电力谐波对电气设备的影响

一、谐波是如何产生的

在理想干净的电力系统中，电流和电压都是纯粹的正弦波，但实际上，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。在只含线性元件（电阻、电感及电容）的简单电路里，流过的电流和施加的电压成正比。所以如果所加电压是正弦的话，流过的电流就是正弦的。应指明，在无功元件的场合，在电压和电流波形之间有一个相位移动，功率因数变低了，但线路仍然是线性的。当负荷为简单的全波整流器及电容器的情况下电流只有在电源电压超过存贮电容器上存的电压时才能流通。

实际上在电力电网中传播的电流波形比上述所说的要复杂得多，可以是某种非对称的，磁滞形的以及转折性的，并且斜率也是随负荷而变的，任何周期性波形均可分解为一个基频正弦加上许多谐波频率的正弦。谐波频率是基频的整数倍，例如基频为50Hz时，二次谐波为100Hz，而三次谐波则为150Hz。谐波电流在供电系统及设备内部均会造成问题，其效果不一，需要分别加以考虑。

（1）电压畸变

因为供电系统有内阻抗，所以谐波负荷电流将造成电压波形的谐波电压畸变。此阻抗有两个组成部分：公共耦合点（PCC）的内部电缆走线的阻抗以及在PCC上供电系统的固有阻抗，以就地供电变压器为例，由非线性负荷形成的畸变的负荷电流在电缆的阻抗上产生一个畸变的电压降。合成的畸变电压波形加到与此同一电压相连的全部其它的负荷上去，而形成谐波电流在其上流过，甚至它们是线性的负荷时也是如此。

问题的解决办法是把产生谐波的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷的供电线路分开，线性负荷和非线性负荷从公共连接点用独立的电路馈电，以便使非线性负荷产生的电压畸变不会达到线性负荷上去。

（2）中性导线的过热

在三相系统中每个相线对星形接法的中点电压有120°的相位移动，故每相的负荷相等时，在中线上的电流为零。但当三相负荷不均衡时，只有去掉均衡值以后的电流流入中线。安装人员利用这一特点可把中线导线容量减少一半，但是，虽然基波电流可相互抵消，但谐波电流则不是这样的――事实上它们都是三次谐波，有奇数位（“3N倍”）的谐波在中线上的适量相加。通过研究表明相电流为100A时，中线电流竟达150A。中性电流可轻易地接近相电流的两倍。所以在有谐波电流的情况下，中线的截面应该是每相导线截面的两倍，用五芯电缆可以方便地实现这一方案。

（3）谐波对变压器的影响

三相变压器对高次谐波的影响状况取决于所用的连接方式。

对于星/星（Y/Y）接法，相电流的任何不平衡结果会使相线对中线电压不相等。3N倍的谐波电流在一次及二次的相线对中线的电压上均造成谐波电压并使星点电压脉动。如果一次是四线制的（即星点连接中线），电压就不会有畸变，但是一次中线上要流过谐波电流，就会引起电源系统的畸变。解决方法就是加上第三个三角形接法的绕组便可以克服这个问题（容量为变压器额定值的30%），它给循环不平衡的及3N次谐波提供通路，可以防止它们传回入配电系统。

对于三角形/星形(Δ/Y)接法,不平衡电流和3N次谐波电流只在一次绕组循环流动而不会传到电源系统中去.这种接法是配电变压器中常用的一种。

（4）集肤效应

交流电流趋向于在导体外表面流动，即众所周知的集肤效应，它在高频方面更为显著。通常因为集肤效应在电网工频下影响很小而被忽略，但是大约在300Hz以上（即其次谐波及以上时），集肤效应将变为显著而导致附加的损耗和过热。因此在有谐波电流的场合，设计者应考虑集肤效应并适当降低电缆的额定容量。例如采用多芯电缆或分层的母线来克服这个问题。

近年来，产生谐波的设备类型及数量在急剧增长并将继续增长。谐波负荷电流是由所有的非线性符合产生的，了解谐波的产生及对设备造成的影响，为我们消除、减少谐波对人们生产、生活所带来的不利影响提供了依据和保证。

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