低压供电网络中的谐波危害

低压供电网络中的谐波危害

一、引言

谐波的产生与危害各类电工基础理论早已有过研究及论述，由于电子装置还未广泛和大量应用，谐波的污染还不明显，也未引起人们的重视。随着近年电子技术的在玻璃行业的广泛大力推广，尤其是变频、软起动、不间断电源、整流、可控硅开关装置在拖动，电加热、水泵，风机上大量应用，给生产带来极大的便利，尤其是变频器的卓越性能,在工控中不断受到人们的青睐，节能效果更是了得。但是随之产生的谐波问题在供电系统中的逐步暴露了出来，为什么计量仪表抖动失准，容易损坏，断路器容易烧损触头、电容器鼓肚、PT绝缘击穿、低压电力电缆零线易发热击穿造成相间短路，电动机绕组局部发热击穿短路和寿命降低，给生产给设备造成了不可估量的损失，这些奇怪现象不得不引起我们注意，探索及去寻求合理的解决办法。据本供电系统中在装有上述设备以后的谐波计算与分析情况看，其中大部分设备运行中有3，5、6、7、9、次谐波注入系统，个别设备还有11、13次谐波产生。由于高次谐波对电气设备的正常运行具有非常的危害性，电机局部绕组发热击穿短路和寿命降低等问题在本电力系统中就时有发生，其所造成的损失已不胜枚举。实际上，各次谐波危害是有所不同的，是需要进行甄别的。

二 非正弦波

我们知道，在电力系统中，由电网提供的电能是由发电机发出的电能经过变电装置，输电线路向用户传送的。当然，我们也总是希望传送到用户的交变电压电流是正弦波形，正弦电压表示为：

u（t）= sin（ω+φ）

就电力系统而言，正弦电压施加在线性无源电阻，电感和电容上其电压分别为比例积分和微分关系。呈现同频率的正弦波，正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变成非正弦波，非正常电流在电网阻抗上产生压降其波形也变成非正弦波。

无论电压，电流因为电力系统各类参数变化而如何产生畸变，它们仍然是呈现非正弦周期波形。对于一个非正弦周期量u（ωt），利用傅里叶级数展开为各种不同频率的正弦分量与直流分量：

式中：F0为直流分量，Fm1sin(ωt+φ1)为基波分量；Fm2sin(2ωt+φ2)为二次谐波分量，余下类推。所有n≥2的各次谐波习惯上称高次谐波。Fm1﹑Fm2．．．Fmn分别为各次谐波的振幅，φm1﹑φm2…φmn 分别为各次谐波的初相角。

从傅里叶级数展开式中，我们可以看到，谐波是一个周期电气量中频率为大于1的整倍数基波频率的正弦分量。由于谐波频率整数的高于基波频率，那么谐波就必定对基波频率的电气设备产生危害，这是不言而喻的。此外，傅里叶级数展开的算式，其最大特点是将电动势分解为直流分量与各次谐波分量之和。而且级数是逐次收敛的，谐波次数越高，振幅越小。所以﹐在分析谐波时，高次谐波取到哪一次，还得根据实际谐波源产生的谐波情况确定。

在众多的电气工程中，常见的非正弦波基本上由直流分量与谐波分量两部分构成，但也有一些波形不含直流分量。我们可从如下图表中的几种波形进行分析。

从图表给出的波形分析数据我们可以清晰的看到，在常见的波形中：

1、尽管波形不同，但在富里叶级数展开式中不同次数的谐波都有一个相同振幅Fm为考量。

2、不同的波形，它们的谐波结构是不同的，呈奇次或偶次。

3、随着谐波次数增加谐波含量将急剧降低。

4、有了不同波形展开式，我们在电路中计算不同次数的谐波就容易多了。

三 三相四线低压供电系统中的谐波危害

在三相四线低压供电的电力系统中，已证实为谐波源的大量的电子元件如变流设备，整流器，逆变器，变频器，软起动器，晶体管开关电路，各类不间断电源，节能电器．．．加入电力系统，因此低压电力系统就成了谐波重要滋生源，一部分谐波注入上一级供电系统，另一部分谐波则就地危害电器设备。下面我们将在此文中将谐波对低压电力电缆危害着重介绍一下，以求探索更好的防治办法。

