论音响线材功效.doc

前言在不同的场合，烧友们对线材特别是电源线的功效讨论激烈，本坛也有激烈的争论。下面，收集了一些资料，就自己的理解论述如下，与同好共逸（欢迎拍砖，谢绝人身攻击）。要谈线材功效，必须花大量篇幅罗里罗嗦地从“谐波”讲起。一、谐波的来源：“谐波”一词起源于声学。 电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。定义谐波（harmonic wavelength) 从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波（50Hz正弦波）的整数倍的电量，供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量（各种突变）进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1） 称为谐波次数。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法，即电网中有时存在的非整数倍谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般 为2n40谐波的定义如下：1、谐波是正弦波，每个谐波都有不同的频率、幅度与相角；2、谐波频率是基波频率的整倍数；例如：基波是50赫兹时，二次谐波为100赫兹，三次谐波则为150赫兹；3、谐波既呈现出电压，又呈现出电流；4、根据法国数学家傅里叶M.FOURIER分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量；5、谐波可以区分为偶次与奇次性；第3、5、7次编号的谐波为奇次谐波；而第2、4、6、8等为偶次谐波，一般地讲，奇次谐波引起的危害较偶次谐波更多更大。产生的原因：电网谐波来自于3个方面 一是发电源质量不高产生谐波：发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些畸变即谐波，但一般来说很少 二是输配电系统产生谐波：输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。 三是用电设备产生的谐波：由于正弦电压加压于非线性负载（即等效阻抗不恒定的负载），基波电流发生畸变产生谐波。在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。 在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。电力系统中有非线性（时变或时不变）负载时，即使电源都以工频50HZ供电，当工频电压或电流作用于非线性负载时，就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流，这些不同于工频频率的正弦电压或电流，用富氏级数展开，就是人们称的电力谐波。只要哪里有谐波源那里就有谐波产生。也有可能，谐波分量通过供电网络到达用户网络。例如，供电网络中一个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设备产生的谐波所干扰。多年以前，世界上建筑物中配电系统的大多数负载是传统的照明或是简单的非阻性负载的交流马达等线性负载。随着经济发展，大功率可控硅的广泛应用，大量非线性负荷增加，特别是电子技术、节能技术和控制技术的进步，在化工、冶金、钢铁、煤矿和交通等部门大量使用各种整流设备、交直流换流设备和电子电压调整设备，电熔炼设备、电化学设备、矿井起重设备、露天采掘设备、电气机车等与日俱增，同时种类繁多的照明器具、娱乐设施和家用电器等普及使用，使得电力系统波形严重畸变。世界上仅仅是正弦波基波频率的时代已经过去。现代的建筑物中，几乎都是电子设备：电视机、计算机、复印机、传真机、UPS系统，电子控制照明装置、电梯、空调等变频装置、微波炉等等，这些装置的负载绝大多数都是非线性负载。因此，它们都是谐波发生源，这些谐波电流注入公用电网就会污染电网，引起电网电源的电压畸变、波形失真，从而使电网中的其他电气设备无法正常地运行。随着知识经济与信息时代的到来，谐波对供电电源的质量影响，对电网的污染越来越大，所造成的危害与后果日益严重，对经济效益造成的损失也愈来愈惊人。目前，经济技术发达的国家均早已制定了对谐波限定的标准与规范等一系列法规。国际电工委员会IEC也已于1988年开始明确对谐波限定的要求。我国已于1993年颁布了GB/T1454993国家标准。产生谐波的设备类型所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的主要非线性负载有：UPS、开关电源、整流器、变频器（含变频空调）、逆变器、调速传动装置、磁性铁芯设备、大部分家用电器、办公电器、电梯、焊机设备、微波炉、电弧炼钢炉等等。 晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。 变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。 电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2 7次的谐波，平均可达基波的8% 20%，最大可达45%。 气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。 