谐波电流的危害

       谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

       谐波电流主要存在于低压配电网中，以建筑系统最为严重。其对电网的危害主要有：功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、电网过热等；对配电站会造成电子器件误动作、电容器损坏、附加磁场、中性线过载和电缆着火。可以导致电气没备（电机、变压器和电容器等）附加损耗和发热，使同步发电机的额定输出功率降低，转矩降低，变压器温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至损坏，降低继电保护控制以及检测装置的工作精度和可靠性等危害。谐波注入电网后会使无功功率加大，功率因数降低，甚至有可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备以及干扰通信线路的正常工作。其危害主要提现在下述7个方面：

第一：导致电缆过热
　　谐波电流流过电缆时，会导致电缆过热。造成这种现象的原因是交流电流的趋肤效应。
　　趋肤效应是交流电流流过导体时，向导体的表面集中的一种物理现象，电流的频率越高，电流越向导体表面集中。由于趋肤效应，当频率较高的谐波电流流过导体时，导体的有效截面积小于导体的实际截面积。截面积小，意味着有更大的电阻，也就意味着会产生更大的热量。当频率较高的谐波电流流过导体时，导体呈现的电阻比基波电流要大，因此同样幅度的谐波电流比基波电流产生更大的热量。导体损耗与谐波畸变率的关系如下图1所示。



图1 铜线损耗与谐波畸变率的关系

对于谐波电流产生更大热量的问题必须重视。因为我们在进行线路设计时，导体的截面积是按照基波频率设计的，而当这些导体中流过谐波电流时，呈现更大的电流密度，导致更大的电阻损耗(I2R)，从而导致导体发热。导体过热会导致电缆早期老化、甚至诱发火灾。

第二：导致变压器过热
　　谐波电流流过变压器时，会导致变压器发出额外的热量，使变压器在没有达到额定功率时便出现温度过高的现象，导致变压器的实际容量降低。在工业上，一些变压器的负荷主要是变频器、中频炉等谐波源设备，这时，发现变压器仅仅达到50%负荷时，就温度过高。在商业上，随着一些建筑物中的节能灯、以PC机为代表的信息设备等非线性负荷增加，变压器过热的现象也十分常见。
　　过高的温度会缩短变压器的寿命。为了避免变压器过热，当负载是谐波源时，必须降额选用变压器(使变压器不工作在额定功率下)。一种专门用于谐波条件下的变压器称为k等级变压器，这种变压器的绕组和铁心都按照更大功率的情况进行设计，能够承受谐波电流产生的额外的热量。
　　谐波电流造成变压器过热的原因是谐波电流增加了线圈绕组的电阻损耗(称为铜损)和铁心的损耗(称为铁损)。谐波电流导致导线产生更大的损耗的原因是趋肤效应。
　　谐波电流导致铁心损耗增加的原因是铁心的涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗的含义是，线圈产生的交流磁场在铁心上感应出电流，电流在铁心的电阻上发热而产生的能量损耗。电磁炉就是利用这个原理。另一个是磁滞损耗，它是铁心内部的磁畴在磁场作用下不断翻转消耗的能量。
　　这两部分损耗都与频率有关，频率越高，损耗越大。

　　第三：导致变无功补偿装置损坏
　　谐波电流对无功补偿装置的影响也很常见，这实际已经成为企业进行节能技术改造中不可回避的问题。节能改造中大量使用变频器，而变频器产生严重的谐波电流。这些谐波电流对原来的无功补偿装置造成了不同程度的损坏，常见的现象包括：
　　无功补偿装置不能投切：这一般发生在无功补偿控制器中包含谐波保护装置的场合，当检测到谐波电流过大时，装置进入保护状态，同时会显示谐波过大的提示信息;
　　无功补偿装置中的保险丝烧断：这是流过补偿装置的电流过大导致的;
　　无功补偿装置中的电容炸裂：这是流过补偿电容的电流过大，导致电容过热引起的。
　　有时，不仅无功补偿器出现故障，甚至变压器也会遭到损坏。谐波电流造成这些危害的根本原因是谐波电流在无功补偿装置与变压器构成的回路中发生了LC并联谐振。LC并联谐振会导致电流方法，烧毁无功补偿装置。