零序谐波危害实例1：

本公司有两条长度400M的VLV-3×150+1×50低压电力电缆，负荷为水泵。这两条电缆都是因零线局部发热而损坏，第一条电缆上分别挂135KW 变频器1台，第二条电缆挂40KW变频器+40Kw电机计2台，两条电缆中线通过基波电流不过20安培，中线为什么会发热，因绝缘软化最后造成相-零，相间短路。这些电缆都是直埋于地下，穿梭于建筑物之间，不可能更换，只能修复。

经核查变频器的电路是（ＶＳＩ）交－直－交结构，即变频器电源入口是桥式全波整流。

从本文附表中的全波整流傅里叶级数展开式中我们就清楚得出，全波整流电路可分解出３、６、９次谐波…，而且与我们实测结果无异。

在对称的三相电路中，相电压、电流依次相差２ ／３角度，以相电压为例。三相电压可以表示为：

对上面的式子进行分析，将谐波n为３、６、９时分别代入式中，此刻出现三相电压的谐波大小和相位都相同，为零序谐波。在三相对称的系统中，3的整数倍谐波是可以自行消除的，无须考虑的。但是，这些零序谐波在三相四线电路中经过单相负载支路，是要从中性线中通过的。而我们也清楚：零序谐波频率都高于基波的，在常规的设计中与制造业中，电力传输线的中性线都是小于相线的，电力电缆的中性线导线截面一般也只有相线截面１／３,就是没有考虑谐波的影响。

在趋肤效应的作用下谐波高频电流都挤在导线的表面通过，从而减少了导体的有效面积，提高了导体电阻。其次，零序电流流过中性线时，导体表面的电流密度还要受相线中起它交变电流的影响，这就是著名的邻近效应 理论。邻近效应的作用也使得中性线表面局部电流密度增大，中性线总的导电面积进一步减少，有效电阻增大，中性线导体局部发热就成为可能。这就是中性线在谐波的作用下容易发热的原因，如果中性线有接头，中性线发热损坏的概率要提高好几倍。所以在具体的工程中要充分考虑计算负载情况，如果有谐波源的，中性线截面要适当加大，也可采相应措施减少谐波，必要时要设滤波装置。

从零线的工频电流来看，数值并不是太大，导线却在发热，这是必须引起重视的。说明在谐波电流作用下导线载流量已经大打折扣，不能再用工频电流来衡量了，下表测到零序电流说明问题所在了。

谐波危害电缆实例2：

另一条长度150M的YJV-3×150+1×70两条并接低压电缆，中线流过的基波电流不过20安培，是不可能发热的，同样因C相电缆线局部发热绝缘层损坏最后导致零-C相，短路,造成其中一条电缆局部损坏。这条电缆上挂有3×40KW的软起动器，2台18KW电机及部分节能灯具。总的工作电流约280安培，如果从传统经验来说，相线流过这么小的电流是导线不会发热的。

我们分析了一下，电路里能产生谐波的只有软起动器，而软起动器的结构是由串接于电源上被控电机之间三相反并联晶闸管，利用晶闸管的开关特性，通过调节晶闸管导通角来调节输出电压大小进行调压的，最后达到控制电动机的起动过程。软起动器实际应用时一般有两种连接方式：方式1是电机起动工作完成后用外置接触器动触头将晶闸管短接起来，电机直接全压运行。方式2是电机软起动后由起动器自身保持全压运行。而实际使用的是方式2的运行模式。

由于软起动器所带的负载电动机是星形接法的调压电路，那么就可以对负载的相电压进行傅里叶分解。并写为傅里叶级数的形式。以a相电压为参考，因其波形关于原点对称，故不含余弦相。即

软起动器输入电流基波和各次谐波的含量与起动器的结线方式，负载类型，负载的连接形式的不同是有区别的，从以下两曲线图比较不难看到：电路控制的三角形联结输入电流中各次谐波的含量小于与星形联结输入电流中各次谐波的含量。随着谐波次数的增加谐波的含量急剧的在减少，一般来讲，在对称三相负载中，软起动器产生的是奇次谐波，而且含量稍微大的是9次以下谐波。

