三次諧波的來(lái)源

三次諧波電流主要來(lái)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(méi)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(kāi)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(guò)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(guò)不同的配電柜(箱)給建筑物中的不同負(fù)載供電。在布線(xiàn)時(shí)，要充分考慮三相負(fù)荷的平衡性。通常，零線(xiàn)的截面積與相線(xiàn)是相同的，有些建筑物中零線(xiàn)的截面積小于相線(xiàn)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(lèi)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(wèn)題：

1. 變壓器的初級(jí)繞組溫度很高，盡管變壓器還沒(méi)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(guò)流保護(hù)裝置意外動(dòng)作，雖然實(shí)際電流并沒(méi)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(xiàn)電流超過(guò)相線(xiàn)電流，盡管3相的負(fù)荷平衡，往往導(dǎo)致零線(xiàn)過(guò)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。

這個(gè)圖中所顯示的是一臺(tái)1500W的設(shè)備，按照正弦波電流計(jì)算，電流的有效值應(yīng)該為7A左右，峰值電流為10A左右，但是，這里的峰值達(dá)到了60A。

這就會(huì)導(dǎo)致通過(guò)檢測(cè)峰值電流工作的保護(hù)裝置誤動(dòng)作。

案例1：

某火鍋城，使用電磁爐加熱，當(dāng)客人較多時(shí)，頻繁跳閘。而配電箱的設(shè)計(jì)容量已經(jīng)留出了2倍的余量。

案例2：

某軟件公司，使用數(shù)百臺(tái)電腦，頻繁出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象。

三次諧波引起變壓器過(guò)熱

諧波電流在流過(guò)變壓器時(shí)，會(huì)造成變壓器的損耗增加，從而導(dǎo)致變壓器的溫度過(guò)高。其中，三次諧波電流造成變壓器過(guò)熱的情況最為嚴(yán)重。當(dāng)負(fù)載全部為信息設(shè)備和節(jié)能燈時(shí)，變壓器的容量往往僅能達(dá)到銘牌上標(biāo)稱(chēng)容量50%。

造成這種現(xiàn)象的原因是變壓器的結(jié)構(gòu)。三相四線(xiàn)制配電系統(tǒng)中的變壓器的結(jié)構(gòu)都是Δ/Υ結(jié)構(gòu)。當(dāng)變壓器的負(fù)載端有三次諧波電流時(shí)，三次諧波電流會(huì)耦合到變壓器的初級(jí)側(cè)。這種結(jié)構(gòu)的變壓器不會(huì)將三次諧波電流發(fā)射到上游電網(wǎng)(這可能是一個(gè)優(yōu)點(diǎn))，但是，三次諧波電流也并不抵消，而是在變壓器的初級(jí)Δ繞組中形成環(huán)流，這種環(huán)流的幅度會(huì)很大，從而產(chǎn)生很大的熱量。

為了防止變壓器的溫度過(guò)高，很多人采用K因子變壓器，這種變壓器實(shí)際就是一種冗余量很大的變壓器，通過(guò)增大變壓器的容量來(lái)降低溫度。

歐美國(guó)家開(kāi)始采用消諧波變壓器，這是通過(guò)消除三次諧波環(huán)流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不僅能夠降低變壓器的溫度，并且具有顯著的節(jié)能效果。從上圖中可以看出，消諧波變壓器的溫度遠(yuǎn)低于普通變壓器，減少的發(fā)熱量就是節(jié)省的電能。

三次諧波引起零線(xiàn)過(guò)熱

三次諧波電流引起的另一種典型故障就是零線(xiàn)過(guò)熱。

圖中所示的是開(kāi)關(guān)柜中零線(xiàn)電流過(guò)大導(dǎo)致過(guò)熱的情況。上面的一組是可見(jiàn)光照片，可以看到零線(xiàn)過(guò)熱的情況。左面的是零線(xiàn)的絕緣層嚴(yán)重老化，右面的是零線(xiàn)的接線(xiàn)銅排嚴(yán)重氧化。這都說(shuō)明零線(xiàn)處于高溫下。

下面的圖中，展示了紅外線(xiàn)圖象。右面的圖像為可見(jiàn)光照片，雖然零線(xiàn)仍然完好，但是左面的圖像告訴我們，他的溫度已經(jīng)超過(guò)了相線(xiàn)。長(zhǎng)時(shí)間的高溫，會(huì)加速絕緣層老化。

