詳解三次諧波以及其危害和解決方案

三次諧波的來源

三次諧波電流主要來自于單相整流電路。

圖示的是一個(gè)典型的單相整流電路，電路中的電容是平滑電容，大部分整流電路中都包含這個(gè)電容，否則直流電壓的紋波很大。這個(gè)電容是導(dǎo)致三次諧波電流的主要原因。

熟悉電路的人都知道，平滑電容的電壓被充電到交流電的峰值后，就維持在交流電峰值附近。當(dāng)交流電的電壓低于電容上的電壓時(shí)，電網(wǎng)上沒有電流流入負(fù)載。這時(shí)，負(fù)載的電流由電容供給，隨著輸出電流，電容的電壓開始降低，在某個(gè)時(shí)刻，交流電的電壓會(huì)高于電容上的電壓，這時(shí)，電網(wǎng)上才會(huì)有電流流入電容(給電容充電，使電容上的電壓升高)和負(fù)載中。因此，電網(wǎng)僅在接近電壓峰值的時(shí)刻向負(fù)載輸入電流，電流的形狀為脈沖狀。

通過付立葉分析可知，這種脈沖狀的波形包含豐富的三次諧波成分。

3次諧波的典型故障

上圖是一個(gè)典型的配電系統(tǒng)。首先，建筑物的電力入口處是一臺(tái)變壓器，將中壓電(一般為10kV)變?yōu)榈蛪弘?。變壓器的初?jí)為Δ形接法，次級(jí)為Υ接法。然后，通過不同的配電柜(箱)給建筑物中的不同負(fù)載供電。在布線時(shí)，要充分考慮三相負(fù)荷的平衡性。通常，零線的截面積與相線是相同的，有些建筑物中零線的截面積小于相線的截面積。

在這個(gè)系統(tǒng)中，3次諧波電流造成的危害具有十分典型的特征，當(dāng)遇到以下這些故障現(xiàn)象，并且能夠確認(rèn)負(fù)荷的種類屬于單相整流電路時(shí)，就可以初步判定是3次諧波電流的問題：

1. 變壓器的初級(jí)繞組溫度很高，盡管變壓器還沒有達(dá)到額定的功率。這是由于3次諧波電流在初級(jí)繞組中形成環(huán)流所致。

2. 過流保護(hù)裝置意外動(dòng)作，雖然實(shí)際電流并沒有達(dá)到保護(hù)的閾值，這是由于包含3次諧波的電流在同樣有效值的條件下具有更大的峰值。

3. 零線電流超過相線電流，盡管3相的負(fù)荷平衡，往往導(dǎo)致零線過熱。這是本文要重點(diǎn)討論的一種現(xiàn)象。

三次諧波引起跳閘

上圖是單相整流電路中的電流波形。

常識(shí)告訴我們，電流的持續(xù)時(shí)間短了，要保持一定的有效值，就必須具有更高的峰值。