家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。.计算机产生以3次、5次和7次谐波为主的谐波，而笔记本便携式计算机则产生的谐波频谱更加广泛。复印机产生以3、5、7、9、11、13次谐波为主的谐波。谐波的危害： 1造成电网电压的严重畸变；2电缆电线过热，绝缘老化加速，易损坏并导致线间短路和接地故障引起电气火灾和人身电击事故；3变压器和马达的过热，损坏甚至于烧毁；4补偿功率因数的电容器过热，易损坏，寿命短；5供电系统损耗增加；6系统的功率因数降低；7断路器及漏电保护装置、接触器、热继电器等电气保护元件过热，失灵，误动作，接地保护装置功能失常；8中性线过负荷、发热，甚至于烧损、着火；9过零噪音；10集肤效应显著；11计算机死机，锁住；12浪费系统容量，降低保护作用；13通讯与影像设备失误； 电网谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障，情况日趋严重。谐波的危害电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面： 1. 对供配电线路的危害 （1） 影响线路的稳定运行 供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁继电器对谐波含量高达40%时会导致继电保护误动作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。 （2） 影响电网的质量 电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，可达40%；三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，来回在电网中游荡，从而降低电网电压，浪费电网的输送容量。 2. 对电力设备的危害 当电网存在谐波时，使电器和导线损耗功率增加。例如全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍,但如果谐波含量较高,超出电容器允许条件,就会使电容器过电流和过负荷,损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电器的使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电器的寿命就要缩短1/2左右。再者，在谐波严重的情况下，还会使电器鼓肚、击穿或爆炸。 对电力变压器的危害 谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量，或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。 对电力电缆的危害 由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。对用电设备的危害 对电动机的危害 谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。 对低压开关设备的危害 对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。 对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。 对弱电系统设备的干扰 对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，当输电线路与通讯线路平行或相距较近时，由于两者之间存在静电感应和电磁感应，形成电场耦合和磁场耦合，谐波分量将在通讯系统内产生声频干扰，其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。从而降低信号的传输质量，破坏信号的正常传输，不仅影响通话的清晰度，严重时将威胁通讯设备及人身安全。 影响电力测量的准确性 目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。 谐波对人体有影响 从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场.谐波的治理措施及其效果综上所述，对谐波产生的原因有了比较清楚地了解之后，加之对电路又进行了较准确的检测，诊断与鉴别，方能确定应采取那种合适的措施治理谐波。目前，国内普遍采用提高变压器质量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面，等于线、相电缆截面的两倍以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，不但不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，而且又加大了投资，增加供电系统的隐患。 按照前面提出的，谐波产生的根本原因是由于使用了非线性负载所致，因此，解决的根本办法是把产生谐波的负载的供电线路和对谐波敏感的负载的供电线路分开。将线性负载与非线性负载从同一电源接口点PCCPoint of Common Coupling或称公共连接点、公共耦合点等即开始分别的电路馈电，这样以使由非线性负载产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。