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如何解决三次谐波问题?

返回列表来源:领步电能质量发布时间:2017-03-16加入收藏关注:-

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           我们在长期的工程实践中,经常发现零线电流过大,大约等于相线电流,有时达到相线电流的1.7倍;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?其实这是因为3次及3次成倍数的谐波电流在零线上的叠加。下面就三次谐波产生的原因、危害及解决方法做一个详细的分析。

           一、三次谐波产生的原因

           三次谐波电流主要来自于单相整流电路。
           图1 是一个典型的单相整流电路,电路中的电容是平滑电容,大部分整流电路中都包含这个电容,否则直流电压的纹波很大。这个电容是导致三次谐波电流的主要原因。

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 图1    三次谐波的来源

         熟悉电路的人都知道,平滑电容的电压被充电到交流电的峰值后,就维持在交流电峰值附近。当交流电的电压低于电容上的电压时,电网上没有电流流入负载。这时,负载的电流由电容供给,随着输出电流,电容的电压开始降低,在某个时刻,交流电的电压会高于电容上的电压,这时,电网上才会有电流流入电容(给电容充电,使电容上的电压升高)和负载中。因此,电网仅在接近电压峰值的时刻向负载输入电流,电流的形状为脉冲状。通过付立叶分析可知,这种脉冲状的波形包含丰富的三次谐波成分。


          二、产生三次谐波的主要负载

          当今社会几乎所有的电子电路都需要用直流供电来工作,因此整流电路无处不在。其中对配电系统造成巨大影响的典型设备包括:
         1. 通信设备、UPS电源
         2. 电脑为代表的信息设备、办公自动化设备
         3. 大型医疗设备
         4. 电视机为代表的家用电器,特别是变频空调、电磁炉等
         5. 节能灯、调光灯等照明设备
         6. 大尺寸的LED屏幕
          电视机和计算机的电流为很窄的脉冲波,这是很典型的单相整流电路的电流波形,实际上,任何使用开关电源作为直流电源的设备都会产生这种电流的波形。这是三次谐波电流的主要来源。
          目前大量使用的大尺寸LED屏幕,采用很多开关电源并联供电,因此LED屏幕产生的3次谐波电流很大。调光灯通过控制可控硅的导通角来控制电压的有效值。因 此,他的电流也不是正弦波,而是左下图所示的波形。这种波形有很陡的上升沿,因此还包含较高次数的谐波。节能灯也是目前常见的负载,他的电流也是脉冲状的。实际上,现代建筑物中,节能灯导致的三次谐波电流已经成为主要的危害。

            三、三次谐波引起的故障

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图二    3次谐波的典型故障

      1. 三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。当负载全部为信息设备和节能灯时,变压器的容量往往仅能达到铭牌上标称容量50%。
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. 三次谐波引起跳闸
       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. 三次谐波引起零线过热
       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。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。在一般配电系统中,零线的截面积并不比相线大(甚至更小),超过相线的电流必然会导致零线过热;零线上没有保险装置,不能象相线那样在过流的清况下自动断开。因此,零线上过大的电流必然导致零线过热。

       四、解决三次谐波的办法
       上述提到了三次谐波的产生以及三次谐波容易引起的故障,那么出现了三次谐波的问题该如何解决?目前对于三次谐波的治理,效果比较明显的方法有两种:

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图3    解决3次谐波的办法

       1.有源滤波器(LBAPF)
       当对电压畸变率有较高的要求时,可以使用有源滤波器。需要注意的是,有源滤波器仅对其安装位置的上游有作用,对于下游没有任何效果。因此要注意安装的位置。不能安装在变压器的下端,这样仅能够降低变压器的温度,对于降低零线温度没有任何作用。
       2.三次谐波零线滤波器

           如果对于电压畸变率没有严格的要求,仅是为了消除3次谐波电流的种种不良影响,使用零线谐波电流阻断器是性价比Z高的方法。只要在变压器的次级安装一台LB3NBF,就能够保护整个系统免受三次谐波电流的危害。但是LB3NBF作用仅在于消除3次谐波电流的影响,对于改善整个系统的电能质量效果较小。


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