淺談電子設(shè)備諧波問題分析論文
一、電子設(shè)備的諧波現(xiàn)象及原因
電子設(shè)備的電源一般是整流電源，只在交流電壓接近峰值時，整流管才導(dǎo)通有輸入電流。由于在一周期內(nèi)導(dǎo)通的時間很短，又必須維持設(shè)備正常的工作電流，所以輸入電流呈脈沖狀。這種脈沖狀輸入電流的基波含量小，而諧波含量大，且工作電流越大，脈沖電流的幅值就越大，形成嚴(yán)重的畸變電流注入低壓電網(wǎng)，成為不可忽視的諧波源。
電子計算機(jī)和電視機(jī)的諧波電流含量大，諧波電流總畸變率高。這樣高含量的負(fù)載諧波電流在負(fù)荷使用高峰期注入低壓電網(wǎng)，會造成電網(wǎng)電壓和電流總諧波畸變率升高，對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，如果超過國標(biāo)規(guī)定的限值，還可能造成危害。
據(jù)有關(guān)資料，在家用電器（主要是電視機(jī)）集中使用的居民小區(qū)，對低壓電網(wǎng)的電壓質(zhì)量有明顯的影響。在負(fù)荷高峰時，電壓的總畸變率和3次、5次諧波均已達(dá)到或超過國標(biāo)規(guī)定的限值，而且還有進(jìn)一步增加的趨勢。
二、諧波對電力系統(tǒng)設(shè)備的影響
電網(wǎng)諧波使電網(wǎng)波形受到污染，供電質(zhì)量惡化，附加損失增加，傳輸能力下降，是電網(wǎng)的公害。其對系統(tǒng)和設(shè)備的影響主要表現(xiàn)在幾方面。
1．對變壓器和電動機(jī)，諧波電壓使鐵芯渦流損耗增加，諧波電流使銅損增加，溫度上升，絕緣加速老化，降低了效率和利用率，縮短使用壽命。目前為了抑制3次諧波，常用Dyn11接線的變壓器，使3次諧波在三角形連接繞組中形成環(huán)流，盡量不注入電網(wǎng)。但應(yīng)注意，當(dāng)諧波含量較大時，這些環(huán)流也可能引起變壓器繞組過熱。
2．在諧波電壓作用下，電容器會產(chǎn)生額外的功率損耗，加快絕緣介質(zhì)的老化。更為嚴(yán)重的是，大量諧波電流很可能引發(fā)電容器和系統(tǒng)其他元件之間的并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，造成對某次諧波電流的放大和諧波電壓的增高。這種危險的諧波過電壓和過電流，不僅會使電容器超載而損壞，也會使與電容器聯(lián)接的配電回路中所有線路、設(shè)備因電壓閃變超壓過負(fù)荷而損壞。據(jù)統(tǒng)計，70％以上的諧波故障發(fā)生在電容器裝置上。
3．對電力電纜和配電線路，諧波電流頻率增高引起明顯的集膚效應(yīng)，導(dǎo)線電阻增大，線損加大，發(fā)熱增加，絕緣過早老化，容易發(fā)生接地短路故障，形成潛在的火災(zāi)隱患。同時，3次諧波使三相平衡負(fù)荷的N線電流顯著增加。在配電回路負(fù)荷主要是大量集中使用電子計算機(jī)和大面積采用電子節(jié)能氣體光源照明的場合，N線電流甚至達(dá)到相線電流的兩倍，致使N線過熱、燒毀，甚至導(dǎo)致火災(zāi)。
4．配電回路的諧波電流含量高會使斷路器遮斷能力降低。這是因為畸變電流過零點時，電弧電流隨時間的變化率要比工頻正弦電流大，電弧電壓的恢復(fù)要迅速得多，使電弧容易重燃。事實表明，空氣電磁斷路器不能遮斷其分?jǐn)嗄芰Ψ秶鷥?nèi)波形畸變率超過50％的故障電流，還會導(dǎo)致斷路器損壞。
5．諧波對電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)、計量儀表以及通信系統(tǒng)的設(shè)備、信號產(chǎn)生干擾和損害。
三、國家諧波標(biāo)準(zhǔn)限值
為了抑制諧波污染，保證電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，近幾年來國家先后制定了一系列電磁兼容和安全的國家標(biāo)準(zhǔn)，對諧波的限值作出了明確的規(guī)定。在《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T14549－93）中，對0.38KV低壓電網(wǎng)諧波電壓和諧波電流限值的規(guī)定如表三、表四：
