电力谐波对设备的影响

1　谐波是怎样产生的
　　在理想干净的电力系统中，电流和电压都是纯粹的正弦波。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，如图1所表示的那样。其中的负荷线表示外加电压和负荷中所生电流的关系，图1中表示的电流波形与电压波形是和线性负荷相对应的。应指明，在有无功元件的场合，在电压和电流波形间有一个相位移动，功率因数变低了，但线路仍是线性的。
　　图2是负荷为简单的全波整流器及电容器时的情况。在这个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流通，亦即接近正弦波电压峰值附近时，如负荷线的形态所示。
　　实际上负荷线(此处的电流波形)比本例所说的要更为复杂，可以是某种非对称的、磁滞形的以及转折形的，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，需分别加以研究。
2　谐波对电力设备的影响及应对方法
2.1　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，在图3中加以说明。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，加到与此同一电路相连的全部的别的负荷上去，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，如图4所示的那样，这里线性负荷和非线性负荷从公共连接点用分别的电路馈电，以使由非线性负荷产生的电压畸变不会达到线性负荷上去。为了使问题简化，本例中假设在公共耦合点(PCC)上的电源阻抗为零。在实际上此电源阻抗很低但有一定数值，并有电感成分而使由谐波电流产生的谐波电压畸变加剧。
2.2　中线导线的过热
　　在三相系统中每个相线对星形接法的中点电压间有120°的相位移动，故当每相的负荷相等时，在中线上的电流为零。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。安装者利用这一好处可把中线导线容量减少一半。然而，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)在中线上矢量相加。最新研究表明相电流为100A时，中线电流竟达150A。中线电流可轻易地接近相电流的两倍来流过截面减半的中线导线。所以中线的截面应该是每相导线截面的两倍，用五芯电缆可方便地实现这一方案；每相用一个芯线而中线则用两个芯线，如果搞不到五芯电缆，就最好是用一根两倍截面的电缆做中线。
2.3　对变压器和感应电动机的影响
　　(1)变压器。
　　三相变压器对高次谐波的响应状况取决于所用的连接方式(星形的或三角形的连接)。
　　对于星/星(Y/Y)接法，相电流间的任何不平衡结果会使星点电气位移，使相线对中线的电压不相等。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的电压脉动。如果一次是四线制的(即星点连接中线)，电压就不会有畸变，但一次中线上要流过谐波电流，就会引起电源系统的畸变。加上第三个三角形接法的绕阻就可以克服这个问题(容量为变压器额定值的30％)，它给循环不均衡的及3N次谐波提供了通路，这样就可防止它们传回入配电系统。
　　对于三角形/星形(△/Y)接法，不平衡和3N次谐波电流在一次绕阻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最常用的一种。
　　应注意，所有的其他谐波都会传回到电源系统中去，结果将广泛散布开来。如所了解的那样，较低次数的谐波是最麻烦的，因为它们比较强大，系统的阻抗不能将它们衰减多少，并且很难将它们从电源中消除。无论是传出去与否，所有的谐波都要增大在变压器的绕阻和铁心上的损耗，环流不做有用功，但会引起额外的损耗并增加绕阻的温度，更高的谐波频率使磁损及涡流损耗加大。
　　(2)感应电动机。
　　和变压器中的道理一样，谐波畸变会加大电动机中的损耗。
然而，由于励磁磁场的谐波会产生附加的损耗，每个谐波分量都有自身的相序(正序、逆序、零序)，它表示旋转的方向(在感应电动机中相对于基波磁场的正向而言的)。
　　谐波次数　1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
　　相　　序　＋－ 0 ＋－ 0 ＋－ 0 ＋ － 0
　　零序谐波(3次及3的倍数，即“3N”次谐波)产生不变的磁场，但是因为谐波频率较高，故磁性损耗大大增高而将谐波能量以热的方式放出。负序的谐波产生反方向旋转的磁场(相对于基波而言)，而使电机的力矩下降，并和零序谐波一样，产生更多的损耗。正序谐波产生正向旋转磁场来加大力矩，它和负序分量一起，可造成电机的振动而降低电机寿命。
　　在有谐波出现的场合，电动机的容量应按图5中的曲线来降低其额定功率。
谐波电压因数(HVF)定义如下
　　式中,Vn为以基波的百分数表示的第n次谐波电压的方均根值，n为奇次谐波的次数(3N次谐波除外)。
2.4　断路器的骚扰跳闸
