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谐波电流

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  • 发布时间:2013/9/23 10:58:41
  • 作者:hb_yinhe

谐波电流定义

  《计量学名词》第一版定义:谐波电流是指将非正弦周期电流以傅里叶级数形式表征,其中频率为原非正弦周期电流的频率整数倍的各正弦电流分量的统称。

  《电力名词》第二版定义:谐波电流是指非正弦周期电流中以基波以外的频率形式表现的电流分量的统称。

谐波电流简介

  一个周期信号可以通过傅里叶变换分解为直流分量C0和不同频率的正弦信号的线性叠加:

  

  其中,

  为m次谐波的表达式,cm表示m次谐波的幅值,其角频率为mω,初始相位为φm,其有效值为cm/√2。

  当m=1时,

  为基波分量的表达式,其角频率为ω,初始相位为φ1,其方均根值c1/√2称为基波有效值

  ω/2π为基波分量的频率,称为基波频率,基波分量的频率等于交流信号的频率。而m次谐波的频率为基波频率的整数倍(m倍)。

  

  谐波电流是其频率为原周期电流频率整数倍的各正弦分量的统称。

  一般来说, 理想的交流电源应是纯正弦波形,但因现实世界中的输出阻抗及非线性负载的原因,,导致电源波形失真。 若电压频率是60Hz,,将失真的电压经傅立叶转换分析后,可将其电压组成分解为除了基频(60Hz)外,倍频(120Hz, 180Hz,…..)成份的组合。其倍频的成份就称为谐波:harmonic。整流性负载的大量使用,造成大量的谐波电流,谐波电流产生电压的谐波成份,间接污染了市电。另外一些市售的发电机或UPS本身输出电压就非纯正弦波,甚至有方波的情形,失真情形更严重,所含谐波成份占了很大的比例。

三次谐波电流

WP4000变频功率分析仪测量出来含有三次谐波电流的波形

谐波电流产生的危害

  谐波电流是一切谐波问题的根源,谐波电压也是由于谐波电流导致的。因此,一般在研究谐波导致的危害时,主要指谐波电流的危害。谐波电流的危害主要有7个方面:

01导致电缆过热

  谐波电流流过电缆时,会导致电缆过热。造成这种现象的原因是交流电流的趋肤效应。

  趋肤效应是交流电流流过导体时,向导体的表面集中的一种物理现象,电流的频率越高,电流越向导体表面集中。由于趋肤效应,当频率较高的谐波电流流过导体时,导体的有效截面积小于导体的实际截面积。截面积小,意味着有更大的电阻,也就意味着会产生更大的热量。当频率较高的谐波电流流过导体时,导体呈现的电阻比基波电流要大,因此同样幅度的谐波电流比基波电流产生更大的热量。

02导致变压器过热

  谐波电流流过变压器时,会导致变压器发出额外的热量,使变压器在没有达到额定功率时便出现温度过高的现象,导致变压器的实际容量降低。在工业上,一些变压器的负荷主要是变频器、中频炉等谐波源设备,这时,发现变压器仅仅达到50%负荷时,就温度过高。在商业上,随着一些建筑物中的节能灯、以PC机为代表的信息设备等非线性负荷增加,变压器过热的现象也十分常见。

  过高的温度会缩短变压器的寿命。为了避免变压器过热,当负载是谐波源时,必须降额选用变压器(使变压器不工作在额定功率下)。一种专门用于谐波条件下的变压器称为k等级变压器,这种变压器的绕组和铁心都按照更大功率的情况进行设计,能够承受谐波电流产生的额外的热量。

  谐波电流造成变压器过热的原因是谐波电流增加了线圈绕组的电阻损耗(称为铜损)和铁心的损耗(称为铁损)。谐波电流导致导线产生更大的损耗的原因是趋肤效应。

  谐波电流导致铁心损耗增加的原因是铁心的涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗的含义是,线圈产生的交流磁场在铁心上感应出电流,电流在铁心的电阻上发热而产生的能量损耗。电磁炉就是利用这个原理。另一个是磁滞损耗,它是铁心内部的磁畴在磁场作用下不断翻转消耗的能量。

