一諧波電流定義

　　《計(jì)量學(xué)名詞》第一版定義：諧波電流是指將非正弦周期電流以傅里葉級(jí)數(shù)形式表征，其中頻率為原非正弦周期電流的頻率整數(shù)倍的各正弦電流分量的統(tǒng)稱。

　　《電力名詞》第二版定義：諧波電流是指非正弦周期電流中以基波以外的頻率形式表現(xiàn)的電流分量的統(tǒng)稱。

二諧波電流簡(jiǎn)介

　　一個(gè)周期信號(hào)可以通過(guò)傅里葉變換分解為直流分量C0和不同頻率的正弦信號(hào)的線性疊加：

　　

　　其中，

　　為m次諧波的表達(dá)式，cm表示m次諧波的幅值，其角頻率為mω，初始相位為φm，其有效值為cm/√2。

　　當(dāng)m=1時(shí)，

　　為基波分量的表達(dá)式，其角頻率為ω，初始相位為φ1，其方均根值c1/√2稱為基波有效值。

　　ω/2π為基波分量的頻率，稱為基波頻率，基波分量的頻率等于交流信號(hào)的頻率。而m次諧波的頻率為基波頻率的整數(shù)倍(m倍)。

　　

　　諧波電流是其頻率為原周期電流頻率整數(shù)倍的各正弦分量的統(tǒng)稱。

　　一般來(lái)說(shuō), 理想的交流電源應(yīng)是純正弦波形，但因現(xiàn)實(shí)世界中的輸出阻抗及非線性負(fù)載的原因,，導(dǎo)致電源波形失真。 若電壓頻率是60Hz,，將失真的電壓經(jīng)傅立葉轉(zhuǎn)換分析后，可將其電壓組成分解為除了基頻(60Hz)外，倍頻(120Hz, 180Hz,…..)成份的組合。其倍頻的成份就稱為諧波：harmonic。整流性負(fù)載的大量使用，造成大量的諧波電流，諧波電流產(chǎn)生電壓的諧波成份，間接污染了市電。另外一些市售的發(fā)電機(jī)或UPS本身輸出電壓就非純正弦波，甚至有方波的情形，失真情形更嚴(yán)重，所含諧波成份占了很大的比例。

WP4000變頻功率分析儀測(cè)量出來(lái)含有三次諧波電流的波形

三諧波電流產(chǎn)生的危害

　　諧波電流是一切諧波問(wèn)題的根源，諧波電壓也是由于諧波電流導(dǎo)致的。因此，一般在研究諧波導(dǎo)致的危害時(shí)，主要指諧波電流的危害。諧波電流的危害主要有7個(gè)方面：

01導(dǎo)致電纜過(guò)熱

　　諧波電流流過(guò)電纜時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電纜過(guò)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(guò)導(dǎo)體時(shí)，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(dāng)頻率較高的諧波電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體的有效截面積小于導(dǎo)體的實(shí)際截面積。截面積小，意味著有更大的電阻，也就意味著會(huì)產(chǎn)生更大的熱量。當(dāng)頻率較高的諧波電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)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。

02導(dǎo)致變壓器過(guò)熱

　　諧波電流流過(guò)變壓器時(shí)，會(huì)導(dǎo)致變壓器發(fā)出額外的熱量，使變壓器在沒(méi)有達(dá)到額定功率時(shí)便出現(xiàn)溫度過(guò)高的現(xiàn)象，導(dǎo)致變壓器的實(shí)際容量降低。在工業(yè)上，一些變壓器的負(fù)荷主要是變頻器、中頻爐等諧波源設(shè)備，這時(shí)，發(fā)現(xiàn)變壓器僅僅達(dá)到50%負(fù)荷時(shí)，就溫度過(guò)高。在商業(yè)上，隨著一些建筑物中的節(jié)能燈、以PC機(jī)為代表的信息設(shè)備等非線性負(fù)荷增加，變壓器過(guò)熱的現(xiàn)象也十分常見(jiàn)。

　　過(guò)高的溫度會(huì)縮短變壓器的壽命。為了避免變壓器過(guò)熱，當(dāng)負(fù)載是諧波源時(shí)，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(jí)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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(guò)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(dǎo)致導(dǎo)線產(chǎn)生更大的損耗的原因是趨膚效應(yīng)。

　　諧波電流導(dǎo)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(chǎng)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(gè)原理。另一個(gè)是磁滯損耗，它是鐵心內(nèi)部的磁疇在磁場(chǎng)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。

03導(dǎo)致變無(wú)功補(bǔ)償裝置損壞

　　諧波電流對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的影響也很常見(jiàn)，這實(shí)際已經(jīng)成為企業(yè)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造中不可回避的問(wèn)題。節(jié)能改造中大量使用變頻器，而變頻器產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波電流。這些諧波電流對(duì)原來(lái)的無(wú)功補(bǔ)償裝置造成了不同程度的損壞，常見(jiàn)的現(xiàn)象包括：