　　剩余电流断路器(RCCB)是根据相线及中性线中的电流之和来动作的，如果结果不在额定的限度之内时，就将负荷的电源切断。有下面的两个原因，在出现谐波时骚扰跳闸就会发生。第一，因为RCCB是机电装置，有时不能准确获得高频分量的和，所以就会误跳闸。第二，由于有谐波电流的缘故，流过电路的电流会比计算所得或简单量测的值要大。大多数的便携式测量仪表并不能读出真实的电流方均根值，相反，它们测到的是平均值，然后假设波形是纯正弦的再乘一个校正系数。在有谐波时，这样读出的结果可能比真实数值低得多，而这就意味着过电流脱扣被整定在一个十分低的数值上。真实的方均根值的测量需要一个响应宽频带和精确的高速乘法运算，这直到近似的数字信号处理技术也是难于在廉价的便携式仪表上实现的。现代便携式仪表可在峰值因数大于3，精度(包括电流互感器)为5％之下测波形。峰值因数是峰值和方均根值之比，对于正弦波为1.41。
　　现在剩余电流断路器就成为检测电流方均根值的有实用价值的电器，连同真实的方均根测量，便可提供可靠的工作。
2.5　集肤效应
　　交流电流趋向于在导体的外表面流动，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频率下影响很小而被忽略，但是大约在300Hz以上(亦即七次谐波及其以上时)，集肤效应将应变为显著的而导致附加的损耗和过热。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。
3　结束语
　　近年来，产生谐波的设备类型及数量已在急剧增长，并将继续增长。谐波负荷电流是由所有的非线性负荷所产生的。例如，开关模式电源，电子荧光灯镇流，调速的传动装置，不间断电源，磁性铁心装置。
　　了解谐波的产生及对设备造成的影响，为我们消除、减小谐波对人们生产、生活带来的不利影响提供了依据及保证。
1　谐波是怎样产生的
　　在理想干净的电力系统中，电流和电压都是纯粹的正弦波。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，如图1所表示的那样。其中的负荷线表示外加电压和负荷中所生电流的关系，图1中表示的电流波形与电压波形是和线性负荷相对应的。应指明，在有无功元件的场合，在电压和电流波形间有一个相位移动，功率因数变低了，但线路仍是线性的。
　　图2是负荷为简单的全波整流器及电容器时的情况。在这个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流通，亦即接近正弦波电压峰值附近时，如负荷线的形态所示。
　　实际上负荷线(此处的电流波形)比本例所说的要更为复杂，可以是某种非对称的、磁滞形的以及转折形的，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，需分别加以研究。
2　谐波对电力设备的影响及应对方法
2.1　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，在图3中加以说明。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，加到与此同一电路相连的全部的别的负荷上去，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，如图4所示的那样，这里线性负荷和非线性负荷从公共连接点用分别的电路馈电，以使由非线性负荷产生的电压畸变不会达到线性负荷上去。为了使问题简化，本例中假设在公共耦合点(PCC)上的电源阻抗为零。在实际上此电源阻抗很低但有一定数值，并有电感成分而使由谐波电流产生的谐波电压畸变加剧。
2.2　中线导线的过热
　　在三相系统中每个相线对星形接法的中点电压间有120°的相位移动，故当每相的负荷相等时，在中线上的电流为零。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。安装者利用这一好处可把中线导线容量减少一半。然而，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)在中线上矢量相加。最新研究表明相电流为100A时，中线电流竟达150A。中线电流可轻易地接近相电流的两倍来流过截面减半的中线导线。所以中线的截面应该是每相导线截面的两倍，用五芯电缆可方便地实现这一方案；每相用一个芯线而中线则用两个芯线，如果搞不到五芯电缆，就最好是用一根两倍截面的电缆做中线。
2.3　对变压器和感应电动机的影响
　　(1)变压器。
　　三相变压器对高次谐波的响应状况取决于所用的连接方式(星形的或三角形的连接)。
　　对于星/星(Y/Y)接法，相电流间的任何不平衡结果会使星点电气位移，使相线对中线的电压不相等。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的电压脉动。如果一次是四线制的(即星点连接中线)，电压就不会有畸变，但一次中线上要流过谐波电流，就会引起电源系统的畸变。加上第三个三角形接法的绕阻就可以克服这个问题(容量为变压器额定值的30％)，它给循环不均衡的及3N次谐波提供了通路，这样就可防止它们传回入配电系统。
　　对于三角形/星形(△/Y)接法，不平衡和3N次谐波电流在一次绕阻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最常用的一种。
