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在商場(chǎng)及LED照明比較多的地方,經(jīng)常發(fā)現(xiàn)零線電流過大,大約等于相線電流,有時(shí)達(dá)到相線電流的1.7倍;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?其實(shí)這是因?yàn)?次及3次成倍數(shù)的諧波電流在零線上的疊加。下面就三次諧波產(chǎn)生的原因、危害及解決方法做一個(gè)詳細(xì)的分析。
一、三次諧波產(chǎn)生的原因
三次諧波電流主要來自于單相整流電路。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。
二、產(chǎn)生三次諧波的主要負(fù)載
當(dāng)今社會(huì)幾乎所有的電子電路都需要用直流供電來工作,因此整流電路無處不在。其中對(duì)配電系統(tǒng)造成巨大影響的典型設(shè)備包括:
1. 通信設(shè)備、UPS電源、辦公自動(dòng)化設(shè)備
2. 大型醫(yī)療設(shè)備
3. 電視機(jī)為代表的家用電器,特別是變頻空調(diào)、電磁爐等
4. 節(jié)能燈、調(diào)光燈等照明設(shè)備
5. 大尺寸的LED屏幕
電視機(jī)和計(jì)算機(jī)的電流為很窄的脈沖波,這是很典型的單相整流電路的電流波形,實(shí)際上,任何使用開關(guān)電源作為直流電源的設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生這種電流的波形。這是三次諧波電流的主要來源。
目前大量使用的大尺寸LED屏幕,采用很多開關(guān)電源并聯(lián)供電,因此LED屏幕產(chǎn)生的3次諧波電流很大。調(diào)光燈通過控制可控硅的導(dǎo)通角來控制電壓的有效值。因此,他的電流也不是正弦波。節(jié)能燈也是目前常見的負(fù)載,他的電流也是脈沖狀的。實(shí)際上,現(xiàn)代建筑物中,節(jié)能燈導(dǎo)致的三次諧波電流已經(jīng)成為主要的危害。
三、三次諧波引起的故障
1. 三次諧波引起變壓器過熱
諧波電流在流過變壓器時(shí),會(huì)造成變壓器的損耗增加,從而導(dǎo)致變壓器的溫度過高。其中,三次諧波電流造成變壓器過熱的情況最為嚴(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)稱容量50%。
變壓器的初級(jí)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(jí)繞組中形成環(huán)流所致。
2. 三次諧波引起跳閘
過流保護(hù)裝置意外動(dòng)作,雖然實(shí)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. 三次諧波引起零線過熱
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。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(huì)進(jìn)行保護(hù),只能任憑發(fā)熱。在一般配電系統(tǒng)中,零線的截面積并不比相線大(甚至更?。?,超過相線的電流必然會(huì)導(dǎo)致零線過熱;零線上沒有保險(xiǎn)裝置,不能像相線那樣在過流時(shí)自動(dòng)斷開。因此,零線上過大的電流必然導(dǎo)致零線過熱。
四、解決三次諧波的辦法
上述提到了三次諧波的產(chǎn)生以及三次諧波容易引起的故障,那么出現(xiàn)了三次諧波的問題該如何解決?目前對(duì)于三次諧波的治理,效果比較明顯的方法有兩種:
1.有源濾波器(APF)
當(dāng)對(duì)電壓畸變率有較高的要求時(shí),可以使用有源濾波器。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)于下游負(fù)載沒有任何效果。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)于降低零線溫度沒有任何作用。
2.三次諧波零線濾波器
如果對(duì)于電壓畸變率沒有嚴(yán)格的要求,僅是為了消除3次諧波電流的種種不良影響,使用零電流濾波器是性價(jià)比最高的方法。只要在變壓器的次級(jí)安裝一臺(tái)零線電流濾波器,就能夠減小零線90%以上的電流,保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)免受三次諧波電流的危害,同時(shí)也相應(yīng)減少相線的電流,達(dá)到節(jié)能的效果。
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