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低压照明系统中三次谐波的危害及治理杨光武

发表时间：2020/6/30 来源：《电力设备》2020年第5期作者：杨光武

[导读]

        （湘西自治州沱江水电开发股份有限公司湖南湘西 416200）
        关键词：零线电流；三次谐波；危害；治理
        三次谐波主要产生于单相整流电路，现在社会中，随着楼宇建设的数字化、智能化，计算机、变频空调、LED电源、升降电梯等设备大规模配备，为智能楼宇引入了新的电能质量问题-谐波，其中影响最大的就是三次谐波，大量的非线性负荷导致电压、电流谐波严重畸变、功率因数低、零线电流过大等。为避免发生不可挽回的损失，三次谐波的危害应引起我们的高度重视。
        一、现象
        某专变供电的商场，用电时变压器噪音明显增加，温度较高并伴有不正常的嗡嗡声，经测量负荷还不到变压器三分之二容量，供电开关经常出现跳闸，可最大相负荷也只有开关容量的一半多点，检查三相电压平衡，三相电流也基本平衡，但零线电流较大，以下是几次的测量数据：

        若电压频率是50Hz，将失真的电流波经傅立叶级数分解后，可将其电流组成分解为除了基频（50Hz）外，倍频（100Hz， 150Hz，…。）成份的组合，其倍频的成份就称为谐波。对于交流电而言，相位相差360°意味它们是同相位的，不仅三次谐波具有这样的特性，只要是基波频率3倍频率的谐波都具有这样的特性。因此，３次谐波电流在零线上是算数叠加。其中以三次谐波的分量较大，6、9次以及更高的3倍频谐波很小，甚至没有，因此可不予考虑。
        非线性单相负荷主要有：
        1、荧光灯、节能灯及其镇流器；
        市场调查表明，目前国内市场绝大多数的荧光灯电子镇流器三次谐波电流含量高达８０％～９０％；
        2、电弧焊接设备（电弧的非线性类负荷）；
        3、计算机开关型电源及显示器（大型显示屏幕）；
        4、彩色电视机及监视器；
        如证券公司、体育场馆、商业中心和新闻中心的电视墙的显示幕墙。普通型彩色电视机ＴＨＤＩ可达１２７％，三次谐波电流含量高达９０％；
        5、晶闸管调压电源（如加热器、调光器、电化学电源等）；
        6、整流电源（如电器的工作电源、充电器、直流传动及电化学电源等）；
        7、开关型稳压电源及ＵＰＳ；
        8、变频器：
        （1）、变频的家用电器，如空调、洗衣机、风机、泵、微波炉；
        （2）、工业及建筑用的调速电动机；
        （3）、中频电源。
        由于该商场大量的使用了LED灯照明，造成电压波形畸变，形成三次谐波，三次谐波是引起零线电流过大的主要原因。
        三、危害
        理想的公用电网所提供的电压应该是固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的电子控制设备产生干扰。电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还没有引起足够的重视。近二十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。
        谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：
        1、因为三次谐波的零序性，低压母线上的三次谐波电压主要与中性线的三次谐波电流有关；
        （1）、当变压器接法为Ｙ－Ｙｎ０时，零序性的三次谐波电流将成为励磁电流，在此零序励磁电抗上产生较大的压降，即三次谐波电压，很容易造成低压母线上的电压总畸变率超标；
        （2）、当变压器接法为△－Ｙｎ11时，１０ｋＶ侧的变压器绕组形成三次谐波电流流通的回路，该回路阻抗为变压器漏抗，远较零序励磁阻抗小，从而不会在低压母线产生很大的三次谐波电压；
        2、如果低压三相的三次谐波电流不平衡，则存在正序和负序的三次谐波分量：
        （1）、如果配电变压器为Ｙ－Ｙｎ０接线，低压侧正序和负序的三次谐波电流会在高压侧绕组感应出三次谐波电压，对高压侧产生影响；
        （2）、如果配电变压器为△－Ｙｎ１１接线，低压侧正序和负序的三次谐波电流在高压侧绕组感应出的三次谐波电流在△绕组形成环流，对高压侧产生的三次谐波影响要比变压器为Ｙ－Ｙｎ０接线时小，但增加了变压器高压绕组的损耗。
        3、由于中性线中三相负荷不平衡引起的工频电流和三次谐波电流的叠加有可能大于相电流，当三相的三次谐波平衡时，由于Ｙ－Ｙｎ０接线的变压器铁芯中零序的三次谐波无通路，磁通只能经铁心、空气和外壳等构成回路，产生附加损耗和局部过热；而在△－Ｙｎ１１接线中，△绕组为三次谐波电流提供通路，它所产生的三次谐波磁通将抵消铁芯中的原三次谐波磁通，从而使铁心中的合成磁通基本上呈正弦波，减少了附加损耗。但谐波电流的存在使Ｋ因子增加，因谐波发热而降低变压器输送能力，造成供电变压器的利用率下降或过载；
        4、中性线电流过大是一个十分可怕的事实，因为电流流过导体要产生热量，热量与电流平方成正比（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的2.25倍，使配电系统中性线的电缆、导线出现过负荷引起绝缘老化加速，增加了火灾隐患。
        主要原因有：
        （1）、在一般配电系统中，零线的截面积并不比相线大（甚至更小），超过相线的电流必然会导致零线过热；
        （2）、零线上没有保险装置，不能象相线那样在过流的清况下自动断开。因此，零线上过大的电流必然导致零线过热。