造成零線(xiàn)過(guò)熱的原因就是零線(xiàn)電流過(guò)大。零線(xiàn)不同于相線(xiàn)，他沒(méi)有過(guò)流保護(hù)裝置，因此在電流過(guò)大的情況下，不會(huì)進(jìn)行保護(hù)，只能任憑發(fā)熱。

變壓器過(guò)熱的情況容易引起維護(hù)人員的警覺(jué)，并且可以通過(guò)增大變壓器的容量，或者增加外部散熱的方式進(jìn)行降溫。而零線(xiàn)過(guò)熱的問(wèn)題往往被維護(hù)人員忽略。

電纜過(guò)熱往往是電氣火災(zāi)的隱患。因此，對(duì)于零線(xiàn)過(guò)熱的情況必須足夠重視。

零線(xiàn)電流過(guò)大現(xiàn)象

從上一頁(yè)，我們觀(guān)察到了零線(xiàn)過(guò)熱的現(xiàn)象。零線(xiàn)電流是導(dǎo)致零線(xiàn)過(guò)熱的原因。實(shí)際測(cè)量表明，零線(xiàn)電流過(guò)大的現(xiàn)象并非罕見(jiàn)。

上圖中的數(shù)據(jù)是在不同的建筑物中測(cè)量的結(jié)果。其中，建筑物1、4、6中，零線(xiàn)電流已經(jīng)大大超過(guò)了相線(xiàn)電流。

零線(xiàn)電流過(guò)大的后果是導(dǎo)致零線(xiàn)溫度過(guò)高。這實(shí)際是三次諧波所導(dǎo)致的。前面我們已經(jīng)闡述了三次諧波電流的來(lái)源，主要是單相整流電路為代表的非線(xiàn)性負(fù)荷產(chǎn)生的?，F(xiàn)代建筑物中，由于大量使用電子信息設(shè)備、節(jié)能燈等非線(xiàn)性負(fù)荷，會(huì)產(chǎn)生很大的3次諧波電流。結(jié)果就是導(dǎo)致零線(xiàn)電流過(guò)大。

這是一個(gè)十分可怕的事實(shí)。因?yàn)殡娏髁鬟^(guò)導(dǎo)體時(shí)要產(chǎn)生熱量，熱量與電流的平方成正比(I2R)，當(dāng)電流達(dá)到相線(xiàn)電流的1.5倍時(shí)，零線(xiàn)的發(fā)熱量會(huì)達(dá)到相線(xiàn)2.25倍!

另一個(gè)可怕的事實(shí)是，在一般配電系統(tǒng)中，雖然相線(xiàn)上有過(guò)流保護(hù)裝置，而零線(xiàn)上并沒(méi)有過(guò)流保護(hù)裝置。過(guò)大的電流必然會(huì)導(dǎo)致零線(xiàn)過(guò)熱，釀成火災(zāi)隱患。

三次諧波電流在零線(xiàn)上的疊加

我們對(duì)零線(xiàn)電流過(guò)大的現(xiàn)象已經(jīng)有了充分的了解。那么，這種現(xiàn)象是怎樣形成的呢。傳統(tǒng)的電工理論告訴我們，當(dāng)三相電路的負(fù)荷平衡時(shí)，零線(xiàn)上的電流為零，或者很小。為什么現(xiàn)在這個(gè)理論不對(duì)了呢。

這是因?yàn)?，僅當(dāng)三條相線(xiàn)上的電流波形為正弦波，并且它們相差120°時(shí)，如果三相線(xiàn)上的電流幅度相同，才能保證在零線(xiàn)上矢量疊加的結(jié)果是總和為零。

我們知道，單相整流電路的電流是脈沖狀的。如果三條相線(xiàn)上的電流是脈沖狀的，結(jié)果如何呢。

上圖給出了結(jié)論。他們?cè)谥芯€(xiàn)上雖然也是疊加，但是相互錯(cuò)開(kāi)，無(wú)法抵消。并且中線(xiàn)上的脈沖電流的數(shù)量是相線(xiàn)上的脈沖電流數(shù)量的3倍。

