高次諧波就是頻率為基數(shù)倍的一系列波的“總匯”。工頻系統(tǒng)的二次諧波頻率為100HZ,三次諧波的頻率為150HZ,依次類推。電力系統(tǒng)中高次諧波與基波合成的結(jié)果是造成電網(wǎng)電壓波形畸變的主要因素,高次諧波的畸變次數(shù)及振幅值的大小,將決定對(duì)電網(wǎng)污染,破壞的程度,及對(duì)用電設(shè)備的危害大小。高次諧波最主要來源于:個(gè)人計(jì)算機(jī),各種硅整流設(shè)備、含有二極管(電容式)電源設(shè)備、電弧爐設(shè)備、中頻電源設(shè)備、各種變頻逆變器、斬波器等裝置。其中對(duì)電網(wǎng)污染最重、對(duì)用電設(shè)備危害最大的當(dāng)屬可控硅中頻電源和煉鋼用的電弧爐設(shè)備。下面主要討論高次諧波的危害及預(yù)防措施。

1高次諧波對(duì)各種電氣設(shè)備的危害

非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流,能夠在電力系統(tǒng)的某些設(shè)備上明顯的反映出來,常見的有變壓器和中性線。在電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和移相電容器中也有些表現(xiàn)。由于電壓畸變,所含的高頻成份將造成發(fā)電、輸電、變電、配電和用電設(shè)備過熱、損耗增大、系統(tǒng)過電壓、失控等。工頻電流在輸電導(dǎo)線截面內(nèi)是均勻分布的,而高頻電流則產(chǎn)生嚴(yán)懲的趨膚效應(yīng),使導(dǎo)線有效電阻增大。如300mm2導(dǎo)線,通過工頻電流時(shí),靠近中心一半工半面積上的電流密度為平均值的90%,表面一半面積上為100%,這時(shí),電流密度為平均值的90%,表面一半面積上為110%,這時(shí),電流在導(dǎo)體上的總的損耗為內(nèi)外兩部分之和。Ii2Ri+I02R0=((0.9/2)I)·22R+((1.1/2)I)2·2R=1.01I2R隨著頻率的升高,趨膚效應(yīng)也越來越加顯著,有效電阻也越大。300HZ時(shí)為1.21倍,420HZ時(shí)為1.35I2R。由于電流波形畸變,流過導(dǎo)體的電流除基波外,又增加了高次諧波電流分量。接有大量非線性負(fù)載的電網(wǎng)損耗將增大,導(dǎo)體發(fā)熱更加嚴(yán)重,系統(tǒng)用電設(shè)備也將工作不穩(wěn)定等。

中性線:在三相四線制系統(tǒng)中,中性線將受到接在相電壓上的非線性負(fù)載的影響。在正常情況下,三相線性負(fù)載平衡時(shí),中性線的電流為零。當(dāng)存在非線性負(fù)載時(shí),某些高次諧波即奇次諧波會(huì)在中性線里疊加起來。如由三次諧波序列構(gòu)成的負(fù)載電流越來越多時(shí),更多的未被抵消的電流將會(huì)在中性線中流動(dòng)。在這種情況下,中性線的過電流還會(huì)在中性線和接地線間產(chǎn)生高于正常的電壓跌落。如果中性線電流特別大,甚至超過其導(dǎo)線額定電流的80%,則必須要切除部分次要負(fù)載,否則就必須增加中性線的截面積,這對(duì)三相四線制系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都是不利的。電力線路,當(dāng)諧波電流通過架空線時(shí),可能產(chǎn)生串聯(lián)諧振,甚至造成危險(xiǎn)的過電壓。電力電纜在諧波電壓作用下,其絕緣材料會(huì)因所含的少量氣體電離并經(jīng)電氣、機(jī)械、物理和化學(xué)變化而加速老化。絕緣強(qiáng)度降低,泄漏電流增大,使壽命縮短。如正常工頻電流電壓下,壽命為25年,而在含有五次、七次諧波電流電壓作用下,壽命僅為9年。諧波的危害可見一般。高頻大幅度諧波還可能引起局部放電,產(chǎn)生內(nèi)部擊穿情況,對(duì)電力線路的危害更加嚴(yán)重。

