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電能質(zhì)量
專家診治

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變頻器產(chǎn)生的諧波電流為什么會(huì)導(dǎo)致電纜和變壓器過熱？

返回列表來源：領(lǐng)步電能質(zhì)量發(fā)布時(shí)間：2016-05-04分享加入收藏關(guān)注：-

專家講堂3

很多朋友都不清楚，為什么諧波電流會(huì)導(dǎo)致電纜和變壓器過熱，那么今天領(lǐng)步就帶大家了解一下這其中的原因吧！

諧波電流具有更高的頻率。交流電流過導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種物理效應(yīng)，稱為“趨膚效應(yīng)”。趨膚效應(yīng)的含義是：流過導(dǎo)體的交流電流并不是均勻分布在導(dǎo)體內(nèi)的，而是趨向于導(dǎo)體的表面，電流的頻率越高，這種電流分布趨向于表面的現(xiàn)象越明顯。由于導(dǎo)體僅流過導(dǎo)體的表面部分，因此導(dǎo)體的實(shí)際有效截面積就會(huì)減小，這就意味著電阻增加，會(huì)產(chǎn)生更大的熱量。同樣幅度（有效值）的電流，流過導(dǎo)體時(shí)，電流產(chǎn)生的熱量與其頻率的平方成正比。

因此，諧波電流流過導(dǎo)體時(shí)，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體嚴(yán)重發(fā)熱。例如，同樣100A的電流，5次諧波在電纜中產(chǎn)生的熱量是基波（50HZ）電流的25倍！導(dǎo)體發(fā)熱量與諧波畸變率的關(guān)系如下圖所示：

銅損與諧波畸變率的關(guān)系

諧波電流流過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生更大的熱量是一個(gè)必須重視的問題。因?yàn)槲覀冊(cè)谶M(jìn)行線路設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)體的截面積是按照基波頻率設(shè)計(jì)的，而當(dāng)這些導(dǎo)體中流過諧波電流時(shí)，呈現(xiàn)更大的電流密度，導(dǎo)致更大的電阻損耗（I²R），從而導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱。這往往會(huì)導(dǎo)致電纜早起老化、甚至誘發(fā)火災(zāi)。

對(duì)于變壓器而言，問題更加嚴(yán)重，不僅存在上述的諧波電流導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱（銅損）的問題，還存在變壓器鐵損增加的問題。鐵損是由于磁場在鐵芯中感應(yīng)出渦流產(chǎn)生的。我們知道，渦流的大小與磁場變化率呈正比關(guān)系。也就是磁場變化率越大，產(chǎn)生的渦流越大。諧波電流具有更高的頻率，因此激勵(lì)的渦流更大。另外，渦流在鐵芯中流動(dòng)時(shí)同樣存在趨膚效應(yīng)的現(xiàn)象，進(jìn)一步增加的熱量。因此諧波電流導(dǎo)致鐵芯的發(fā)熱量比基波電流嚴(yán)重的多。

由于這些額外的發(fā)熱會(huì)縮短變壓器的壽命，必須降額選用變壓器（使變壓器不工作在額定功率下），或者選用能夠承受更大熱量的變壓器（K等級(jí)變壓器）。

總結(jié)：

電流流過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的發(fā)熱量與電流頻率的平方成正比，因此諧波電流的發(fā)熱量超出我們的想象。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，導(dǎo)線的截面積按照50HZ設(shè)計(jì)，現(xiàn)在的諧波電流頻率達(dá)到150HZ、250HZ、350HZ，甚至更高，這導(dǎo)致按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法建設(shè)的線路不再適合變頻器負(fù)載的情況。為了使現(xiàn)有配電變壓器和線路能夠滿足安裝變壓器以后的要求，消除安全隱患，必須對(duì)變頻器采取諧波治理措施。

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