從圖中可知，中線(xiàn)上的電流脈沖數(shù)是相線(xiàn)上的電流脈沖數(shù)的3倍，根據(jù)電流有效值的計(jì)算方法，中線(xiàn)上的電流會(huì)達(dá)到相線(xiàn)的1.7倍。如果整流電路的電流的脈寬大于60°，就會(huì)在中線(xiàn)上發(fā)生重疊現(xiàn)象，這時(shí)中線(xiàn)上的一部分電流發(fā)生抵消，實(shí)際的零線(xiàn)電流會(huì)小于相線(xiàn)電流的1.7倍。

前面我們從電流波形的角度解釋了單相整流電路必然導(dǎo)致零線(xiàn)電流過(guò)大的的現(xiàn)象。

讀者可能還會(huì)有疑惑，為什么零線(xiàn)上的諧波電流以三次為主呢。這是因?yàn)閮蓚€(gè)原因。第一，單相整流電路產(chǎn)生的諧波成分中，以三次為最大，三次諧波畸變率通常達(dá)到80%以上。

第二，其他次數(shù)的諧波電流在零線(xiàn)上會(huì)有抵消的效果，唯有三次不會(huì)。

單相整流電路產(chǎn)生3次諧波電流，由于三相電的每相基波電流之間相位相差120°，因此3次諧波電流的相位相差360°(3×120° =360°)，對(duì)于交流電而言，相位相差360°意味它們是同相位的。

因此，3次諧波電流在零線(xiàn)上是算數(shù)疊加的。這就是三次諧波的特殊性。

讀者可能會(huì)想到，不僅三次諧波具有這樣的特性，只要是基波頻率3倍頻率的諧波都應(yīng)該具有這樣的特性。確實(shí)如此，這些頻率是基波頻率3倍的諧波稱(chēng)為3倍頻諧波，他們?cè)谥芯€(xiàn)上都是算術(shù)疊加的。但是6、9次以及更高的3倍頻諧波很小，甚至沒(méi)有，因此不予考慮。

解決三次諧波的方法

前面討論了三次諧波的危害。讀者可能更關(guān)心如何解決這些問(wèn)題。雖然市場(chǎng)上有很多解決方法：陷波電路的無(wú)源濾波器、曲折變壓器、有源濾波器、零線(xiàn)諧波阻斷器等，但是，綜合各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，航天綠電推薦有源濾波器和零線(xiàn)阻斷器兩種方法。這兩種方法行之有效，并且沒(méi)有明顯的負(fù)作用。

1. 有源濾波器(PSW)：當(dāng)對(duì)電壓畸變率有較高的要求時(shí)使用。需要注意的是，有源濾波器僅對(duì)其安裝位置的上游有作用，對(duì)于下游沒(méi)有任何效果。因此要注意安裝的位置。不能安裝在變壓器的下端，這樣僅能夠降低變壓器的溫度，對(duì)于降低零線(xiàn)溫度沒(méi)有任何作用。有源濾波器的方案的缺點(diǎn)是成本很高。

2. 零線(xiàn)諧波電流阻斷器(NBF)：如果對(duì)于電壓畸變率沒(méi)有嚴(yán)格的要求，僅是為了消除3次諧波電流的種種不良影響，使用零線(xiàn)諧波電流阻斷器是性?xún)r(jià)比最高的方法。只要在變壓器的次級(jí)安裝一臺(tái)NBF，就能夠保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)免受三次諧波電流的危害。但是NBF作用僅在于消除3次諧波電流的影響，對(duì)于改善整個(gè)系統(tǒng)的電能質(zhì)量效果很小。

用PSW解決3次諧波電流

用有源濾波器解決諧波的問(wèn)題是個(gè)理想的方案。但是需要注意的是，有源濾波器僅對(duì)上游的線(xiàn)路具有清除諧波的效果，而對(duì)于下游線(xiàn)路沒(méi)有任何效果。

因此，如果采用有源濾波器的方法，就要在分配電箱處安裝。如果僅在變壓器的下端安裝，就對(duì)變壓器具有保護(hù)作用，而對(duì)零線(xiàn)沒(méi)有任何效果。

如果分配電箱中有繼電保護(hù)裝置，則這些繼電保護(hù)裝置仍然可能出現(xiàn)誤動(dòng)作的現(xiàn)象。