運行電壓基本不變，即空載損耗是一個(gè)恒量。而負荷損耗則隨變壓器運行負荷的變化而變化，且與負荷電流的平方成正比。當三相負荷不平衡運行時(shí)，變壓器的負荷損耗可看成三只單相變壓器的負荷損耗之和。

　　從數學(xué)定理中我們知道：假設a、b、c 3個(gè)數都大于或等于零，那么a+b+c≥33√abc 。

　　當a=b=c時(shí)，代數和a+b+c取得最小值：a+b+c=33√abc 。

　　因此我們可以假設變壓器的三相損耗分別為：Qa=Ia2 R、Qb= Ib2 R 、Qc =Ic2 R，式中Ia、Ib、Ic分別為變壓器二次負荷相電流，R為變壓器的相電阻。則變壓器的損耗表達式如下：

　　Qa+Qb+Qc≥33√〔(Ia2 R)(Ib2 R)(Ic2 R)〕

　　由此可知，變壓器的在負荷不變的情況下，當Ia=Ib=Ic時(shí)，即三相負荷達到平衡時(shí)，變壓器的損耗最小。

　　則變壓器損耗：

　　當變壓器三相平衡運行時(shí)，即Ia=Ib=Ic=I時(shí)，Qa+Qb+Qc=3I2R;

　　當變壓器運行在最大不平衡時(shí)，即Ia=3I，Ib=Ic=0時(shí)，Qa=(3I)2R=9I2R=3(3I2R);

　　即最大不平衡時(shí)的變損是平衡時(shí)的3倍。

　　(2)三相負荷不平衡可能造成燒毀變壓器的嚴重后果：

　　上述不平衡時(shí)重負荷相電流過(guò)大(增為3倍)，超載過(guò)多，可能造成繞組和變壓器油的過(guò)熱。繞組過(guò)熱，絕緣老化加快;變壓器油過(guò)熱，引起油質(zhì)劣化，迅速降低變壓器的絕緣性能，減少變壓器壽命(溫度每升高8℃，使用年限將減少一半)，甚至燒毀繞組。

　　(3)三相負荷不平衡運行會(huì )造成變壓器零序電流過(guò)大，局部金屬件溫升增高：

　　在三相負荷不平衡運行下的變壓器，必然會(huì )產(chǎn)生零序電流，而變壓器內部零序電流的存在，會(huì )在鐵芯中產(chǎn)生零序磁通，這些零序磁通就會(huì )在變壓器的油箱壁或其他金屬構件中構成回路。但配電變壓器設計時(shí)不考慮這些金屬構件為導磁部件，則由此引起的磁滯和渦流損耗使這些部件發(fā)熱，致使變壓器局部金屬件溫度異常升高，嚴重時(shí)將導致變壓器運行事故。

　　3.2 對高壓線(xiàn)路的影響

　　(1)增加高壓線(xiàn)路損耗：

　　低壓側三相負荷平衡時(shí)，6～10k V高壓側也平衡，設高壓線(xiàn)路每相的電流為I，其功率損耗為： ΔP1 = 3I2R

　　低壓電網(wǎng)三相負荷不平衡將反映到高壓側，在最大不平衡時(shí)，高壓對應相為1.5I，另外兩相都為0.75 I，功率損耗為：

　　ΔP2 = 2(0.75I)2R+(1.5I)2R = 3.375I2R =1.125(3I2R);

　　即高壓線(xiàn)路上電能損耗增加12.5%。

　　(2)增加高壓線(xiàn)路跳閘次數、降低開(kāi)關(guān)設備使用壽命：

　　我們知道高壓線(xiàn)路過(guò)流故障占相當比例，其原因是電流過(guò)大。低壓電網(wǎng)三相負荷不平衡可能引起高壓某相電流過(guò)大，從而引起高壓線(xiàn)路過(guò)流跳閘停電，引發(fā)大面積停電事故，同時(shí)變電站的開(kāi)關(guān)設備頻繁跳閘將降低使用壽命。

　　3.3 對配電屏和低壓線(xiàn)路的影響

　　(1)三相負荷不平衡將增加線(xiàn)路損耗：

　　三相四線(xiàn)制供電線(xiàn)路，把負荷平均分配到三相上，設每相的電流為I，中性線(xiàn)電流為零，其功率損耗為： ΔP1 = 3I2R

　　在最大不平衡時(shí)，即某相為3I，另外兩相為零，中性線(xiàn)電流也為3I，功率損耗為：

　　ΔP2 = 2(3I)2R = 18I2R = 6(3I2R);

　　即最大不平衡時(shí)的電能損耗是平衡時(shí)的6倍，換句話(huà)說(shuō)，若最大不平衡時(shí)每月?lián)p失1200 kWh，則平衡時(shí)只損失200 kWh，由此可知調整三相負荷的降損潛力。

　　(2)三相負荷不平衡可能造成燒斷線(xiàn)路、燒毀開(kāi)關(guān)設備的嚴重后果：

　　上述不平衡時(shí)重負荷相電流過(guò)大(增為3倍)，超載過(guò)多。由于發(fā)熱量Q=0.24I2Rt，電流增為3倍，則發(fā)熱量增為9倍，可能造成該相導線(xiàn)溫度直線(xiàn)上升，以致燒斷。且由于中性線(xiàn)導線(xiàn)截面一般應是相線(xiàn)截面的50%，但在選擇時(shí)，有的往往偏小，加上接頭質(zhì)量不好，使導線(xiàn)電阻增大。中性線(xiàn)燒斷的幾率更高。

　　同理在配電屏上，造成開(kāi)關(guān)重負荷相燒壞、接觸器重負荷相燒壞，因而整機損壞等嚴重后果。

　　3.4 對供電企業(yè)的影響

　　供電企業(yè)直管到戶(hù)，低壓電網(wǎng)損耗大，將降低供電企業(yè)的經(jīng)濟效益，甚至造成供電企業(yè)虧損經(jīng)營(yíng)。農電工承包臺區線(xiàn)損，線(xiàn)損高農電工獎金被扣發(fā)，甚至連工資也得不到，必然影響農電工情緒，輕則工作消極，重則為了得到錢(qián)違法犯罪。

　　變壓器燒毀、線(xiàn)路燒斷、開(kāi)關(guān)設備燒壞，一方面增大供電企業(yè)的供電成本，另一方面停電檢修、購貨更換造成長(cháng)時(shí)間停電，少供電量，既降低供電企業(yè)的經(jīng)濟效益，又影響供電企業(yè)的聲譽(yù)。

　　3.5 對用戶(hù)的影響

　　三相負荷不平衡，一相或兩相畸重，必將增大線(xiàn)路中的電壓降，降低電能質(zhì)量，影響用戶(hù)的電器使用。

　　變壓器燒毀、線(xiàn)路燒斷、開(kāi)關(guān)設備燒壞，影響用戶(hù)供電，輕則帶來(lái)不便，重則造成較大的經(jīng)濟損失，如停電造成養殖的動(dòng)植物死亡，或不能按合同供貨被懲罰等。中性線(xiàn)燒斷還可能造成用戶(hù)大量低壓電器被燒毀的事故。