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載時,會產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(wěn)定量上的交流分量。它們雖然在概念上不是一回事，但它們之間有聯系。如電源上附加的紋波在用電器上很容易產生各頻率的諧波;電源中各頻率諧波的存在無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生諧波的情況以外，它主要有以下主要危害：

　　1、使電網中發(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、自動裝置、計算機系統及許多用電設備運轉不正常或不能正常動作或操作;

　　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，降低信號的傳輸質量，破壞信號的正常傳遞，甚至損壞通信設備。

　　紋波的害處：

　　1、容易在用電器上產生諧波，而諧波會產生較多的危害;

　　2、降低了電源的效率;

　　3、較強的紋波會造成浪涌電壓或電流的產生，導致燒毀用電器;

　　4、會干擾數字電路的邏輯關系，影響其正常工作;

　　5、會帶來噪音干擾，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允許的范圍之內，不對環(huán)境和設備產生影響就算達到了我們的目的。

　　近年來, 電力網中非線性負載的逐漸增加是全世界共同的趨勢，如變頻驅動或晶閘管整流直流驅動設備、計算機、重要負載所用的不間斷電源(UPS) 、節(jié)能熒光燈系統等，這些非線性負載將導致電網污染，電力品質下降，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惡化主要表現在以下方面：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。

　　? 影響無線電發(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。

　　? 引起電氣自動裝置誤動作，甚至發(fā)生嚴重事故。

　　? 使電氣設備過熱，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。

　　? 導致供電系統功率損耗增加。

　　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，在一段時間內超過(低于)標準電壓值，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，在一段時間內低于標準電壓值，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內重負載的分合造成，例如大型電動機、中央空調系統、電弧爐等的啟停以及開關電弧、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導致電壓的周期性波動,如電焊機、沖壓機、吊機、電梯等,這些設備需要短時沖擊功率,主要是無功功率。電壓波動導致設備功率不穩(wěn)，產品質量下降;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極性，可以具有連串或振蕩性質。它們通常也被叫作：尖峰、缺口、干擾、毛刺或突變。

　　電網中的浪涌沖擊既可由電網內部大型設備(電機、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備部件損壞，引起電氣設備絕緣擊穿;同時也容易導致計算機等設備數據出錯或死機。

　　2.3 諧波

　　線性負載，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。傳統的線性負載的電流/電壓只含有基波(50Hz)，沒有或只有極小的諧波成分，而非線性負載會在電力系統中產生可觀的諧波。

　　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。非線性負載產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電壓畸變，形成諧波分量，進而導致與電網相聯的其它負載產生更多的諧波電流。

　　計算機是此類非線性負載之一，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生電流，因此產生大量的三次諧波電流(150Hz)。其它產生諧波電流的設備主要有：電動機變頻調速器，固態(tài)加熱器，和其他一些產生非正弦波變化電流的設備。

　　熒光燈照明系統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80%。

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

　　另外，電容器還會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熱也是十分敏感的，啟輝電容器的頻繁損壞顯示了電網中存在諧波的影響。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的工作，如電能管理系統(EMS)和時鐘系統。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生過電流(由諧波和不平衡引起)不僅會使導線溫度升高，造成絕緣損壞，而且會在三相變壓器線圈中產生環(huán)流，導致變壓器過熱, 甚至引發(fā)嚴重火災事故等。

　　3.電源污染的治理

　　對于現有供電網絡或待建電網中的電力污染情況，要進行仔細分析，通常解決的方法有兩個：一是局部重組電網結構，分離或隔離產生電力污染的設備;二是使用電源凈化濾波設備進行治理，通常電壓諧波是由電流諧波產生的，有效地抑制電流諧波就會使電壓畸變達到要求的范圍。國內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：

　　? 串聯電抗器

　　? 有源濾波補償

　　? 無源濾波補償

　　? 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，無源濾波補償是實際應用最多、效果較好、價格較低的解決方案，它包括三種基本形式：串聯濾波、并聯濾波和低通濾波(串并混合)。其中串聯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;并聯濾波是一種綜合裝置，它可濾除多次諧波，同時提供系統的無功功率，是應用最廣泛的電源凈化濾波裝置。

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

　　不平衡電流的危害

　　電網中三相間的不平衡電流是普遍存在的，在城市民用電網及農用電網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，也很少有人進行研究。

　　電網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會影響變壓器的安全運行，會造成三相電壓不平衡因而降低供電質量，甚至會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，三相電流平衡時變壓器及線路的銅損最小，也就是說：三相不平衡現象增加了變壓器及線路的銅損。

　　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。這種類型的變壓器，當二次側負荷不平衡且有零線電流時，零線電流即為零序電流，而在一次側由于無中點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受到影響，中性點會偏移。由計算得知，當零線電流為額定電流的25%時，中性點移位約為額定電壓的7%。國家標準GB50052-95第6.08條規(guī)定: “當選用Yyn0結線組別的三相變壓器，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結線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產生較大的渦流損耗，因而使變壓器的鐵損增加。當零序電流過大導致零序磁通過大時，由于中性點漂移過大會引起某些相電壓過高而導致鐵心磁飽和，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，形成比較嚴重的三相電壓不平衡現象，不但影響單相用戶，對三相用戶的影響更大 。

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，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。

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

　　當a=b=c時，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，即三相負荷達到平衡時，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，即Ia=Ib=Ic=I時，Qa+Qb+Qc=3I2R;

　　當變壓器運行在最大不平衡時，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)三相負荷不平衡可能造成燒毀變壓器的嚴重后果：

　　上述不平衡時重負荷相電流過大(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造成變壓器零序電流過大，局部金屬件溫升增高：

　　在三相負荷不平衡運行下的變壓器，必然會產生零序電流，而變壓器內部零序電流的存在，會在鐵芯中產生零序磁通，這些零序磁通就會在變壓器的油箱壁或其他金屬構件中構成回路。但配電變壓器設計時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，嚴重時將導致變壓器運行事故。

　　3.2 對高壓線路的影響

　　(1)增加高壓線路損耗：

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

　　低壓電網三相負荷不平衡將反映到高壓側，在最大不平衡時，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);

　　即高壓線路上電能損耗增加12.5%。

　　(2)增加高壓線路跳閘次數、降低開關設備使用壽命：

　　我們知道高壓線路過流故障占相當比例，其原因是電流過大。低壓電網三相負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，同時變電站的開關設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)三相負荷不平衡將增加線路損耗：

　　三相四線制供電線路，把負荷平均分配到三相上，設每相的電流為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損失1200 kWh，則平衡時只損失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路、燒毀開關設備的嚴重后果：

　　上述不平衡時重負荷相電流過大(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，可能造成該相導線溫度直線上升，以致燒斷。且由于中性線導線截面一般應是相線截面的50%，但在選擇時，有的往往偏小，加上接頭質量不好，使導線電阻增大。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，低壓電網損耗大，將降低供電企業(yè)的經濟效益，甚至造成供電企業(yè)虧損經營。農電工承包臺區(qū)線損，線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，重則為了得到錢違法犯罪。

　　變壓器燒毀、線路燒斷、開關設備燒壞，一方面增大供電企業(yè)的供電成本，另一方面停電檢修、購貨更換造成長時間停電，少供電量，既降低供電企業(yè)的經濟效益，又影響供電企業(yè)的聲譽。

　　3.5 對用戶的影響

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

　　變壓器燒毀、線路燒斷、開關設備燒壞，影響用戶供電，輕則帶來不便，重則造成較大的經濟損失，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。