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淺談電力系統中諧波的危害及其預防措施

高次諧波就是頻率為基波整數倍的一系列波的“匯總”。工頻系統的二次諧波頻率為100HZ，三次諧波的頻率為150HZ，依次類推。電力系統中高次諧波與基波合成的結果是造成電網電壓波形畸變的主要因素，高次諧波的畸變次數及振幅值的大小，將決定對電網污染，破壞的程度，及對用電設備的危害大小。高次諧波最主要來源于：個人計算機、各種硅整流設備、含有二極管(電容式)電源設備、電弧爐設備、中頻電源設備、各種變頻逆變器、斬波器等裝置。其中對電網污染較重、對用電設備危害較大的當屬可控硅中頻電源和煉鋼用的電弧爐設備。
高次諧波對各種電氣設備的危害
   非線性負載產生的諧波電流能夠在電力系統的某些設備上明顯的反映出來，常見的有變壓器和中性線。在電動機、發電機和移相電容器中也有些表現。由于電壓畸變，所含的高頻成份將造成發電、輸電、變電、配電和用電設備過熱、損耗增大、系統過電壓、失控等。工頻電流在輸電導線截面內是均勻分布的，而高頻電流則產生嚴重的趨膚效應，使導線有效電阻增大。如300mm2導線，通過工頻電流時，靠近中心一般單位面積上的電流密度為平均值的90%，表面一般單位面積上為110%，這時，電流在導體上的總的損耗為內外兩部分之和。隨著頻率的升高，趨膚效應也越來越加顯著，有效電阻也越大。300HZ時為1.21倍，420HZ時為1.35倍。由于電流波形畸變，流過導體的電流除基波外，又增加了高次諧波電流分量。接有大量非線性負載的電網損耗將增大，導體發熱更加嚴重，系統用電設備也將工作不穩定等。
    在三相四線制系統中，中性線將受到接在相電壓上的非線性負載的影響。在正常情況下，三相線性負載平衡時，中性線的電流為零。當存在非線性負載時，某些高次諧波即奇次諧波會在中性線里疊加起來。如由三次諧波序列構成的負載電流越來越多時，更多的未被抵消的電流將會在中性線中流動。在這種情況下，中性線的過電流還會在中性線和接地線間產生高于正常的電壓跌落。如果中性線電流特別大，甚至超過其導線額定電流的80%，則須要切除部分次要負載，否則就須增加中性線的截面積，這對三相四線制系統的安全和經濟運行都是不利的。
    當諧波電流通過電力線路的架空線時，可能產生串聯諧振，甚至造成危險的過電壓。電力電纜在諧波電壓作用下，其絕緣材料會因所含的少量氣體電離并經電氣、機械、物理和化學變化而加速老化。絕緣強度降低，泄漏電流增大，使壽命縮短。如正常工頻電流電壓下，壽命為25年，而在含有五次、七次諧波電流電壓作用下，壽命僅為9年。諧波的危害可見一般。高頻大幅度諧波還可能引起局部放電，產生內部擊穿情況，對電力線路的危害更加嚴重。
    當較高頻率的電流注入變壓器時，將產生趨膚效應和鄰近效應，在繞組中引起附加損耗與變壓器鐵芯有關的鐵損亦有增加。于是變壓器將產生相當大的熱量。如果變壓器一次側接線為三角形，二次側接線為星形，那么非線性負載將使該變壓器承受額外過熱之害。由于非線性負載使支路電流含有較多高次諧波電流，而且奇數諧波電流不但不能抵消，反而會疊加，導致諧波電流在中性線中流動。當該電流返回星形結線的二次繞組時，它被感應到角結線的一次繞組，并形成環流。這個環流成為產生額外熱量的原因，且對諧波電流本身產生的熱量起助長作用。諧波電壓還會使變壓器激磁電流增大，效率降低，功率因數變壞。當諧波電壓長期存在且較為嚴重時，將會危及變壓器主絕緣。
    由于電力系統線電壓的畸變，電力電容器損耗增加、過熱。電容器是頻率的敏感元件。電力電容器在電力系統中如同一個諧波吸收器，將使電容器嚴重過電流。電容器和電力系統中的感性元件也能形成諧振電路，如果這個諧振回路的頻率等于或接近系統中某次諧波分量的頻率，就會產生諧振，造成過電壓、過熱。諧波對感應電動機的危害主要是電壓諧波畸變會使三相感應電動機過熱，如長期有諧波存在，將對電動機的運行壽命構成嚴重危脅。諧波對配電盤的危害的基本征兆是發熱，或是由過熱造成損壞。在配電盤里，可能出現的過熱點是中性母線及其連接點，它們往往載有過量的中性線電流。諧波還會使各種表計誤差加大，使電訊線路產生干擾。高次諧波其它危害還有：使半導體器件本身有誤觸發、丟脈沖等，使電力系統無功功率增加，功率因數下降。同時對一些電子設備，儀器也將產生程度不同的影響，以至于不能正常使用。
高次諧波的防止對策
    綜上所述，大量非線性負載的接入致使交流工頻電流將成為含有高次諧波的畸變電流，它們流經電源和系統中的阻抗時，使供電電壓波形發生畸變，這給電網及系統中運行的設備、儀器帶來很大的危害，因此，研究抑制消除電力系統中的高次諧波，確保電力系統免遭污染侵害是十分必要的。消除或抑制諧波的對策可以兩方面考慮。一是從非線性負載本身入手，使它們盡可能減少諧波電流的注入量。二是設法改變系統中諧波電流的流向，以防止諧波的影響。通常的做法有：
    a.在非線性負載回路增設諧波濾波器。主要適用于可控硅整流裝置，中頻電源裝置及各種電子逆變器等。濾波器可以對某些諧波產生強烈的吸收作用，以減少諧波電流有含量。采用單調諧濾波器可以對5～13次諧波進行濾波，對17次以上的諧波則應采用高通濾波器。
    b.對非線性負載的供、配電回路要分開獨立設置，供電變壓器須使用Y/△接線方式，即一次側為Y接，二次側為角接。其它用電設備不宜與非線性負載共用一臺供電變壓器，如從經濟角度考慮，需用一臺變壓器供電時須對非線性負載產生的諧波電流成份予以防治，以確保其它用電設備的可靠、安全使用。
    c.對變壓器的保護方法保護變壓器的一個途徑是把變壓器上的負載量限制在其額定值的某個百分數范圍內。這被稱為降低變壓器額定容量法。這是美國計算機和商業設備同業協會提供的方法。采用這種方法降低額定容量，須測量變壓器二次側各相的有效值和瞬時尖峰值。這種方法比繁瑣，也不特別適用。在負載處安裝諧波濾波器，不但能改善該變壓器的諧波電流，而且可以防止高次諧波竄至連接在這個電力系統上的其它易受影響的用電設備。也可以采用更強的冷卻方式，以降低變壓器因高次諧波引起的額外的熱量。
    d.保護感應電動機的方法感應電動機對供電線路電壓諧波畸變率特別敏感。一般經驗證明，電動機供電電壓的總諧波的畸變率不應超過5%。為此，感應電動機應接在一條獨立饋線上，其端電壓的畸變就會減少。此外，應該采取減少給非線性負載供電的線路的阻抗的措施，即增大導線截面積。或在非線性負載處增加諧波濾波器。

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