　　第四：三次谐波的特殊危害
　　在处理谐波问题时，三次谐波电流需要引起特别的关注。三次谐波电流之所以危害很大，是因为三次谐波电流在中线上叠加，会导致中线电流过大，造成火灾隐患。
　　下图2是三次谐波导致零线过热的情况。实际上，20年前，个人计算机刚开始普及的时候，在欧美发达国家，很多建筑物中的火灾是中线过热导致的。现在，欧美国家对电子设备的三次谐波电流进行了严格限制，并在工程中特别关注，中线过热的现象已经很少见到。



图2 三次谐波电流导致零线过热

　　零线上的电流过大之所以危害极大，是因为零线上没有保护装置。配电线路的保护装置一般安装在相线上，因此，相线上一旦出现过大的电流，保护装置会动作，避免线路过热。而零线上没有保护装置，电流过大时，只能任其过热。
　　三次谐波电流本身并不可怕，可怕的是几乎所有的人还没有认识到这种危害，因此没有防范措施，从设计开始就埋下了了隐患。

　　第五：对其他电子设备的不良影响
　　谐波电流对其他电子造成不良影响的现象越来越多。这主要是因为现代电子设备对电能质量的要求越来越高，当电源电压中包含较多的谐波电压成分是，电路会受到不良影响。
　　读者需要明确的是，谐波电流本身并不会对其他设备产生影响，我们所讲的谐波对其他设备的影响，是通过谐波电压产生的。也就使，谐波电流流过系统阻抗时，产生了谐波电压，谐波电压对电子设备产生了不良影响。

　　谐波电压对其他设备造成的不良影响主要体现在以下几个方面：
　　·数字控制设备，PLC、数控机床等，发生误动作;
　　·信号采集系统、测量仪器等的精度降低;
　　·电动机发生抖动、过热。

　　第六：导致意外跳闸
　　谐波电流导致的一个典型故障现象是意外跳闸，也就是电路的负荷远没有达到额定负荷的状态下，电路保护装置就会动作。
　　谐波电流导致电路保护装置意外动作的机理取决于电路保护装置工作原理。由于电路保护装置的种类繁多，工作原理各异，深入分析他们误动作的机理超出了本讲堂的范围，下面列出一些原因供读者参考。
　　单相电路跳闸的原因大多是因为电流峰值过大，导致电路保护装置动作。通过前面的分析可知，单相整流电路的电流波形为脉冲波形。由于电流持续时间短，要输出同样的功率，脉冲电流的幅度就必须高。换个表述方式，脉冲电流要提供与正弦波电流同样的功率，或者说，脉冲电流要具有与正弦波电流同样的有效值，则脉冲电流的峰值要远高于正弦波电流的峰值才行，具体高出多少与整流电路中的滤波电容的大小、负载的大小等因素有关，大约在2~3倍。如果电路保护装置是通过检测峰值电流来动作的，就会出现误动作。
　　当电路保护装置的触发条件中包含负序电流时，如果电流中包含较大的负序谐波电流成份(例如5次谐波电流)，电路保护装置可能会被触发。

　　第七：导致额外的能量损失
　　谐波电流导致额外的电能消耗主要体现在两个方面：无功功率和电阻损耗。
　　功率等于电压和电流的乘积。只有当电压与电流同频、同相时，也就是电压与电流具有相同的频率与相同的相位时，产生的功率才是有功功率。谐波电流与基波电压的频率不同，因此产生的功率是无功功率。
　　谐波电流流过变压器、电缆是要发热，根据能量转换定律，这部分热能肯定也是来自发电厂。因此，如果减小了谐波电流导致的各种发热，也就是节省了能量。
　　由于大量使用电力电子设备，变频器，中频炉等，谐波电流的危害已经成为最严重的电能质量问题。解决谐波电流危害的最有效方法就是在谐波源的位置消除谐波电流。这时，上述7个方面的问题都迎刃而解。如果限于条件，只能在母线上采取措施，则有些故障现象可能不会消失。

又见楼上。

emcxiaoxia 发表于 2013-10-21 18:19
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