　　应注意，所有的其他谐波都会传回到电源系统中去，结果将广泛散布开来。如所了解的那样，较低次数的谐波是最麻烦的，因为它们比较强大，系统的阻抗不能将它们衰减多少，并且很难将它们从电源中消除。无论是传出去与否，所有的谐波都要增大在变压器的绕阻和铁心上的损耗，环流不做有用功，但会引起额外的损耗并增加绕阻的温度，更高的谐波频率使磁损及涡流损耗加大。
　　(2)感应电动机。
　　和变压器中的道理一样，谐波畸变会加大电动机中的损耗。
然而，由于励磁磁场的谐波会产生附加的损耗，每个谐波分量都有自身的相序(正序、逆序、零序)，它表示旋转的方向(在感应电动机中相对于基波磁场的正向而言的)。
　　谐波次数　1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
　　相　　序　＋－ 0 ＋－ 0 ＋－ 0 ＋ － 0
　　零序谐波(3次及3的倍数，即“3N”次谐波)产生不变的磁场，但是因为谐波频率较高，故磁性损耗大大增高而将谐波能量以热的方式放出。负序的谐波产生反方向旋转的磁场(相对于基波而言)，而使电机的力矩下降，并和零序谐波一样，产生更多的损耗。正序谐波产生正向旋转磁场来加大力矩，它和负序分量一起，可造成电机的振动而降低电机寿命。
　　在有谐波出现的场合，电动机的容量应按图5中的曲线来降低其额定功率。
谐波电压因数(HVF)定义如下
　　式中,Vn为以基波的百分数表示的第n次谐波电压的方均根值，n为奇次谐波的次数(3N次谐波除外)。
2.4　断路器的骚扰跳闸
　　剩余电流断路器(RCCB)是根据相线及中性线中的电流之和来动作的，如果结果不在额定的限度之内时，就将负荷的电源切断。有下面的两个原因，在出现谐波时骚扰跳闸就会发生。第一，因为RCCB是机电装置，有时不能准确获得高频分量的和，所以就会误跳闸。第二，由于有谐波电流的缘故，流过电路的电流会比计算所得或简单量测的值要大。大多数的便携式测量仪表并不能读出真实的电流方均根值，相反，它们测到的是平均值，然后假设波形是纯正弦的再乘一个校正系数。在有谐波时，这样读出的结果可能比真实数值低得多，而这就意味着过电流脱扣被整定在一个十分低的数值上。真实的方均根值的测量需要一个响应宽频带和精确的高速乘法运算，这直到近似的数字信号处理技术也是难于在廉价的便携式仪表上实现的。现代便携式仪表可在峰值因数大于3，精度(包括电流互感器)为5％之下测波形。峰值因数是峰值和方均根值之比，对于正弦波为1.41。
　　现在剩余电流断路器就成为检测电流方均根值的有实用价值的电器，连同真实的方均根测量，便可提供可靠的工作。
2.5　集肤效应
　　交流电流趋向于在导体的外表面流动，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频率下影响很小而被忽略，但是大约在300Hz以上(亦即七次谐波及其以上时)，集肤效应将应变为显著的而导致附加的损耗和过热。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。
3　结束语
　　近年来，产生谐波的设备类型及数量已在急剧增长，并将继续增长。谐波负荷电流是由所有的非线性负荷所产生的。例如，开关模式电源，电子荧光灯镇流，调速的传动装置，不间断电源，磁性铁心装置。
　　了解谐波的产生及对设备造成的影响，为我们消除、减小谐波对人们生产、生活带来的不利影响提供了依据及保证。
1　谐波是怎样产生的
　　在理想干净的电力系统中，电流和电压都是纯粹的正弦波。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，如图1所表示的那样。其中的负荷线表示外加电压和负荷中所生电流的关系，图1中表示的电流波形与电压波形是和线性负荷相对应的。应指明，在有无功元件的场合，在电压和电流波形间有一个相位移动，功率因数变低了，但线路仍是线性的。
　　图2是负荷为简单的全波整流器及电容器时的情况。在这个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流通，亦即接近正弦波电压峰值附近时，如负荷线的形态所示。
　　实际上负荷线(此处的电流波形)比本例所说的要更为复杂，可以是某种非对称的、磁滞形的以及转折形的，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，需分别加以研究。
2　谐波对电力设备的影响及应对方法
2.1　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，在图3中加以说明。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，加到与此同一电路相连的全部的别的负荷上去，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，如图4所示的那样，这里线性负荷和非线性负荷从公共连接点用分别的电路馈电，以使由非线性负荷产生的电压畸变不会达到线性负荷上去。为了使问题简化，本例中假设在公共耦合点(PCC)上的电源阻抗为零。在实际上此电源阻抗很低但有一定数值，并有电感成分而使由谐波电流产生的谐波电压畸变加剧。
2.2　中线导线的过热