        （3）、由于零线中的电流为150Hz的电流，由于做趋肤效应的作用，这种高频电流会产生更大的热量。
        5、由于电流和电压畸变，增加了供电系统中其他设备和材料的损耗，引起附加发热、加速绝缘老化、减少使用寿命；
        6、由于电流和电压畸变，增加了供电系统中设备和材料的振动和噪音；
        7、由于电流和电压畸变，使无功补偿电容器组由于并联谐振而损坏，电动机等绕组类设备绝缘击穿而损坏；
        8、电流和电压畸变及１５０Ｈｚ电磁场会引起测量精确度异常，对控制所需要的同步信号的捕捉与锁相条件恶化、干扰增加，从而使电子控制、测量、保护及通信设备运行不正常；
        9、对用ＵＰＳ供电的广播电视节目录制及播放系统产生附加背景噪声，并损坏ＵＰＳ设备；
        10、使照明光源闪烁而损坏；图像显示设备频闪，显示失真；
        四、治理
        对电力谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：
        1、降低谐波源的谐波含量
        也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。
        具体方法有：
        （1）、增加整流器的脉动数
        整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：n=kp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而In≈I1/n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。电力电子装置常将6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波变流器，以减少交流侧的谐波电流含量。理论上，脉波越多，对谐波的抑制效果越好，但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂，体积越大，变流器的控制和保护变得困难，成本增加。
        （2）、脉宽调制法
        脉宽调制技术的基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性。根据输出波形的傅立叶级数展开式，使需要消除的谐波幅值为零、基波幅值为给定量，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的，目前采用的PWM技术有最优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、Δ调制、跟踪型PWM调制和自适应PWM控制等。
        （        3）、三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线
        三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线形式，这样可以消除3的整数倍次的电力谐波，从而使注入电网的谐波电流只有5、7、11...等次谐波。
        （4）、改变谐波源的配置或工作方式
        具有谐波互补性的装置应集中，否则适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。
        （5）、采用多重化技术
        将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高。
        （6）、设计或采用高功率因数变流器
        比如采用矩阵式变频器，四象限变流器等，可以使变流器产生的谐波非常少，但功率因数可控制为1。
        2、在谐波源处吸收谐波电流
        这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。
        主要方法有以下几种：
        （1）、无源滤波器
        无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、R、C元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。（2）、有源滤波器
        即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，有源滤波器具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。
        （3）、加装静止无功补偿装置
        快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处，并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。
        五、结论
        该商场为了降低三次谐波引起的零线电流过大问题，在交流侧加装了零序滤波器后，有效的降低了零线电流，保障了设备安全运行。
        目前，电力消费的趋势是高效率用电与高质量用电相接合。进行谐波治理，提高电力品质是首要问题；其次是节能，谐波治理是个综合治理过程，是改善供电品质的重要手段。一方面要从源头抓起，加强设备的管理防止谐波的产生，更重要的一方面是提高认识，积极进行谐波治理，防止灾害产生，减少能耗，提高电能利用率。这样才能够改善整个网络的电力品质，同时也能延长设备使用寿命，提高产品质量，让电能更好的为人类服务。