关于三次谐波

三次谐波电流主要来自于单相整流电路 图示的是一个典型的单相整流电路 电路中的电容是平滑电容 大部分整流电路中都包含这个电容 否则直流电压的纹波很大 这 个电容是导致三次谐波电流的主要原因 熟悉电路的人都知道 平滑电容的电压被充电到交流电的峰值 后 就维持在交流电峰值附近 当交流电的电压低于电容上的电压 时 电网上没有电流流入负载 这时 负载的电流由电容供给 随 着输出电流 电容的电压开始降低 在某个时刻 交流电的电压会 高于电容上的电压 这时 电网上才会有电流流入电容 给电容充电 使电容上的电压升高 和负载中 因此 电网仅在接近电压峰值的时 刻向负载输入电流 电流的形状为脉冲状 通过付立叶分析可知 这种 脉冲状的波形包含丰富的三次谐波成分 脉冲状的电流中包含了高次谐波成分 3次谐波电流最大 传统负荷 与现代符合的重要区别是 传统负荷大部分是线性负荷 现代负荷 大部分是非线性负荷 1 通信设备 电源 2 电脑为代表的信息设备 办公自动化设备 3 大型医疗设备 4 电视机为代表的家用电器 特别是变频空调 电磁炉等 5 节能灯 调光灯等照明设备 6 大尺寸的 屏幕 电视机和计算机电流波形电视机和计算机电流波形 调光灯和节能灯电流波形调光灯和节能灯电流波形 电视机和计算机的电流为很窄的脉冲波 这是很典型的单相整流 电路的电流波形 实际上 任何使用开关电源作为直流电源的设备 都 会产生这种电流的波形 这是三次谐波电流的主要来源 目前大量使用的大尺寸LED屏幕 采用很多开关电源并联供电 因 此LED 屏幕产生的3次谐波电流很大 节能灯也是目前常见的负载 他的电流也是脉冲状的 实际上 现代建筑物中 节能灯导致的三次谐波电流已经成为主要的危害 三次谐波引起跳闸三次谐波引起跳闸 常识告诉我们 电流的持续时间短了 要保持一定的有效值 就必常识告诉我们 电流的持续时间短了 要保持一定的有效值 就必 须具有更高的峰值 须具有更高的峰值 这个图中所显示的是一台 1500W 的设备 按照正弦波电流计算 电流的有效值应该为 7A 左右 峰值电流为 10A 左右 但是 这里 的峰值达到了 60A 这就会导致通过检测峰值电流工作的保护装置误动作 三次谐波引起变压器过热三次谐波引起变压器过热 普通变压器普通变压器 消谐波变压消谐波变压 器器 谐波电流在流过变压器时 会造成变压器的损耗增加 从而导 致变压器的温度过高 其中 三次谐波电流造成变压器过热的情况 最为严重 当负载全部为信息设备和节能灯时 变压器的容量往往 仅能达到铭牌上标称容量 50 造成这种现象的原因是变压器的结构 三相四线制配电系统中 的变压器的结构都是 结构 当变压器的负载端有三次谐波电流 时 三次谐波电流会耦合到变压器的初级侧 这种结构的变压器不 会将三次谐波电流发射到上游电网 这可能是一个优点 但是 三 次谐波电流也并不抵消 而是在变压器的初级 绕组中形成环流 这种环流的幅度会很大 从而产生很大的热量 为了防止变压器的温度过高 很多人采用 K 因子变压器 这种 变压器实际就是一种冗余量很大的变压器 通过增大变压器的容量 来降低温度 欧美国家开始采用消谐波变压器 这是通过消除三次谐波环流 来实现的 不仅能够降低变压器的温度 并且具有显著的节能效果 从上图中可以看出 消谐波变压器的温度远低于普通变压器 减少 的发热量就是节省的电能 三次谐波引起零线过热三次谐波引起零线过热 可见光图像可见光图像 红外光图像红外光图像 三次谐波电流引起的另一种典型故障就是零线过热 图中所示的是开关柜中零线电流过大导致过热的情况 上面的 一组是可见光照片 可以看到零线过热的情况 左面的是零线的绝 缘层严重老化 右面的是零线的接线铜排严重氧化 这都说明零线 处于高温下 下面的图中 展示了红外线图象 右面的图像为可见光照片 