在实际应用中，尚有下述办法被大量采用：1无源滤波器：传统的习惯多选用此法，它是包括一组以串联连接的电抗器与电容器，此电路的阻抗在某一频率下，被设计成比电网中的其他电路低的多。这种装置的缺点是容易过载，在过载时它会被烧损，另外，可能造成功率因数过补偿而被罚款，同时，无源滤波器不能受控，因此随着时间的改变，配件老化或电网负载的变动，会改变谐波振频率，则滤波效果会下降，更重要的是无源滤波器只可以过滤一种谐波成份，如果过滤不同的频率，谐波则要分别不同的滤波器，如有的滤波器只能滤除三次谐波。 2有源滤波器：目前，国内外有许多种有源滤波器，但大多数是电子型有源滤波器。比较突出的是动态滤滤器，它是先从被治理被保护的线路量度谐波电流值，然后制造一个与该畸变谐波电流反相的谐波电流频谱，以抵消原线路和谐波源所产生的谐波。因此动态滤波器基本上是一个抵消电流发生器，其中核心部分是谐波电流发生器与控制系统，即其工作靠数字信息处理DSP技术来控制快速绝缘栅双极晶体管JGBT来完成，但此种产品价格昂贵，另外，它有电容器与电感线路由于谐波发生本身也易损坏。3谐波抵消电抗器：在涉及大电流时，采用磁性方法治理谐波比有源滤波器有更低的成本。此种设计方案是由加拿大POWERSMITHS公司创始。它的特点是：.3.1用磁场相互抵消方法，解决谐波问题。没有电容器仅仅是磁性设计方案，因此具有很高的可靠性与使用寿命；.3.2对3次序列谐波即3次谐波的奇数整数倍如3、9、15、21、27的治理，采用低的零序阻抗；.3.3对5、7、9、11、13等次谐波的治理采用相移办法，其代表产品牌号为POWERSTAR N1000。对三次谐波有很低阻抗，能消除3次谐波和中性线对地电压；它与负载并联连接，安装在配电柜内和竖井中；成本低；降低不平衡电流：N1000电抗器的特征；三次谐波在全部三相线路的每一相中；在电抗器的三条磁路每条磁路中，均有两相的一半线圈绕组；在每条磁路中的线圈绕组产生的磁道是相互抵消的；具有低的零序阻抗；对3、9、15等谐波有吸引力的交变通路。使用N1000前后效果的比较。负载是100台计算机没有其他任何负载情况下。.4谐波校正补偿变压器：代表产品型号T1000为对3次序列3、9、15谐波进行校正，具有低的线圈阻抗；当使用T1000的两个单元用于平衡负载相移时，在初级线圈内能够校正5、7、17、19次谐波；与负载相串联连接。.5减少回路的阻抗：由非线性负载引起的畸变的负载电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降。而合成的畸变电压波形加到与此同一电路上所接的全部其他负载上引起谐波电流在其上流过，即使这些负载是线性负载也是如此。因此，减少谐波危害的措施也可加大电缆截面积，以减少回路的阻抗，以减少畸变电压降。经过谐波治理后，用户得到什么利益呢例如，比尔盖茨的Inter公司，花费了大约20，000安装了POWERSMITHS公司的产品。该产品在系统工作了一年之后，这个实验室所有者表示有下列改善：.5.1一个硬件驱动装置故障是原先未安装的80；.5.2没有发生供电电源故障，仅是原先的10；.5.3没有发生母排故障，仅是原先的20；.5.4寻找神秘的死机情况减少了82的工程时间；因此，保守地计算总和的硬件损失，在这个实验室每年可节约超过20，000并且每年可节约工程时间1.25年来研究计算机神秘地死机问题：请注意，这里仅是一个实验室的统计资料。谐波电流在电源系统内以及装置内均会造成问题。但其影响和解决措施非常不一样，需要分别处理；适用于消除谐波在装置内不良影响的办法并不能减少谐波在电源系统内造成的畸变，反之亦然。 装置内的谐波问题及解决措施： 电压畸变：因为电源系统有内阻抗，所以谐波负荷电流将造成电压波形的谐波畸变(这是产生平顶波的根源)。此阻抗有两个组成部分：电源接口(PCC)以后的电气装置内部电缆线路的阻抗和PCC以前电源系统内的阻抗，用户处的供电变压器即是PCC的一例。 由非线性负荷引起的畸变负荷电流在电缆的阻抗上产生一个畸变的电压降。合成的畸变电压波形加到与此同一电路上所接的全部其他负荷上，引起谐波电流的流过，即使这些负荷是线性的负荷也是如此。 解决的办法是把产生谐波的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷的供电线路分开，线性负荷和非线性负荷从同一电源接口点开始由不同的电路馈电，使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。 由畸变电流造成的电压畸变取决于电源阻抗。阻抗愈大则由同一电流畸变所造成的电压畸变就愈大。对于10次以下的谐波而言，供电网络通常是感性的，所以电源阻抗就和频率成正比，谐波次数越高，所造成的畸变就越大。通常不可能减小供电系统的阻抗，所以需要采用别的步骤来保证电压畸变不超过限度。可能的解决方法有：装用谐波滤波器、装用隔离变压器和装用有源的谐波调节器。 二、音响系统和电源线是典型的非线性设备音响：硬原因是有非线性原件，如整流电路、电磁原件（变压器）、喇叭等；软原因是随着音乐起伏，等值功率和阻抗不断变化。电源线：首先来看一下导线的等值电路传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。传输线的分布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容C以及单位长度上的电阻、电导来表示，它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的