諧波與不平衡電流的危害

諧波簡單地說，就是一定頻率的電壓或電流作用于非線性負(fù)載時,會產(chǎn)生不同于原頻率的其它頻率的正弦電壓或電流的現(xiàn)象。

紋波是指在直流電壓或電流中，疊加在直流穩(wěn)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疑導(dǎo)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)生諧振而造成過電流或過電壓而引發(fā)事故;

　　2、增加附加損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率和設(shè)備利用率;

　　3、使電氣設(shè)備(如旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電容器、變壓器等)運(yùn)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(hù)、自動裝置、計算機(jī)系統(tǒng)及許多用電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正?；虿荒苷幼骰虿僮?

　　5、使測量和計量儀器、儀表不能正確指示或計量;

　　6、干擾通信系統(tǒng)，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(shè)備。

　　紋波的害處：

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

　　2、降低了電源的效率;

　　3、較強(qiáng)的紋波會造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用電器;

　　4、會干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作;

　　5、會帶來噪音干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作。

　　總之，它們在我們不需要的地方出現(xiàn)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允許的范圍之內(nèi)，不對環(huán)境和設(shè)備產(chǎn)生影響就算達(dá)到了我們的目的。

　　近年來, 電力網(wǎng)中非線性負(fù)載的逐漸增加是全世界共同的趨勢，如變頻驅(qū)動或晶閘管整流直流驅(qū)動設(shè)備、計算機(jī)、重要負(fù)載所用的不間斷電源(UPS) 、節(jié)能熒光燈系統(tǒng)等，這些非線性負(fù)載將導(dǎo)致電網(wǎng)污染，電力品質(zhì)下降，引起供用電設(shè)備故障, 甚至引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi)事故等。

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

　　1.電源 污染的危害

　　電源污染會對用電設(shè)備造成嚴(yán)重危害，主要有：

　　? 干擾通訊設(shè)備、計算機(jī)系統(tǒng)等電子設(shè)備的正常工作，造成數(shù)據(jù)丟失或死機(jī)。

　　? 影響無線電發(fā)射系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、核磁共振等設(shè)備的工作性能, 造成噪聲干擾和圖像紊亂。

　　? 引起電氣自動裝置誤動作，甚至發(fā)生嚴(yán)重事故。

　　? 使電氣設(shè)備過熱，振動和噪聲加大，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(閃變)，影響工作效益。

　　? 導(dǎo)致供電系統(tǒng)功率損耗增加。

　　2.電源污染的種類

　　2.1 電壓波動及閃變

　　電壓波動是指多個正弦波的峰值，在一段時間內(nèi)超過(低于)標(biāo)準(zhǔn)電壓值，大約從半周波到幾百個周波，即從10MS到2.5秒, 包括過壓波動和欠壓波動。普通避雷器和過電壓保護(hù)器，完全不能消除過壓波動，因為它們是用來消除瞬態(tài)脈沖的。普通避雷器在限壓動作時有相當(dāng)大的電阻值，考慮到其額定熱容量(焦?fàn)?，這些裝置很容易被燒毀，而無法提供以后的保護(hù)功能。這種情況往往很容易忽視掉，這是導(dǎo)致計算機(jī)、控制系統(tǒng)和敏感設(shè)備故障或停機(jī)的主要原因。

　　另一個相反的情況是欠壓波動，它是指多個正弦波的峰值，在一段時間內(nèi)低于標(biāo)準(zhǔn)電壓值，或如通常所說：晃動或降落。長時間的低電壓情況可能是由供電公司造成或由于用戶過負(fù)載造成，這種情況可能是事故現(xiàn)象或計劃安排。更為嚴(yán)重的是失壓，它大多是由于配電網(wǎng)內(nèi)重負(fù)載的分合造成，例如大型電動機(jī)、中央空調(diào)系統(tǒng)、電弧爐等的啟停以及開關(guān)電弧、保險絲燒斷、斷路器跳閘等，這些都是通常導(dǎo)致電壓畸變的原因。

　　大型用電設(shè)備的頻繁啟動導(dǎo)致電壓的周期性波動,如電焊機(jī)、沖壓機(jī)、吊機(jī)、電梯等,這些設(shè)備需要短時沖擊功率,主要是無功功率。電壓波動導(dǎo)致設(shè)備功率不穩(wěn)，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(tǒng)發(fā)生短時過(低)電壓,即時間不超過1毫秒的電壓瞬時脈沖，這種脈沖可以是正極性或負(fù)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(nèi)部大型設(shè)備(電機(jī)、電容器等)的投切或大型晶閘管的開斷引起，也可由外部雷電波的侵入造成。浪涌沖擊容易引起電子設(shè)備部件損壞，引起電氣設(shè)備絕緣擊穿;同時也容易導(dǎo)致計算機(jī)等設(shè)備數(shù)據(jù)出錯或死機(jī)。

　　2.3 諧波

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

　　諧波與電力系統(tǒng)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。非線性負(fù)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(dǎo)致與電網(wǎng)相聯(lián)的其它負(fù)載產(chǎn)生更多的諧波電流。

