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博客

三次谐波以及其危害和解决方案

已有 271 次阅读2014-7-31 10:39

三次谐波的来源 

      

    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。 

    3次谐波的典型故障  

      

    上图是一个典型的配电系统。首先,建筑物的电力入口处是一台变压器,将中压电(一般为10kV)变为低压电。变压器的初级为Δ形接法,次级为Υ接法。然后,通过不同的配电柜(箱)给建筑物中的不同负载供电。在布线时,要充分考虑三相负荷的平衡性。通常,零线的截面积与相线是相同的,有些建筑物中零线的截面积小于相线的截面积。 

    在这个系统中,3次谐波电流造成的危害具有十分典型的特征,当遇到以下这些故障现象,并且能够确认负荷的种类属于单相整流电路时,就可以初步判定是3次谐波电流的问题: 

    1. 变压器的初级绕组温度很高,尽管变压器还没有达到额定的功率。这是由于3次谐波电流在初级绕组中形成环流所致。 

    2. 过流保护装置意外动作,虽然实际电流并没有达到保护的阈值,这是由于包含3次谐波的电流在同样有效值的条件下具有更大的峰值。 

    3. 零线电流超过相线电流,尽管3相的负荷平衡,往往导致零线过热。这是本文要重点讨论的一种现象。 

    三次谐波引起跳闸 

      

    上图是单相整流电路中的电流波形。 

    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。

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。 

    案例1: 

    某火锅城,使用电磁炉加热,当客人较多时,频繁跳闸。而配电箱的设计容量已经留出了2倍的余量。 

    案例2: 

    某软件公司,使用数百台电脑,频繁出现跳闸现象。 

    三次谐波引起变压器过热  

      

    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Δ/Υ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Δ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。


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