諧波電流的危害

諧波電流有什么危害諧波電流是一切諧波問(wèn)題的根源，諧波電壓也是由于諧波電流導(dǎo)致的。因此，一般在研究諧波導(dǎo)致的危害時(shí)，主要指諧波電流的危害。諧波電流的危害主要有7個(gè)方面：第一：導(dǎo)致電纜過(guò)熱諧波電流流過(guò)電纜時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電纜過(guò)熱。造成這種現(xiàn)象的原因是交流電流的趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)是交流電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，向?qū)w的表面集中的一種物理現(xiàn)象，電流的頻率越高，電流越向?qū)w表面集中。由于趨膚效應(yīng)，當(dāng)頻率較高的諧波電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體的有效截面積小于導(dǎo)體的實(shí)際截面積。截面積小，意味著有更大的電阻，也就意味著會(huì)產(chǎn)生更大的熱量。當(dāng)頻率較高的諧波電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體呈現(xiàn)的電阻比基波電流要大，因此同樣幅度的諧波電流比基波電流產(chǎn)生更大的熱量。導(dǎo)體損耗與諧波畸變率的關(guān)系如圖1所示。銅線損耗與諧粧疇變率之間的關(guān)系諧波功奉f正弦波期率諧波功奉f正弦波期率1,90-1.80-170-1.60-1.50-1.40-1,30-1.20-1.10-L00-諧波崎變率況圖1銅線損耗與諧波畸變率的關(guān)系對(duì)于諧波電流產(chǎn)生更大熱量的問(wèn)題必須重視。因?yàn)槲覀冊(cè)谶M(jìn)行線路設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)體的截面積是按照基波頻率設(shè)計(jì)的，而當(dāng)這些導(dǎo)體中流過(guò)諧波電流時(shí)，呈現(xiàn)更大的電流密度，導(dǎo)致更大的電阻損耗（I2R）,從而導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱。導(dǎo)體過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致電纜早期老化、甚至誘發(fā)火災(zāi)。第二：導(dǎo)致變壓器過(guò)熱諧波電流流過(guò)變壓器時(shí)，會(huì)導(dǎo)致變壓器發(fā)出額外的熱量，使變壓器在沒有達(dá)到額定功率時(shí)便出現(xiàn)溫度過(guò)高的現(xiàn)象，導(dǎo)致變壓器的實(shí)際容量降低。在工業(yè)上，一些變壓器的負(fù)荷主要是變頻器、中頻爐等諧波源設(shè)備，這時(shí)，發(fā)現(xiàn)變壓器僅僅達(dá)到50%負(fù)荷時(shí)，就溫度過(guò)高。在商業(yè)上，隨著一些建筑物中的節(jié)能燈、以PC機(jī)為代表的信息設(shè)備等非線性負(fù)荷增加，變壓器過(guò)熱的現(xiàn)象也十分常見。過(guò)高的溫度會(huì)縮短變壓器的壽命。為了避免變壓器過(guò)熱，當(dāng)負(fù)載是諧波源時(shí)，必須降額選用變壓器（使變壓器不工作在額定功率下）。一種專門用于諧波條件下的變壓器稱為k等級(jí)變壓器，這種變壓器的繞組和鐵心都按照更大功率的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠承受諧波電流產(chǎn)生的額外的熱量。諧波電流造成變壓器過(guò)熱的原因是諧波電流增加了線圈繞組的電阻損耗（稱為銅損）和鐵心的損耗（稱為鐵損）。諧波電流導(dǎo)致導(dǎo)線產(chǎn)生更大的損耗的原因是趨膚效應(yīng)。諧波電流導(dǎo)致鐵心損耗增加的原因是鐵心的渦流損耗和磁滯損耗。渦流損耗的含義是，線圈產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)在鐵心上感應(yīng)出電流，電流在鐵心的電阻上發(fā)熱而產(chǎn)生的能量損耗。電磁爐就是利用這個(gè)原理。另一個(gè)是磁滯損耗，它是鐵心內(nèi)部的磁疇在磁場(chǎng)作用下不斷翻轉(zhuǎn)消耗的能量。這兩部分損耗都與頻率有關(guān)，頻率越高，損耗越大。第三：導(dǎo)致變無(wú)功補(bǔ)償裝置損壞諧波電流對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的影響也很常見，這實(shí)際已經(jīng)成為企業(yè)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造中不可回避的問(wèn)題。節(jié)能改造中大量使用變頻器，而變頻器產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波電流。這些諧波電流對(duì)原來(lái)的無(wú)功補(bǔ)償裝置造成了不同程度的損壞，常見的現(xiàn)象包括：無(wú)功補(bǔ)償裝置不能投切：這一般發(fā)生在無(wú)功補(bǔ)償控制器中包含諧波保護(hù)裝置的場(chǎng)合，當(dāng)檢測(cè)到諧波電流過(guò)大時(shí)，裝置進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，同時(shí)會(huì)顯示諧波過(guò)大的提示信息；無(wú)功補(bǔ)償裝置中的保險(xiǎn)絲燒斷：這是流過(guò)補(bǔ)償裝置的電流過(guò)大導(dǎo)致的；無(wú)功補(bǔ)償裝置中的電容炸裂：這是流過(guò)補(bǔ)償電容的電流過(guò)大，導(dǎo)致電容過(guò)熱引起的。

