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電能質(zhì)量
專家診治

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領(lǐng)步講堂——三次諧波原來有這些危害！

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專家講堂3

下圖是一個典型的商業(yè)用電配電系統(tǒng)。首先，建筑物的電力入口處是一臺變壓器，將中壓電(一般為10kV)變?yōu)榈蛪弘?。變壓器的初級為Δ形接法，次級為Υ接法。然后，通過不同的配電柜為建筑物中的不同負(fù)載供電。在布線時，要充分考慮三相負(fù)荷的平衡性。

典型辦公樓三次諧波來源

3次諧波的典型故障

通常，零線的截面積與相線是相同的，有些建筑物中零線的截面積小于相線的截面積。在這個系統(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)荷的種類屬于單相整流電路時，就可以初步判定是3次諧波電流的問題：

1. 變壓器的初級繞組溫度很高，盡管變壓器還沒有達(dá)到額定的功率。這是由于3次諧波電流在初級繞組中形成環(huán)流所致。

2. 過流保護(hù)裝置意外動作，雖然實際電流并沒有達(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. 零線電流超過相線電流，盡管3相的負(fù)荷平衡，往往導(dǎo)致零線過熱。這是我們要重點討論的一種現(xiàn)象。

三次諧波引發(fā)變壓器發(fā)熱

3次諧波引起變壓器過熱

諧波電流在流過變壓器時，會造成變壓器的損耗增加，從而導(dǎo)致變壓器的溫度過高。其中，三次諧波電流造成變壓器過熱的情況Z為嚴(yán)重。當(dāng)負(fù)載全部為辦公設(shè)備和節(jié)能燈時，變壓器的容量一般僅能達(dá)到銘牌上標(biāo)稱容量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3次諧波電流時，3次諧波電流會耦合到變壓器的初級側(cè)。這種結(jié)構(gòu)的變壓器不會將三次諧波電流發(fā)射到上游電網(wǎng)，但是，3次諧波電流也并不抵消，而是在變壓器的初級繞組中形成環(huán)流，這種環(huán)流的幅度會很大，從而產(chǎn)生很大的熱量。

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

歐美國家開始采用消諧波變壓器，這是通過消除三次諧波環(huán)流來實現(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。

三次諧波引發(fā)零線過熱

三次諧波引起零線過熱

三次諧波電流引起的另一種典型故障就是零線過熱。

圖中所示的是開關(guān)柜中零線電流過大導(dǎo)致過熱的情況。上面的一組是可見光照片，可以看到零線過熱的情況。左面的是零線的絕緣層嚴(yán)重老化，右面的是零線的接線銅排嚴(yán)重氧化。這都說明零線處于高溫下。

下面的圖中，展示了紅外線圖象。右面的圖像為可見光照片，雖然零線仍然完好，但是左面的圖像告訴我們，他的溫度已經(jīng)超過了相線。長時間的高溫，會加速絕緣層老化。

造成零線過熱的原因就是零線電流過大。零線不同于相線，他沒有過流保護(hù)裝置，因此在電流過大的情況下，不會進(jìn)行保護(hù)，只能任憑發(fā)熱。

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

電纜過熱往往是電氣火災(zāi)的隱患。因此，對于零線過熱的情況必須足夠重視。

三次諧波疊加

三次諧波電流在零線上的疊加

我們對零線電流過大的現(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，零線上的電流為零，或者很小。為什么現(xiàn)在這個理論不對了呢。

這是因為，僅當(dāng)三條相線上的電流波形為正弦波，并且它們相差120°時，如果三相線上的電流幅度相同，才能保證在零線上矢量疊加的結(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。他們在中線上雖然也是疊加，但是相互錯開，無法抵消。并且中線上的脈沖電流的數(shù)量是相線上的脈沖電流數(shù)量的3倍。

從圖中可知，中線上的電流脈沖數(shù)是相線上的電流脈沖數(shù)的3倍，根據(jù)電流有效值的計算方法，中線上的電流會達(dá)到相線的1.7倍。如果整流電路的電流的脈寬大于60°，就會在中線上發(fā)生重疊現(xiàn)象，這時中線上的一部分電流發(fā)生抵消，實際的零線電流會小于相線電流的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)致零線電流過大的的現(xiàn)象。

讀者可能還會有疑惑，為什么零線上的諧波電流以三次為主呢。這是因為兩個原因。

第一，單相整流電路產(chǎn)生的諧波成分中，以三次為Z大，三次諧波畸變率通常達(dá)到80%以上。

第二，其他次數(shù)的諧波電流在零線上會有抵消的效果，唯有三次不會。

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次諧波電流在零線上是算數(shù)疊加的。這就是三次諧波的特殊性。

您可能會想到，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。確實如此，這些頻率是基波頻率3倍的諧波稱為3倍頻諧波，他們在中線上都是算術(shù)疊加的。但是6、9次以及更高的3倍頻諧波很小，甚至沒有，因此不予考慮。

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