  这两部分损耗都与频率有关,频率越高,损耗越大。

03导致变无功补偿装置损坏

  谐波电流对无功补偿装置的影响也很常见,这实际已经成为企业进行节能技术改造中不可回避的问题。节能改造中大量使用变频器,而变频器产生严重的谐波电流。这些谐波电流对原来的无功补偿装置造成了不同程度的损坏,常见的现象包括:

  无功补偿装置不能投切:这一般发生在无功补偿控制器中包含谐波保护装置的场合,当检测到谐波电流过大时,装置进入保护状态,同时会显示谐波过大的提示信息;

  无功补偿装置中的保险丝烧断:这是流过补偿装置的电流过大导致的;

  无功补偿装置中的电容炸裂:这是流过补偿电容的电流过大,导致电容过热引起的。

  有时,不仅无功补偿器出现故障,甚至变压器也会遭到损坏。谐波电流造成这些危害的根本原因是谐波电流在无功补偿装置与变压器构成的回路中发生了LC并联谐振。LC并联谐振会导致电流方法,烧毁无功补偿装置。

04三次谐波的特殊危害

  在处理谐波问题时,三次谐波电流需要引起特别的关注。三次谐波电流之所以危害很大,是因为三次谐波电流在中线上叠加,会导致中线电流过大,造成火灾隐患。

05对其他电子设备的不良影响

  谐波电流对其他电子造成不良影响的现象越来越多。这主要是因为现代电子设备对电能质量的要求越来越高,当电源电压中包含较多的谐波电压成分是,电路会受到不良影响。

  读者需要明确的是,谐波电流本身并不会对其他设备产生影响,我们所讲的谐波对其他设备的影响,是通过谐波电压产生的。也就使,谐波电流流过系统阻抗时,产生了谐波电压,谐波电压对电子设备产生了不良影响。

  谐波电压对其他设备造成的不良影响主要体现在以下几个方面:

  数字控制设备,PLC、数控机床等,发生误动作;

  信号采集系统、测量仪器等的精度降低;

  电动机发生抖动、过热。

06导致意外跳闸

  谐波电流导致的一个典型故障现象是意外跳闸,也就是电路的负荷远没有达到额定负荷的状态下,电路保护装置就会动作。

  谐波电流导致电路保护装置意外动作的机理取决于电路保护装置工作原理。由于电路保护装置的种类繁多,工作原理各异,深入分析他们误动作的机理超出了本讲堂的范围,下面列出一些原因供读者参考。

  单相电路跳闸的原因大多是因为电流峰值过大,导致电路保护装置动作。通过前面的分析可知,单相整流电路的电流波形为脉冲波形。由于电流持续时间短,要输出同样的功率,脉冲电流的幅度就必须高。换个表述方式,脉冲电流要提供与正弦波电流同样的功率,或者说,脉冲电流要具有与正弦波电流同样的有效值,则脉冲电流的峰值要远高于正弦波电流的峰值才行,具体高出多少与整流电路中的滤波电容的大小、负载的大小等因素有关,大约在2~3倍。如果电路保护装置是通过检测峰值电流来动作的,就会出现误动作。

  当电路保护装置的触发条件中包含负序电流时,如果电流中包含较大的负序谐波电流成份(例如5次谐波电流),电路保护装置可能会被触发。

07导致额外的能量损失

  谐波电流导致额外的电能消耗主要体现在两个方面:无功功率和电阻损耗。

  功率等于电压和电流的乘积。只有当电压与电流同频、同相时,也就是电压与电流具有相同的频率与相同的相位时,产生的功率才是有功功率。谐波电流与基波电压的频率不同,因此产生的功率是无功功率。

  谐波电流流过变压器、电缆是要发热,根据能量转换定律,这部分热能肯定也是来自发电厂。因此,如果减小了谐波电流导致的各种发热,也就是节省了能量。

  由于大量使用电力电子设备,变频器,中频炉等,谐波电流的危害已经成为最严重的电能质量问题。解决谐波电流危害的最有效方法就是在谐波源的位置消除谐波电流。这时,上述7个方面的问题都迎刃而解。如果限于条件,只能在母线上采取措施,则有些故障现象可能不会消失。

  在谐波源处消除谐波电流的最有效方法是安装HTHF谐波滤波器。HTHF谐波滤波器适用于各种三相六脉整流电路的设备,即连即用,不需要任何调试,是解决谐波电流的理想设备。


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