有時(shí)，不僅無(wú)功補(bǔ)償器出現(xiàn)故障，甚至變壓器也會(huì)遭到損壞。諧波電流造成這些危害的根本原因是諧波電流在無(wú)功補(bǔ)償裝置與變壓器構(gòu)成的回路中發(fā)生了LC并聯(lián)諧振。LC并聯(lián)諧振會(huì)導(dǎo)致電流方法，燒毀無(wú)功補(bǔ)償裝置。第四：三次諧波的特殊危害在處理諧波問(wèn)題時(shí)，三次諧波電流需要引起特別的關(guān)注。三次諧波電流之所以危害很大，是因?yàn)槿沃C波電流在中線上疊加，會(huì)導(dǎo)致中線電流過(guò)大，造成火災(zāi)隱患。圖2是三次諧波導(dǎo)致零線過(guò)熱的情況。實(shí)際上，20年前，個(gè)人計(jì)算機(jī)剛開始普及的時(shí)候，在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，很多建筑物中的火災(zāi)是中線過(guò)熱導(dǎo)致的?，F(xiàn)在，歐美國(guó)家對(duì)電子設(shè)備的三次諧波電流進(jìn)行了嚴(yán)格限制，并在工程中特別關(guān)注，中線過(guò)熱的現(xiàn)象已經(jīng)很少見到。圖2三次諧波電流導(dǎo)致零線過(guò)熱零線上的電流過(guò)大之所以危害極大，是因?yàn)榱憔€上沒有保護(hù)裝置。配電線路的保護(hù)裝置一般安裝在相線上，因此，相線上一旦出現(xiàn)過(guò)大的電流，保護(hù)裝置會(huì)動(dòng)作，避免線路過(guò)熱。而零線上沒有保護(hù)裝置，電流過(guò)大時(shí)，只能任其過(guò)熱。三次諧波電流本身并不可怕，可怕的是幾乎所有的人還沒有認(rèn)識(shí)到這種危害，因此沒有防范措施，從設(shè)計(jì)開始就埋下了了隱患第五：對(duì)其他電子設(shè)備的不良影響諧波電流對(duì)其他電子造成不良影響的現(xiàn)象越來(lái)越多。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，當(dāng)電源電壓中包含較多的諧波電壓成分是，電路會(huì)受到不良影響。讀者需要明確的是，諧波電流本身并不會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響，我們所講的諧波對(duì)其他設(shè)備的影響，是通過(guò)諧波電壓產(chǎn)生的。也就使，諧波電流流過(guò)系統(tǒng)阻抗時(shí)，產(chǎn)生了諧波電壓，諧波電壓對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生了不良影響。諧波電壓對(duì)其他設(shè)備造成的不良影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：數(shù)字控制設(shè)備，PLC、數(shù)控機(jī)床等，發(fā)生誤動(dòng)作；信號(hào)采集系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x器等的精度降低；電動(dòng)機(jī)發(fā)生抖動(dòng)、過(guò)熱。第六：導(dǎo)致意外跳閘諧波電流導(dǎo)致的一個(gè)典型故障現(xiàn)象是意外跳閘，也就是電路的負(fù)荷遠(yuǎn)沒有達(dá)到額定負(fù)荷的狀態(tài)下，電路保護(hù)裝置就會(huì)動(dòng)作。諧波電流導(dǎo)致電路保護(hù)裝置意外動(dòng)作的機(jī)理取決于電路保護(hù)裝置工作原理。由于電路保護(hù)裝置的種類繁多，工作原理各異，深入分析他們誤動(dòng)作的機(jī)理超出了本講堂的范圍，下面列出一些原因供讀者參考。單相電路跳閘的原因大多是因?yàn)殡娏鞣逯颠^(guò)大，導(dǎo)致電路保護(hù)裝置動(dòng)作。通過(guò)前面的分析可知，單相整流電路的電流波形為脈沖波形。由于電流持續(xù)時(shí)間短，要輸出同樣的功率，脈沖電流的幅度就必須高。換個(gè)表述方式，脈沖電流要提供與正弦波電流同樣的功率，或者說(shuō)，脈沖電流要具有與正弦波電流同樣的有效值，則脈沖電流的峰值要遠(yuǎn)高于正弦波電流的峰值才行，具體高出多少與整流電路中的濾波電容的大小、負(fù)載的大小等因素有關(guān)，大約在2~3倍。如果電路保護(hù)裝置是通過(guò)檢測(cè)峰值電流來(lái)動(dòng)作的，就會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。當(dāng)電路保護(hù)裝置的觸發(fā)條件中包含負(fù)序電流時(shí)，如果電流中包含較大的負(fù)序諧波電流成份（例如5次諧波電流），電路保護(hù)裝置可能會(huì)被觸發(fā)。第七：導(dǎo)致額外的能量損失諧波電流導(dǎo)致額外的電能消耗主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：無(wú)功功率和電阻損耗。功率等于電壓和電流的乘積。只有當(dāng)電壓與電流同頻、同相時(shí)，也就是電壓與電流具有相同的頻率與相同的相位時(shí)，產(chǎn)生的功率才是有功功率。諧波電流與基波電壓的頻率不同，因此產(chǎn)生的功率是無(wú)功功率。諧波電流流過(guò)變壓器、電纜是要發(fā)熱，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換定律，這部分熱能肯定也是來(lái)自發(fā)電廠。因此，如果減小了諧波電流導(dǎo)致的各種發(fā)熱，也就是節(jié)省了能量。由于大量使用