　　無(wú)功補(bǔ)償裝置不能投切：這一般發(fā)生在無(wú)功補(bǔ)償控制器中包含諧波保護(hù)裝置的場(chǎng)合，當(dāng)檢測(cè)到諧波電流過(guò)大時(shí)，裝置進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，同時(shí)會(huì)顯示諧波過(guò)大的提示信息;

　　無(wú)功補(bǔ)償裝置中的保險(xiǎn)絲燒斷：這是流過(guò)補(bǔ)償裝置的電流過(guò)大導(dǎo)致的;

　　無(wú)功補(bǔ)償裝置中的電容炸裂：這是流過(guò)補(bǔ)償電容的電流過(guò)大，導(dǎo)致電容過(guò)熱引起的。

　　有時(shí)，不僅無(wú)功補(bǔ)償器出現(xiàn)故障，甚至變壓器也會(huì)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(wú)功補(bǔ)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(huì)導(dǎo)致電流方法，燒毀無(wú)功補(bǔ)償裝置。

04三次諧波的特殊危害

　　在處理諧波問(wèn)題時(shí)，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?yàn)槿沃C波電流在中線上疊加，會(huì)導(dǎo)致中線電流過(guò)大，造成火災(zāi)隱患。

05對(duì)其他電子設(shè)備的不良影響

　　諧波電流對(duì)其他電子造成不良影響的現(xiàn)象越來(lái)越多。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，當(dāng)電源電壓中包含較多的諧波電壓成分是，電路會(huì)受到不良影響。

　　讀者需要明確的是，諧波電流本身并不會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響，我們所講的諧波對(duì)其他設(shè)備的影響，是通過(guò)諧波電壓產(chǎn)生的。也就使，諧波電流流過(guò)系統(tǒng)阻抗時(shí)，產(chǎn)生了諧波電壓，諧波電壓對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生了不良影響。

　　諧波電壓對(duì)其他設(shè)備造成的不良影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　數(shù)字控制設(shè)備，PLC、數(shù)控機(jī)床等，發(fā)生誤動(dòng)作;

　　信號(hào)采集系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x器等的精度降低;

　　電動(dòng)機(jī)發(fā)生抖動(dòng)、過(guò)熱。

06導(dǎo)致意外跳閘

　　諧波電流導(dǎo)致的一個(gè)典型故障現(xiàn)象是意外跳閘，也就是電路的負(fù)荷遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到額定負(fù)荷的狀態(tài)下，電路保護(hù)裝置就會(huì)動(dòng)作。

　　諧波電流導(dǎo)致電路保護(hù)裝置意外動(dòng)作的機(jī)理取決于電路保護(hù)裝置工作原理。由于電路保護(hù)裝置的種類繁多，工作原理各異，深入分析他們誤動(dòng)作的機(jī)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?yàn)殡娏鞣逯颠^(guò)大，導(dǎo)致電路保護(hù)裝置動(dòng)作。通過(guò)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(shí)間短，要輸出同樣的功率，脈沖電流的幅度就必須高。換個(gè)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(shuō)，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(yuǎn)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(fù)載的大小等因素有關(guān)，大約在2~3倍。如果電路保護(hù)裝置是通過(guò)檢測(cè)峰值電流來(lái)動(dòng)作的，就會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。

　　當(dāng)電路保護(hù)裝置的觸發(fā)條件中包含負(fù)序電流時(shí)，如果電流中包含較大的負(fù)序諧波電流成份(例如5次諧波電流)，電路保護(hù)裝置可能會(huì)被觸發(fā)。

07導(dǎo)致額外的能量損失

　　諧波電流導(dǎo)致額外的電能消耗主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：無(wú)功功率和電阻損耗。

　　功率等于電壓和電流的乘積。只有當(dāng)電壓與電流同頻、同相時(shí)，也就是電壓與電流具有相同的頻率與相同的相位時(shí)，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(wú)功功率。

　　諧波電流流過(guò)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(lái)自發(fā)電廠。因此，如果減小了諧波電流導(dǎo)致的各種發(fā)熱，也就是節(jié)省了能量。

　　由于大量使用電力電子設(shè)備，變頻器，中頻爐等，諧波電流的危害已經(jīng)成為最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題。解決諧波電流危害的最有效方法就是在諧波源的位置消除諧波電流。這時(shí)，上述7個(gè)方面的問(wèn)題都迎刃而解。如果限于條件，只能在母線上采取措施，則有些故障現(xiàn)象可能不會(huì)消失。

　　在諧波源處消除諧波電流的最有效方法是安裝HTHF諧波濾波器。HTHF諧波濾波器適用于各種三相六脈整流電路的設(shè)備，即連即用，不需要任何調(diào)試，是解決諧波電流的理想設(shè)備。

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