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领步讲堂:三次谐波的主要危害

返回列表来源:领步电能质量发布时间:2016-03-11加入收藏关注:-

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        下图是一个典型的商业用电配电系统。首先,建筑物的电力入口处是一台变压器,将中压电(一般为10kV)变为低压电。变压器的初级为Δ形接法,次级为Υ接法。然后,通过不同的配电柜为建筑物中的不同负载供电。在布线时,要充分考虑三相负荷的平衡性。

典型办公楼三次谐波来源

 3次谐波的典型故障

         通常,零线的截面积与相线是相同的,有些建筑物中零线的截面积小于相线的截面积。在这个系统中,3次谐波电流造成的危害具有十分典型的特征,当遇到以下这些故障现象,并且能够确认负荷的种类属于单相整流电路时,就可以初步判定是3次谐波电流的问题:

         1. 变压器的初级绕组温度很高,尽管变压器还没有达到额定的功率。这是由于3次谐波电流在初级绕组中形成环流所致。

         2. 过流保护装置意外动作,虽然实际电流并没有达到保护的阈值,这是由于包含3次谐波的电流在同样有效值的条件下具有更大的峰值。

         3. 零线电流超过相线电流,尽管3相的负荷平衡,往往导致零线过热。这是我们要重点讨论的一种现象。

三次谐波引发变压器发热


3次谐波引起变压器过热

         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Z为严重。当负载全部为办公设备和节能灯时,变压器的容量一般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3次谐波电流时,3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,但是,3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。

三次谐波引发零线过热

三次谐波引起零线过热

         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。

三次谐波叠加

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。

         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。

         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。

         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。

         前面我们从电流波形的角度解释了单相整流电路必然导致零线电流过大的的现象。

读者可能还会有疑惑,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Z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。

         您可能会想到,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。


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