虽然零线仍然完好 但是左面的图像告 诉我们 他的温度已经超过了相线 长时间的高温 会加速绝缘层 老化 造成零线过热的原因就是零线电流过大 零线不同于相线 他 没有过流保护装置 因此在电流过大的情况下 不会进行保护 只 能任凭发热 变压器过热的情况容易引起维护人员的警觉 并且可以通过增 大变压器的容量 或者增加外部散热的方式进行降温 而零线过热 的问题往往被维护人员忽略 电缆过热往往是电气火灾的隐患 因此 对于零线过热的情况 必须足够重视 零线电流过大的后果是导致零线温度过高 这实际是三次谐波 所导致的 前面我们已经阐述了三次谐波电流的来源 主要是单相 整流电路为代表的非线性负荷产生的 现代建筑物中 由于大量使 用电子信息设备 节能灯等非线性负荷 会产生很大的 3 次谐波电 流 结果就是导致零线电流过大 这是一个十分可怕的事实 因为电流流过导体时要产生热量 热量与电流的平方成正比 I2R 当电流达到相线电流的 1 5 倍时 零线的发热量会达到相线 2 25 倍 另一个可怕的事实是 在一般配电系统中 虽然相线上有过流 保护装置 而零线上并没有过流保护装置 过大的电流必然会导致 零线过热 酿成火灾隐患 三次谐波电流在零线上的叠加三次谐波电流在零线上的叠加 我们对零线电流过大的现象已经有了充分的了解 那么 这种 现象是怎样形成的呢 传统的电工理论告诉我们 当三相电路的负 荷平衡时 零线上的电流为零 或者很小 为什么现在这个理论不 对了呢 这是因为 仅当三条相线上的电流波形为正弦波 并且它们相这是因为 仅当三条相线上的电流波形为正弦波 并且它们相 差差 120 时 如果三相线上的电流幅度相同 才能保证在零线上矢量时 如果三相线上的电流幅度相同 才能保证在零线上矢量 叠加的结果是总和为零 这是因为 仅当三条相线上的电流波形为叠加的结果是总和为零 这是因为 仅当三条相线上的电流波形为 正弦波 并且它们相差正弦波 并且它们相差 120 120 时 如果三相线上的电流幅度相同 时 如果三相线上的电流幅度相同 才能保证在零线上矢量叠加才能保证在零线上矢量叠加 上图给出了结论 他们在中线上虽然也是叠加 但是相互错开 上图给出了结论 他们在中线上虽然也是叠加 但是相互错开 无法抵消 并且中线上的脉冲电流的数量是相线上的脉冲电流数量无法抵消 并且中线上的脉冲电流的数量是相线上的脉冲电流数量 的的3 3倍 倍 我们知道 单相整流电路的电流是脉冲状的 如果三条相线上的我们知道 单相整流电路的电流是脉冲状的 如果三条相线上的 电流是脉冲状的 结果如何呢 从图中可知 中线上的电流脉冲数电流是脉冲状的 结果如何呢 从图中可知 中线上的电流脉冲数 是相线上的电流脉冲数的是相线上的电流脉冲数的 3 倍 根据电流有效值的计算方法 中线倍 根据电流有效值的计算方法 中线 上的电流会达到相线的上的电流会达到相线的 1 7 倍 如果整流电路的电流的脉宽大于倍 如果整流电路的电流的脉宽大于 60 就会在中线上发生重叠现象 这时中线上的一部分电流发生 就会在中线上发生重叠现象 这时中线上的一部分电流发生 抵消 实际的零线电流会小于相线电流的抵消 实际的零线电流会小于相线电流的 1 7 倍 倍 零线上三次谐波的叠加零线上三次谐波的叠加 各相的基波电流相差120 各相的 3 次谐波电流相差 120 3 360 也就是同相位 为什么零线上的谐波电流以三次为主呢 这是因为两个原因 第一 单相整流电路产生的谐波成分中 以三次为最大 三次 谐波畸变率通常达到 80 以上 第二 其他次数的谐波电流在零线上会有抵消的效果 唯有三 次不会 单相整流电路产生 3 次谐波电流 由于三相电的每相基波电流 之间相位相差 120 因此 3 次谐波电流的相位相差 360 3 120 360 对于交流电而言 相位相差 36