　　諧波對(duì)變壓器的危害:當(dāng)較高頻率的電流注入變壓器時(shí),將產(chǎn)生趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),在繞組中引起附加損耗與變壓器鐵芯有關(guān)的鐵損亦有增加。于是變壓器將產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量。如果變壓器一次側(cè)接線為三角形,二次側(cè)接線為星形,那么非線性負(fù)載將使該變壓器承受額外過熱之害。由于非線性負(fù)載使支路電流含有較多高次諧波電流,而諸奇數(shù)諧波電流不但不能抵消,反而會(huì)疊加,以諧波電流在中性線中流動(dòng)。當(dāng)該電流返回星形結(jié)線的二次繞組時(shí),它被感應(yīng)到角結(jié)線的一次繞組,并形成環(huán)流。這個(gè)環(huán)流成為產(chǎn)生額外熱量的原因,且對(duì)諧波電流本身產(chǎn)生的熱量起助長作用。諧波電壓還會(huì)使變壓器激磁電流增大,效率降低,功率因數(shù)變壞。當(dāng)諧波電壓長期存在且較為嚴(yán)重時(shí),將會(huì)危及變壓器主絕緣。對(duì)電容器的危害:由于電力系統(tǒng)線電壓的畸變,電力電容器損耗增加、過熱。電容器是頻率的敏感元件。電力電容器在電力系統(tǒng)中如同一個(gè)諧波吸收器,將使電容器嚴(yán)懲過電流。電容器和電力系統(tǒng)中的感性元件也能形成諧振電路,如果這個(gè)揩振回路的頻率等于或接近系統(tǒng)中某次諧波分量的頻率,就會(huì)產(chǎn)生諧振,造成過電壓、過熱。諧波對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的危害主要是電壓諧波畸變會(huì)使三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)過熱,如長期有諧波存在,將對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壽命構(gòu)成嚴(yán)重危脅。諧波對(duì)配電盤的危害的基本征兆是發(fā)熱,或是由過熱造成損壞。在配電盤里,可能出現(xiàn)的過熱點(diǎn)是中性母線及其連接點(diǎn),它們往往載有過量的中性線電流。諧波還會(huì)使各種表計(jì)誤差加大,使電訊線路產(chǎn)生干擾。高次諧波其它危害還有:使半導(dǎo)體器件本身有誤觸發(fā)、丟脈沖等,使電力系統(tǒng)無功功率增加,功率因數(shù)下降。同時(shí)對(duì)一些電子設(shè)備,儀器也將產(chǎn)生程度不同的影響,以至于不能正常使用。

2高次諧波的防止對(duì)策

綜上所述,大量非線性負(fù)載的授入,交流工頻電流將成為含有高次諧波的畸變電流,它們流經(jīng)電源和系統(tǒng)中的阻抗時(shí),使供電電壓波形發(fā)生畸變,這給電網(wǎng)及系統(tǒng)中運(yùn)行的設(shè)備、儀器帶來很大的危害,因此,研究抑制消除電力系統(tǒng)中的高次諧波,確保電力系統(tǒng)免遭污染侵害是十分必要的。消除或抑制諧波的對(duì)策可以兩方面考慮。一是從非線性負(fù)載本身入手,使它們盡可能減少諧波電流的注入量。二是設(shè)法改變系統(tǒng)中諧波電流的流向,以消除和防止諧波的影響。通常的做法有:a.在非線性負(fù)載回路增設(shè)諧波濾波器。主要適用于可控硅整流裝置,中頻電源裝置及各種電子逆變器等。濾波器可以對(duì)某些諧波產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收作用,以減少諧波電流有含量。采用單調(diào)諧濾波器可以對(duì)5~13次諧波進(jìn)行濾波,對(duì)17次以上的諧波則應(yīng)采用高通濾波器結(jié)線。b.對(duì)非線性負(fù)載的供、配電回路要分開獨(dú)立設(shè)置,供電變壓器必須使用Y/△接線方式,即一次側(cè)為Y接,二次側(cè)為角接。其它用電設(shè)備不宜與非線性負(fù)載共用一臺(tái)供電變壓器,如從經(jīng)濟(jì)角度考慮,需用一臺(tái)變壓器供電時(shí)須對(duì)非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流成份予以防治,以確保其它用電設(shè)備的可靠、安全使用。c.對(duì)變壓器的保護(hù)方法保護(hù)變壓器的一個(gè)途徑是把變壓器上的負(fù)載量限制在其額定值的某個(gè)百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)。這被稱為降低變壓器額定容量法。這是美國計(jì)算機(jī)和商業(yè)設(shè)備同業(yè)協(xié)會(huì)提供的方法。采用這種方法降低額定容量,必須測量變壓器二次側(cè)各相的有效值和瞬時(shí)尖峰值。這種方法比繁瑣,也不特別適用。在負(fù)載處安裝諧波濾波器,不但能消除該變壓器的諧波電流,而且可以防止高次諧波竄至連接在這個(gè)電力系統(tǒng)上的其它易受影響的用電設(shè)備。也可以采用更強(qiáng)的冷卻方式,以降低變壓器因高次諧波引起的額外的熱量。d.保護(hù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的方法感應(yīng)電動(dòng)機(jī)對(duì)供電線路電壓諧波畸變率特別敏感。一般經(jīng)驗(yàn)證明,電動(dòng)機(jī)供電電壓的總諧波的畸變率不應(yīng)超過5%。為此,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)接在一條獨(dú)立饋線上,其端電壓的畸變就會(huì)減少。此外,應(yīng)該采取減少給非線性負(fù)載供電的線路的阻抗的措施,即增大導(dǎo)線截面積。或在非線性負(fù)載處增加諧波濾波器。隨著我國工業(yè)自動(dòng)化水平不斷提高,諧波問題在沒有得到很好的解決之前,只能會(huì)越來越嚴(yán)重,但同時(shí)對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量的要求也會(huì)越來越高,這就要求我們把解決電力系統(tǒng)諧波污染的的工作重視起來。相信在不久的將來,諧波污染,侵害電力系統(tǒng)情況會(huì)逐步得到根治。