谐波电流对供电系统的污染

　　整流滤波电路把输入电流变成脉冲状态，当谐波电流流入电网时，在其传输阻抗上转化为谐波电压。系统中的各种设备和传输线缆的阻抗包括电阻与感抗，仅就传输线缆而言，l0cm长的导线，其电感是0.1μH，在1.5MHz时，其阻抗为1Ω，对脉冲电流可能产生的干扰电压是不能忽视的，如图1所示。

　　

　　由谐波电流THDI产生的谐波电压经过各级设备和传输线缆的阻抗的叠加，产生总电压失真度THDU;电压失真度随着非线性负载上线的阻抗累积而逐步增大。

　　谐波电压不仅污染电网，而且影响由该电网供电的其他系统和设备的工作，而首先受影响的是系统本身。由于谐波干扰而出现异常的现象主要表现在以下几个方面。

　　(1)损坏电容

　　电容中的电流值表示为：I=UCω(4-20)

　　对第κ次谐波的角频率为ω=2πkf，因此第κ次谐波电容电流为Ik=-=2πkfUC，其中f=基波频率，k=谐波次数。

　　显然，随着电压频率的升高，电容阻抗(1/2πf)成比例地下降，电容中的电流/随着谐波频率的提高而增大，特别是大容量电解电容，在电压富含谐波时，温升会明显增高，甚至爆炸损坏。在滤波电路中由于存在电感，当电压的谐波成分偏离滤波电路设计频率时，很可能形成振荡，使谐波进一步放大，电容会同时受到发热和过压的威胁，所以配置电容时，需要附加如下限制：

　　●U最大=1.lUn;

　　●I最大=1.3In;

　　●THDU最大≤8。

　　(2)变压器降容

　　谐波对变压器的影响表现在以下几个方面：

　　●由于存在趋肤效应(skin-effect)，变压器绕组的阻抗随谐波次数的增大而增大;

　　●磁滞损耗与谐波频率成正比;

　　●涡流损耗与谐波频率的平方成正比。

　　为了保证变压器在富含谐波的环境中正常运行，变压器必须降容使用，折算系数k由下面经验公式确定(法国标准NFC52-114)：

　　

　　例如，用一台1000kVA的变压器为6脉冲整流电路供电，该整流器产生的谐波频谱为：H5=25%，H7=14%，H11=9%，H13=8%，THDI=31%，代入上述公式得到功率折算系数为k=0.91。因此，变压器的可用视在功率仅为9l0kVA。

　　一般来说，负载的谐波必然会造成电源系统的降容，负载的功率因数越低，电源的降容也就越多。

　　(3)异步电动机损耗增大

　　谐波在异步电动机中产生以下的影响：

　　●增大焦耳损耗和铁损耗(定子损耗);

　　●产生脉动力矩(转子损耗，降低机械效率);

　　●谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和谐波过电压。

　　因此异步电动机上的THDU必须限定在10%以下，以避免上述现象的发生。

　　(4)其他影响

　　谐波对电网的污染，还表现在以下几个方面。

　　①谐波使公用电网中的设备和元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。实际上谐波电流在电网中的流动会在线路上产生有功损耗，是电网线路损耗的一部分。再者，谐波还可能便电压波形出现尖峰，加速电缆绝缘层的老化，缩短电缆使用寿命。

　　②谐波会干扰由同一电网供电的其他电气设备的正常工作。曾经有过这样的例于，某工厂的电动机运行一直正常，但一段时间以来却陆续出现损坏。经查，是因为接于同一电网的邻近单位新投入了一台大型整流设备，因未采取抑制谐波的措施，其谐波电流的存在影响了该厂电动机的正常运行。

　　③谐波会在公用电网中引起局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就便上述两项危害大大增加，甚至引起严重事故。为了补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处装置并联电容器。此外，为了滤除谐波，也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。在工频频率下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振，但对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振。这种谐振会使谐波电流放大凡倍甚至数10倍，会对系统，特别对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。在由谐波引起的事故中，这类事故占有很高的比例。

　　④谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会便电气测量仪表计量不准确。诸如对谐波比较敏感的继电器、能反映瞬时值的电流继电器、增量继电器(有LC并联谐振电路和电阻组成的四臂电桥)、应用积分比相原理构成的高频差相保护和差动保护装置等。

　　⑤谐波会对邻近的通信和计算机系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量;重者导致信息丢失，使通信和计算机系统无法正常工作。