　　計算機(jī)是此類非線性負(fù)載之一，象絕大多數(shù)辦公室電子設(shè)備一樣，計算機(jī)裝有一個二極管/電容型的供電電源，這類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(shè)備主要有：電動機(jī)變頻調(diào)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(shè)備。

　　熒光燈照明系統(tǒng)也是一個重要的諧波源，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(dá)80%。

　　非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流會影響電力系統(tǒng)的多個工作環(huán)節(jié)，包括變壓器，中性線，還有電動機(jī)，發(fā)電機(jī)和電容器等。諧波電流會導(dǎo)致變壓器，電動機(jī)和備用發(fā)電機(jī)的運(yùn)行溫度(K參數(shù))嚴(yán)重升高。中性線上的過電流(由諧波和不平衡引起)不僅會使導(dǎo)線溫度升高，造成絕緣損壞，而且會在三相變壓器線圈中產(chǎn)生環(huán)流，導(dǎo)致變壓器過熱。無功補(bǔ)償電容器會因電網(wǎng)電壓諧波畸變而產(chǎn)生過熱，諧波將導(dǎo)致嚴(yán)重過流;

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

　　2.4 三相不平衡

　　三相不平衡會在中性線上產(chǎn)生過電流(由諧波和不平衡引起)不僅會使導(dǎo)線溫度升高，造成絕緣損壞，而且會在三相變壓器線圈中產(chǎn)生環(huán)流，導(dǎo)致變壓器過熱, 甚至引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi)事故等。

　　3.電源污染的治理

　　對于現(xiàn)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(xì)分析，通常解決的方法有兩個：一是局部重組電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分離或隔離產(chǎn)生電力污染的設(shè)備;二是使用電源凈化濾波設(shè)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使電壓畸變達(dá)到要求的范圍。國內(nèi)外很多單位已開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(jié)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(bǔ)償

　　? 無源濾波補(bǔ)償

　　? 增加整流設(shè)備的相數(shù)

　　? 安裝各種突波吸收保護(hù)裝置,如避雷器等

　　目前，無源濾波補(bǔ)償是實際應(yīng)用最多、效果較好、價格較低的解決方案，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，同時提供系統(tǒng)的無功功率，是應(yīng)用最廣泛的電源凈化濾波裝置。

　　近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源濾波補(bǔ)償技術(shù)日益成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。較傳統(tǒng)的無源濾波補(bǔ)償系統(tǒng)，它具有功能多，適應(yīng)性好及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，隨著價格的不斷下降，應(yīng)用將日益普遍。有源濾波補(bǔ)償系統(tǒng)在很多重要場所應(yīng)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(nóng)用電網(wǎng)中由于大量單相負(fù)荷的存在，三相間的電流不平衡現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。對于三相不平衡電流，除了盡量合理地分配負(fù)荷之外幾乎沒有什么行之有效的解決辦法。正因為找不到解決問題的有效辦法，因此反而不被人們所重視，也很少有人進(jìn)行研究。

　　電網(wǎng)中的不平衡電流會增加線路及變壓器的銅損，增加變壓器的鐵損，降低變壓器的出力甚至?xí)绊懽儔浩鞯陌踩\(yùn)行，會造成三相電壓不平衡因而降低供電質(zhì)量，甚至?xí)绊戨娔鼙淼木榷斐捎嬃繐p失。

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

　　不平衡電流對系統(tǒng)銅損的影響

　　設(shè)某系統(tǒng)的三相線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(yán)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(yán)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(xiàn)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。這種類型的變壓器，當(dāng)二次側(cè)負(fù)荷不平衡且有零線電流時，零線電流即為零序電流，而在一次側(cè)由于無中點(diǎn)引出線因此零序電流無法流通，故零序電流不能安匝平衡，對鐵心而言，有一個激磁零序電流，它受零序激磁阻抗控制，根據(jù)磁路的設(shè)計，這一零序激磁阻抗較大，零序電流使相電壓的對稱受到影響，中性點(diǎn)會偏移。由計算得知，當(dāng)零線電流為額定電流的25%時，中性點(diǎn)移位約為額定電壓的7%。國家標(biāo)準(zhǔn)GB50052-95第6.08條規(guī)定: “當(dāng)選用Yyn0結(jié)線組別的三相變壓器，其由單相不平衡負(fù)荷引起的電流不得超過低壓繞組額定電流的25%，且其中一相的電流在滿載時不得超過額定電流值。”由于上述規(guī)定，限制了Yyn0結(jié)線配電變壓器接用單相負(fù)荷的容量，也影響了變壓器設(shè)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(nèi)成回路，必須在油箱壁及緊固件內(nèi)形成回路，而油箱壁及緊固件內(nèi)的磁通會產(chǎn)生較大的渦流損耗，因而使變壓器的鐵損增加。當(dāng)零序電流過大導(dǎo)致零序磁通過大時，由于中性點(diǎn)漂移過大會引起某些相電壓過高而導(dǎo)致鐵心磁飽和，使鐵損急劇增加，加上緊固件過熱等因素，可能會發(fā)生任何一相電流均未過載而變壓器卻因局部過熱而損壞的事故。由于Yyn0結(jié)線組的配電變壓器與的零序激磁阻抗較大，因此零線電流會造成較大的電壓變化，形成比較嚴(yán)重的三相電壓不平衡現(xiàn)象，不但影響單相用戶，對三相用戶的影響更大 。

