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題的根源，諧波電壓也是由于諧波電流導致的。因此，一般在研究諧波導致的危害時，主要指諧波電流的危害。諧波電流的危害主要有7個方面：第一：導致電纜過熱諧波電流流過電纜時，會導致電纜過熱。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)是交流電流流過導體時，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)，當頻率較高的諧波電流流過導體時，導體的有效截面積小于導體的實際截面積。截面積小，意味著有更大的電阻，也就意味著會產(chǎn)生更大的熱量。當頻率較高的諧波電流流過導體時，導體呈現(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)系對于諧波電流產(chǎn)生更大熱量的問題必須重視。因為我們在進行線路設(shè)計時，導體的截面積是按照基波頻率設(shè)計的，而當這些導體中流過諧波電流時，呈現(xiàn)更大的電流密度，導致更大的電阻損耗（I2R）,從而導致導體發(fā)熱。導體過熱會導致電纜早期老化、甚至誘發(fā)火災。第二：導致變壓器過熱諧波電流流過變壓器時，會導致變壓器發(fā)出額外的熱量，使變壓器在沒有達到額定功率時便出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，導致變壓器的實際容量降低。在工業(yè)上，一些變壓器的負荷主要是變頻器、中頻爐等諧波源設(shè)備，這時，發(fā)現(xiàn)變壓器僅僅達到50%負荷時，就溫度過高。在商業(yè)上，隨著一些建筑物中的節(jié)能燈、以PC機為代表的信息設(shè)備等非線性負荷增加，變壓器過熱的現(xiàn)象也十分常見。過高的溫度會縮短變壓器的壽命。為了避免變壓器過熱，當負載是諧波源時，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行設(shè)計，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）。諧波電流導致導線產(chǎn)生更大的損耗的原因是趨膚效應(yīng)。諧波電流導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原理。另一個是磁滯損耗，它是鐵心內(nèi)部的磁疇在磁場作用下不斷翻轉(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：導致變無功補償裝置損壞諧波電流對無功補償裝置的影響也很常見，這實際已經(jīng)成為企業(yè)進行節(jié)能技術(shù)改造中不可回避的問題。節(jié)能改造中大量使用變頻器，而變頻器產(chǎn)生嚴重的諧波電流。這些諧波電流對原來的無功補償裝置造成了不同程度的損壞，常見的現(xiàn)象包括：無功補償裝置不能投切：這一般發(fā)生在無功補償控制器中包含諧波保護裝置的場合，當檢測到諧波電流過大時，裝置進入保護狀態(tài)，同時會顯示諧波過大的提示信息；無功補償裝置中的保險絲燒斷：這是流過補償裝置的電流過大導致的；無功補償裝置中的電容炸裂：這是流過補償電容的電流過大，導致電容過熱引起的。

有時，不僅無功補償器出現(xiàn)故障，甚至變壓器也會遭到損壞。諧波電流造成這些危害的根本原因是諧波電流在無功補償裝置與變壓器構(gòu)成的回路中發(fā)生了LC并聯(lián)諧振。LC并聯(lián)諧振會導致電流方法，燒毀無功補償裝置。第四：三次諧波的特殊危害在處理諧波問題時，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，是因為三次諧波電流在中線上疊加，會導致中線電流過大，造成火災隱患。圖2是三次諧波導致零線過熱的情況。實際上，20年前，個人計算機剛開始普及的時候，在歐美發(fā)達國家，很多建筑物中的火災是中線過熱導致的。現(xiàn)在，歐美國家對電子設(shè)備的三次諧波電流進行了嚴格限制，并在工程中特別關(guān)注，中線過熱的現(xiàn)象已經(jīng)很少見到。圖2三次諧波電流導致零線過熱零線上的電流過大之所以危害極大，是因為零線上沒有保護裝置。配電線路的保護裝置一般安裝在相線上，因此，相線上一旦出現(xiàn)過大的電流，保護裝置會動作，避免線路過熱。而零線上沒有保護裝置，電流過大時，只能任其過熱。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識到這種危害，因此沒有防范措施，從設(shè)計開始就埋下了了隱患第五：對其他電子設(shè)備的不良影響諧波電流對其他電子造成不良影響的現(xiàn)象越來越多。這主要是因為現(xiàn)代電子設(shè)備對電能質(zhì)量的要求越來越高，當電源電壓中包含較多的諧波電壓成分是，電路會受到不良影響。讀者需要明確的是，諧波電流本身并不會對其他設(shè)備產(chǎn)生影響，我們所講的諧波對其他設(shè)備的影響，是通過諧波電壓產(chǎn)生的。也就使，諧波電流流過系統(tǒng)阻抗時，產(chǎn)生了諧波電壓，諧波電壓對電子設(shè)備產(chǎn)生了不良影響。諧波電壓對其他設(shè)備造成的不良影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：數(shù)字控制設(shè)備，PLC、數(shù)控機床等，發(fā)生誤動作；信號采集系統(tǒng)、測量儀器等的精度降低；電動機發(fā)生抖動、過熱。第六：導致意外跳閘諧波電流導致的一個典型故障現(xiàn)象是意外跳閘，也就是電路的負荷遠沒有達到額定負荷的狀態(tài)下，電路保護裝置就會動作。諧波電流導致電路保護裝置意外動作的機理取決于電路保護裝置工作原理。由于電路保護裝置的種類繁多，工作原理各異，深入分析他們誤動作的機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為電流峰值過大，導致電路保護裝置動作。通過前面的分析可知，單相整流電路的電流波形為脈沖波形。由于電流持續(xù)時間短，要輸出同樣的功率，脈沖電流的幅度就必須高。換個表述方式，脈沖電流要提供與正弦波電流同樣的功率，或者說，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、負載的大小等因素有關(guān)，大約在2~3倍。如果電路保護裝置是通過檢測峰值電流來動作的，就會出現(xiàn)誤動作。當電路保護裝置的觸發(fā)條件中包含負序電流時，如果電流中包含較大的負序諧波電流成份（例如5次諧波電流），電路保護裝置可能會被觸發(fā)。第七：導致額外的能量損失諧波電流導致額外的電能消耗主要體現(xiàn)在兩個方面：無功功率和電阻損耗。功率等于電壓和電流的乘積。只有當電壓與電流同頻、同相時，也就是電壓與電流具有相同的頻率與相同的相位時，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)生的功率是無功功率。諧波電流流過變壓器、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自發(fā)電廠。因此，如果減小了諧波電流導致的各種發(fā)熱，也就是節(jié)省了能量。由于大量使用