　　在三相系统中每个相线对星形接法的中点电压间有120°的相位移动，故当每相的负荷相等时，在中线上的电流为零。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。安装者利用这一好处可把中线导线容量减少一半。然而，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)在中线上矢量相加。最新研究表明相电流为100A时，中线电流竟达150A。中线电流可轻易地接近相电流的两倍来流过截面减半的中线导线。所以中线的截面应该是每相导线截面的两倍，用五芯电缆可方便地实现这一方案；每相用一个芯线而中线则用两个芯线，如果搞不到五芯电缆，就最好是用一根两倍截面的电缆做中线。
2.3　对变压器和感应电动机的影响
　　(1)变压器。
　　三相变压器对高次谐波的响应状况取决于所用的连接方式(星形的或三角形的连接)。
　　对于星/星(Y/Y)接法，相电流间的任何不平衡结果会使星点电气位移，使相线对中线的电压不相等。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的电压脉动。如果一次是四线制的(即星点连接中线)，电压就不会有畸变，但一次中线上要流过谐波电流，就会引起电源系统的畸变。加上第三个三角形接法的绕阻就可以克服这个问题(容量为变压器额定值的30％)，它给循环不均衡的及3N次谐波提供了通路，这样就可防止它们传回入配电系统。
　　对于三角形/星形(△/Y)接法，不平衡和3N次谐波电流在一次绕阻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最常用的一种。
　　应注意，所有的其他谐波都会传回到电源系统中去，结果将广泛散布开来。如所了解的那样，较低次数的谐波是最麻烦的，因为它们比较强大，系统的阻抗不能将它们衰减多少，并且很难将它们从电源中消除。无论是传出去与否，所有的谐波都要增大在变压器的绕阻和铁心上的损耗，环流不做有用功，但会引起额外的损耗并增加绕阻的温度，更高的谐波频率使磁损及涡流损耗加大。
　　(2)感应电动机。
　　和变压器中的道理一样，谐波畸变会加大电动机中的损耗。
然而，由于励磁磁场的谐波会产生附加的损耗，每个谐波分量都有自身的相序(正序、逆序、零序)，它表示旋转的方向(在感应电动机中相对于基波磁场的正向而言的)。
　　谐波次数　1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
　　相　　序　＋－ 0 ＋－ 0 ＋－ 0 ＋ － 0
　　零序谐波(3次及3的倍数，即“3N”次谐波)产生不变的磁场，但是因为谐波频率较高，故磁性损耗大大增高而将谐波能量以热的方式放出。负序的谐波产生反方向旋转的磁场(相对于基波而言)，而使电机的力矩下降，并和零序谐波一样，产生更多的损耗。正序谐波产生正向旋转磁场来加大力矩，它和负序分量一起，可造成电机的振动而降低电机寿命。
　　在有谐波出现的场合，电动机的容量应按图5中的曲线来降低其额定功率。
谐波电压因数(HVF)定义如下
　　式中,Vn为以基波的百分数表示的第n次谐波电压的方均根值，n为奇次谐波的次数(3N次谐波除外)。
2.4　断路器的骚扰跳闸
　　剩余电流断路器(RCCB)是根据相线及中性线中的电流之和来动作的，如果结果不在额定的限度之内时，就将负荷的电源切断。有下面的两个原因，在出现谐波时骚扰跳闸就会发生。第一，因为RCCB是机电装置，有时不能准确获得高频分量的和，所以就会误跳闸。第二，由于有谐波电流的缘故，流过电路的电流会比计算所得或简单量测的值要大。大多数的便携式测量仪表并不能读出真实的电流方均根值，相反，它们测到的是平均值，然后假设波形是纯正弦的再乘一个校正系数。在有谐波时，这样读出的结果可能比真实数值低得多，而这就意味着过电流脱扣被整定在一个十分低的数值上。真实的方均根值的测量需要一个响应宽频带和精确的高速乘法运算，这直到近似的数字信号处理技术也是难于在廉价的便携式仪表上实现的。现代便携式仪表可在峰值因数大于3，精度(包括电流互感器)为5％之下测波形。峰值因数是峰值和方均根值之比，对于正弦波为1.41。
　　现在剩余电流断路器就成为检测电流方均根值的有实用价值的电器，连同真实的方均根测量，便可提供可靠的工作。
2.5　集肤效应
　　交流电流趋向于在导体的外表面流动，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频率下影响很小而被忽略，但是大约在300Hz以上(亦即七次谐波及其以上时)，集肤效应将应变为显著的而导致附加的损耗和过热。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。
3　结束语
　　近年来，产生谐波的设备类型及数量已在急剧增长，并将继续增长。谐波负荷电流是由所有的非线性负荷所产生的。例如，开关模式电源，电子荧光灯镇流，调速的传动装置，不间断电源，磁性铁心装置。
　　了解谐波的产生及对设备造成的影响，为我们消除、减小谐波对人们生产、生活带来的不利影响提供了依据及保证。
    
     河北沃邦电力科技有限公司致力于电力系统自动化产品的研发与生产。其科研成果广泛应用于电力、通信、航天航空、石油化工、建筑、国防等领域。为客户提供全方位的无功补偿及谐波治理解决方案。产品质量遵循ISO-9001:2000质量控制体系，顾客满意是我们追求的最终目标。