3三相負(fù)荷不平衡的危害

　　3.1 對配電變壓器的影響

　　(1)三相負(fù)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(fù)荷損耗。正常情況下變壓器運(yùn)行電壓基本不變，即空載損耗是一個恒量。而負(fù)荷損耗則隨變壓器運(yùn)行負(fù)荷的變化而變化，且與負(fù)荷電流的平方成正比。當(dāng)三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行時，變壓器的負(fù)荷損耗可看成三只單相變壓器的負(fù)荷損耗之和。

　　從數(shù)學(xué)定理中我們知道：假設(shè)a、b、c 3個數(shù)都大于或等于零，那么a+b+c≥33√abc 。

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

　　因此我們可以假設(shè)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(fù)荷相電流，R為變壓器的相電阻。則變壓器的損耗表達(dá)式如下：

　　Qa+Qb+Qc≥33√〔(Ia2 R)(Ib2 R)(Ic2 R)〕

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

　　則變壓器損耗：

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

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

　　即最大不平衡時的變損是平衡時的3倍。

　　(2)三相負(fù)荷不平衡可能造成燒毀變壓器的嚴(yán)重后果：

　　上述不平衡時重負(fù)荷相電流過大(增為3倍)，超載過多，可能造成繞組和變壓器油的過熱。繞組過熱，絕緣老化加快;變壓器油過熱，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(fù)荷不平衡運(yùn)行會造成變壓器零序電流過大，局部金屬件溫升增高：

　　在三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行下的變壓器，必然會產(chǎn)生零序電流，而變壓器內(nèi)部零序電流的存在，會在鐵芯中產(chǎn)生零序磁通，這些零序磁通就會在變壓器的油箱壁或其他金屬構(gòu)件中構(gòu)成回路。但配電變壓器設(shè)計時不考慮這些金屬構(gòu)件為導(dǎo)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(yán)重時將導(dǎo)致變壓器運(yùn)行事故。

　　3.2 對高壓線路的影響

　　(1)增加高壓線路損耗：

　　低壓側(cè)三相負(fù)荷平衡時，6～10k V高壓側(cè)也平衡，設(shè)高壓線路每相的電流為I，其功率損耗為： ΔP1 = 3I2R

　　低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡將反映到高壓側(cè)，在最大不平衡時，高壓對應(yīng)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);

　　即高壓線路上電能損耗增加12.5%。

　　(2)增加高壓線路跳閘次數(shù)、降低開關(guān)設(shè)備使用壽命：

　　我們知道高壓線路過流故障占相當(dāng)比例，其原因是電流過大。低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡可能引起高壓某相電流過大，從而引起高壓線路過流跳閘停電，引發(fā)大面積停電事故，同時變電站的開關(guān)設(shè)備頻繁跳閘將降低使用壽命。

　　3.3 對配電屏和低壓線路的影響

　　(1)三相負(fù)荷不平衡將增加線路損耗：

　　三相四線制供電線路，把負(fù)荷平均分配到三相上，設(shè)每相的電流為I，中性線電流為零，其功率損耗為： ΔP1 = 3I2R

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

　　ΔP2 = 2(3I)2R = 18I2R = 6(3I2R);

　　即最大不平衡時的電能損耗是平衡時的6倍，換句話說，若最大不平衡時每月?lián)p失1200 kWh，則平衡時只損失200 kWh，由此可知調(diào)整三相負(fù)荷的降損潛力。

　　(2)三相負(fù)荷不平衡可能造成燒斷線路、燒毀開關(guān)設(shè)備的嚴(yán)重后果：

　　上述不平衡時重負(fù)荷相電流過大(增為3倍)，超載過多。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(dǎo)線溫度直線上升，以致燒斷。且由于中性線導(dǎo)線截面一般應(yīng)是相線截面的50%，但在選擇時，有的往往偏小，加上接頭質(zhì)量不好，使導(dǎo)線電阻增大。中性線燒斷的幾率更高。

　　同理在配電屏上，造成開關(guān)重負(fù)荷相燒壞、接觸器重負(fù)荷相燒壞，因而整機(jī)損壞等嚴(yán)重后果。

　　3.4 對供電企業(yè)的影響

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

　　變壓器燒毀、線路燒斷、開關(guān)設(shè)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、購貨更換造成長時間停電，少供電量，既降低供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，又影響供電企業(yè)的聲譽(yù)。

　　3.5 對用戶的影響

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

　　變壓器燒毀、線路燒斷、開關(guān)設(shè)備燒壞，影響用戶供電，輕則帶來不便，重則造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，如停電造成養(yǎng)殖的動植物死亡，或不能按合同供貨被懲罰等。中性線燒斷還可能造成用戶大量低壓電器被燒毀的事故。