这些谐波与基波迭加后使波形畸变，波形不再是正弦形状。输入电机后电机噪音和震动明显变大，由于趋肤效应原因电缆的运行温度也提升了不少。

软起动器负载两种移相控制三相调压电路输入电流各次谐波

a) 三相星形连接 b) 三相三角形连接

这两条电缆上正常时的工频工作电流310A，实测电机稳态时谐波电流：5次88.5A ,7次32.1A, 11 次 24.4A。

四 消除谐波的措施

消除谐波的方法：

1）消除谐波对设备危害,采取那个方式更为简便,更为经济呢?毫无疑问是将产生谐波的电子装置在完成任务后尽快退出工作,彻底消除谐波源。为此，我们对软起动器工作电路进行相应的改动，给软起动器加了一个交流接触器，利用接触器的主触头，在起动器完成起动任务后将其短接起来，使其退出运行。这就有效的减少谐波的产生，不用说，这个效果还不错。最直接的收效是电机电磁噪音，震动，发热量，明显降低。修复后的电源电缆工作温度降低15ºC左右，运行正常。

2） 因为中线的零序谐波是从相线上分流过来的。3的整倍数谐波大部分在三相电路中会自然消除,由于不对称负荷的影响才产生分流，因此，对于3的整倍数谐波亦即零序谐波最好办法是使它们留在三相电路里，少向中线分流,这么一来中线因谐波发热问题就会减轻许多。

电缆中线上的零序电流限制或分流办法是：在电缆中线末端串上一个电抗器，以此来增加中线阻抗并达到限制谐波流入量。为了便于分析与计算，我们不妨用虚拟方法将三相四线中的某一相线与中性线的自身阻抗视为电路中并列运行的两个阻抗Z1与Z2，XL是待加串在中线上的限流电抗。

核查VLV22-3 150+ 1 50电缆相线阻抗:X1=0.063mΩ/m 400m=25.2 mΩ R1=0.256 mΩ/m 400m=102.4 mΩ 中线阻抗X2=0.170 mΩ/m 400m=68 mΩ R2=0.768 mΩ/m 400m=307.2 mΩ

计算步骤一 ： 经计算整理后得: Z1=105.45 mΩ Z2=314.63 mΩ

已实测得最大中线零序电流：I2=55.1 （A）

据并联阻抗分流原理求得I=218.65 （A） I1=163.55 （A）

计算步骤2： 计算XL的最佳值

从运行的可靠和安全度来考虑，中线的谐波载流量不超过导线额定值的1/3较合适，同时要兼顾基波电流的迭加因素。因此中性线为50mm2的谐波可靠载流量定为In=30A，以此找出分流作用的电抗XL。 在这里将串入XL后的中性线阻抗写为:

由于是要在电缆中线上串电抗器，目的是对谐波进性分流，阻流，以减少中线谐波的流入量。对电抗值的误差要求不是太高，因此电抗的无功容量也无须过大，几乎不会消耗很多能量。因而选L=1.7mH, Q≥1KVAR即可满足要求。在实际的运用过程中，很难按计算的结果选购电抗器，而须定制。市面上常见的用树脂浇绝缘的XD1型电抗器体积就非常小，选择容量的范围比较宽，安装十分方便。我们按要求选用了XD1，很方便的装了上去。最后测试：中线零电流下降值< 20A，收到了预期效果。

五 结语：

当今，国民经济高速发展，不同的行业都在加速大量使用电力电子装置，以及发生谐波的其它电器装备，造成了日益严重的谐波污染问题，尝到了谐波危害的苦头，使我们深深感到谐波的综合治理已迫在眉睫。我们知道解决谐波污染问题的基本办法无非有两条，一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波都适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波。对于后一条，目前仍然是一个艰难的需要长时间来解决的问题。务实的办法是因地制宜，根据本电力系统的实际研究解决谐波问题。

对谐波的治理，我们也仅仅是在开头，在研究吸收前人的基础上力图寻找更可靠，更经济，更简洁的办法。虽然，在本低压电力系统中，谐波的危害还有许多许多，谐波治理是一项复杂工程。已采用滤波器的方式进行抑制经验还要进一步完善和总结，有待下一文请各位行家斧正 。

参考文献

1、俞大光编高等学校教学参考书[电工基础]1981年

2、电机工程手册[电工基础]第二篇机械工业出版1978年

3、张选正,张金远编著[ 变频器应用经验] 2005年5月

4、王兆安等编著,[谐波抑制和无功功率补偿]，2006年

5、许克明，徐云等编著[电力系统高次谐波]重庆大学出版社1991

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xct4.html