关于三次谐波.docx

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关于三次谐波

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。

脉冲状的电流中包含了高次谐波成分，3次谐波电流最大。

传统负荷与现代符合的重要区别是，传统负荷大部分是线性负荷，现代负荷大部分是非线性负荷：

1.通信设备、ＵＰＳ电源

2.电脑为代表的信息设备、办公自动化设备

3.大型医疗设备

4.电视机为代表的家用电器，特别是变频空调、

电磁炉等

5.节能灯、调光灯等照明设备

6.大尺寸的ＬＥＤ屏幕

电视机和计算机电流波形

调光灯和节能灯电流波形

电视机和计算机的电流为很窄的脉冲波，这是很典型的单相整流电路的电流波形，实际上，任何使用开关电源作为直流电源的设备都。

会产生这种电流的波形。

这是三次谐波电流的主要来源。

目前大量使用的大尺寸LED屏幕，采用很多开关电源并联供电，因此LED屏幕产生的3次谐波电流很大。

节能灯也是目前常见的负载，他的电流也是脉冲状的。

实际上，现代建筑物中，节能灯导致的三次谐波电流已经成为主要的危害。

三次谐波引起跳闸

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

三次谐波引起变压器过热

普通变压器

消谐波变压器

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

可见光图像

红外光图像

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。

零线电流过大的后果是导致零线温度过高。

这实际是三次谐波所导致的。

前面我们已经阐述了三次谐波电流的来源，主要是单相整流电路为代表的非线性负荷产生的。

现代建筑物中，由于大量使用电子信息设备、节能灯等非线性负荷，会产生很大的3次谐波电流。

结果就是导致零线电流过大。

这是一个十分可怕的事实。

因为电流流过导体时要产生热量，热量与电流的平方成正比（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2.25倍!

另一个可怕的事实是，在一般配电系统中，虽然相线上有过流保护装置，而零线上并没有过流保护装置。

过大的电流必然会导致零线过热，酿成火灾隐患。

三次谐波电流在零线上的叠加

我们对零线电流过大的现象已经有了充分的了解。

那么，这种现象是怎样形成的呢。

传统的电工理论告诉我们，当三相电路的负荷平衡时，零线上的电流为零，或者很小。

为什么现在这个理论不对了呢。

这是因为，仅当三条相线上的电流波形为正弦波，并且它们相差120°时，如果三相线上的电流幅度相同，才能保证在零线上矢量叠加的结果是总和为零。

这是因为，仅当三条相线上的电流波形为正弦波，并且它们相差120°时，如果三相线上的电流幅度相同，才能保证在零线上矢量叠加

上图给出了结论。

他们在中线上虽然也是叠加，但是相互错开，无法抵消。

并且中线上的脉冲电流的数量是相线上的脉冲电流数量的3倍。

我们知道，单相整流电路的电流是脉冲状的。

如果三条相线上的电流是脉冲状的，结果如何呢。

从图中可知，中线上的电流脉冲数是相线上的电流脉冲数的3倍，根据电流有效值的计算方法，中线上的电流会达到相线的1.7倍。

如果整流电路的电流的脉宽大于60°，就会在中线上发生重叠现象，这时中线上的一部分电流发生抵消，实际的零线电流会小于相线电流的1.7倍。

零线上三次谐波的叠加

各相的基波电流相差120°

各相的3次谐波电流相差

120°×3=360°也就是同相位

为什么零线上的谐波电流以三次为主呢。

这是因为两个原因。

第一，单相整流电路产生的谐波成分中，以三次为最大，三次谐波畸变率通常达到80%以上。

第二，其他次数的谐波电流在零线上会有抵消的效果，唯有三次不会。

单相整流电路产生3次谐波电流，由于三相电的每相基波电流之间相位相差120°，因此3次谐波电流的相位相差360°（3×120°=360°），对于交流电而言，相位相差360°意味它们是同相位的。

因此，3次谐波电流在零线上是算数叠加的。

这就是三次谐波的特殊性。

不仅三次谐波具有这样的特性，只要是基波频率3倍频率的谐波都应该具有这样的特性。

确实如此，这些频率是基波频率3倍的谐波称为3倍频谐波，他们在中线上都是算术叠加的。

但是6、9次以及更高的3倍频谐波很小，甚至没有，因此不予考虑。