這些標(biāo)準(zhǔn)的`實施，為電子設(shè)備產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢測，供配電設(shè)計以及供用電的監(jiān)督管理提供了依據(jù)。
四、減小諧波影響的措施
1．在民用建筑低壓配電設(shè)計中，尤其是對用電負(fù)荷主要為單相用電設(shè)備供電的配電干線，中性線（N）的截面積不應(yīng)小于相線截面積。而對大量集中使用計算機(jī)、電視機(jī)等電子設(shè)備供電的場合，TN系統(tǒng)配電回路的N（PEN）線的截面積不應(yīng)小于相線截面積的2倍，以增加N線載流量，避免導(dǎo)線過載發(fā)熱而損壞。
2．對應(yīng)用電子設(shè)備和元件較多的配電線路保護(hù)，應(yīng)選用有中性線過流保護(hù)的開關(guān)電器，并且應(yīng)適當(dāng)加大斷路器的斷流容量，防止短路故障時因斷流容量不足損壞開關(guān)和設(shè)備。
3．為防止電力電容器對諧波的放大，以致引起諧振過電壓或過電流，對電容器的設(shè)置要注意以下幾點：①適當(dāng)調(diào)整電容器的安裝位置，以改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。②根據(jù)可能產(chǎn)生諧振的諧波次數(shù)，確定電容器的容量，或調(diào)整電容器投切分組容量，以避開諧振點。③在電容器回路中串聯(lián)適當(dāng)?shù)目招碾娍蛊鳎拗齐娙萜髦返闹C波電流。例如，為限制3～5次諧波電流，可安裝相當(dāng)于電容器容量4％～6％的串聯(lián)電抗器。
4．在系統(tǒng)中并聯(lián)裝設(shè)交流濾波器。交流濾波器有無源與有源之分，由于民用建筑中負(fù)荷類型變化不大，電子設(shè)備產(chǎn)生的諧波次數(shù)相對比較固定，因此多采用無源濾波器。
對低次數(shù)（13次以下）諧波，因次數(shù)較低，含量較大，可分別設(shè)置單一頻率的單調(diào)諧無源濾波器濾除。單調(diào)諧濾波器由電容器串聯(lián)諧波電抗器組成，基本原理是將需濾除的諧波頻率作為理想的調(diào)諧點，在此頻率上濾波器產(chǎn)生串聯(lián)諧振，形成低阻通路吸收大部分諧波電流。
對較高次數(shù)（13次及以上）諧波因其幅度小，可選一共同的高通濾波器濾除。最常用的高通濾波器是二階高通濾波器，由電抗器、電阻和電容器混聯(lián)連接構(gòu)成。對某一次（如13次）諧波頻率以上的各次諧波，濾波器的阻抗是一個小于其電阻值的低阻通路，使次數(shù)較高的諧波電流被有效地吸收。
現(xiàn)在有的廠家（諾基亞、深圳海億達(dá)等）已可提供有源濾波器。有源濾波器基本原理是作為一個電流源，與負(fù)載諧波源并聯(lián)，以極快的響應(yīng)速度，送出與負(fù)載諧波電流幅值相等，相位相同，方向相反的電流，使兩者相互抵消，電源側(cè)的總諧波電流為零。有源濾波器還可補(bǔ)償無功功率和三相不對稱電流。目前由于價格較高，補(bǔ)償容量較小（單臺補(bǔ)償電流100A以下），所以僅適用于對供電質(zhì)量要求很高（如重要建筑物的中央監(jiān)控系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)等）的場所使用。
5．加強(qiáng)對電子產(chǎn)品生產(chǎn)的管理、檢測和監(jiān)督，鼓勵廠家采用有源功率因數(shù)校正等新技術(shù)，生產(chǎn)低諧波值的電子產(chǎn)品。從源頭對諧波污染進(jìn)行治理，這是最根本的措施。
參考文獻(xiàn)
1.薩本永《諧波電流引起零線電流偏大過熱問題探討》安全與電磁兼容2001年第2期
2.林海雪、孫樹勤編著《電力網(wǎng)中的諧波》中國電力出版社1998
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