三次諧波的來源

三次諧波電流主要來自于單相整流電路。

圖示的是一個典型的單相整流電路，電路中的電容是平滑電容，大部分整流電路中都包含這個電容，否則直流電壓的紋波很大。這個電容是導致三次諧波電流的主要原因。

熟悉電路的人都知道，平滑電容的電壓被充電到交流電的峰值后，就維持在交流電峰值附近。當交流電的電壓低于電容上的電壓時，電網(wǎng)上沒有電流流入負載。這時，負載的電流由電容供給，隨著輸出電流，電容的電壓開始降低，在某個時刻，交流電的電壓會高于電容上的電壓，這時，電網(wǎng)上才會有電流流入電容(給電容充電，使電容上的電壓升高)和負載中。因此，電網(wǎng)僅在接近電壓峰值的時刻向負載輸入電流，電流的形狀為脈沖狀。

通過付立葉分析可知，這種脈沖狀的波形包含豐富的三次諧波成分。

3次諧波的典型故障

上圖是一個典型的配電系統(tǒng)。首先，建筑物的電力入口處是一臺變壓器，將中壓電(一般為10kV)變?yōu)榈蛪弘?。變壓器的初級?Delta;形接法，次級為Υ接法。然后，通過不同的配電柜(箱)給建筑物中的不同負載供電。在布線時，要充分考慮三相負荷的平衡性。通常，零線的截面積與相線是相同的，有些建筑物中零線的截面積小于相線的截面積。

在這個系統(tǒng)中，3次諧波電流造成的危害具有十分典型的特征，當遇到以下這些故障現(xiàn)象，并且能夠確認負荷的種類屬于單相整流電路時，就可以初步判定是3次諧波電流的問題：

1. 變壓器的初級繞組溫度很高，盡管變壓器還沒有達到額定的功率。這是由于3次諧波電流在初級繞組中形成環(huán)流所致。

2. 過流保護裝置意外動作，雖然實際電流并沒有達到保護的閾值，這是由于包含3次諧波的電流在同樣有效值的條件下具有更大的峰值。

3. 零線電流超過相線電流，盡管3相的負荷平衡，往往導致零線過熱。這是本文要重點討論的一種現(xiàn)象。

三次諧波引起跳閘

上圖是單相整流電路中的電流波形。

常識告訴我們，電流的持續(xù)時間短了，要保持一定的有效值，就必須具有更高的峰值。

這個圖中所顯示的是一臺1500W的設備，按照正弦波電流計算，電流的有效值應該為7A左右，峰值電流為10A左右，但是，這里的峰值達到了60A。

這就會導致通過檢測峰值電流工作的保護裝置誤動作。

案例1：

某火鍋城，使用電磁爐加熱，當客人較多時，頻繁跳閘。而配電箱的設計容量已經(jīng)留出了2倍的余量。

案例2：

某軟件公司，使用數(shù)百臺電腦，頻繁出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象。

三次諧波引起變壓器過熱

諧波電流在流過變壓器時，會造成變壓器的損耗增加，從而導致變壓器的溫度過高。其中，三次諧波電流造成變壓器過熱的情況最為嚴重。當負載全部為信息設備和節(jié)能燈時，變壓器的容量往往僅能達到銘牌上標稱容量50%。

造成這種現(xiàn)象的原因是變壓器的結構。三相四線制配電系統(tǒng)中的變壓器的結構都是Δ/Υ結構。當變壓器的負載端有三次諧波電流時，三次諧波電流會耦合到變壓器的初級側。這種結構的變壓器不會將三次諧波電流發(fā)射到上游電網(wǎng)(這可能是一個優(yōu)點)，但是，三次諧波電流也并不抵消，而是在變壓器的初級Δ繞組中形成環(huán)流，這種環(huán)流的幅度會很大，從而產(chǎn)生很大的熱量。

為了防止變壓器的溫度過高，很多人采用K因子變壓器，這種變壓器實際就是一種冗余量很大的變壓器，通過增大變壓器的容量來降低溫度。

歐美國家開始采用消諧波變壓器，這是通過消除三次諧波環(huán)流來實現(xiàn)的。不僅能夠降低變壓器的溫度，并且具有顯著的節(jié)能效果。從上圖中可以看出，消諧波變壓器的溫度遠低于普通變壓器，減少的發(fā)熱量就是節(jié)省的電能。

三次諧波引起零線過熱

三次諧波電流引起的另一種典型故障就是零線過熱。

圖中所示的是開關柜中零線電流過大導致過熱的情況。上面的一組是可見光照片，可以看到零線過熱的情況。左面的是零線的絕緣層嚴重老化，右面的是零線的接線銅排嚴重氧化。這都說明零線處于高溫下。

下面的圖中，展示了紅外線圖象。右面的圖像為可見光照片，雖然零線仍然完好，但是左面的圖像告訴我們，他的溫度已經(jīng)超過了相線。長時間的高溫，會加速絕緣層老化。

造成零線過熱的原因就是零線電流過大。零線不同于相線，他沒有過流保護裝置，因此在電流過大的情況下，不會進行保護，只能任憑發(fā)熱。

變壓器過熱的情況容易引起維護人員的警覺，并且可以通過增大變壓器的容量，或者增加外部散熱的方式進行降溫。而零線過熱的問題往往被維護人員忽略。

電纜過熱往往是電氣火災的隱患。因此，對于零線過熱的情況必須足夠重視。

零線電流過大現(xiàn)象

從上一頁，我們觀察到了零線過熱的現(xiàn)象。零線電流是導致零線過熱的原因。實際測量表明，零線電流過大的現(xiàn)象并非罕見。

上圖中的數(shù)據(jù)是在不同的建筑物中測量的結果。其中，建筑物1、4、6中，零線電流已經(jīng)大大超過了相線電流。

零線電流過大的后果是導致零線溫度過高。這實際是三次諧波所導致的。前面我們已經(jīng)闡述了三次諧波電流的來源，主要是單相整流電路為代表的非線性負荷產(chǎn)生的?，F(xiàn)代建筑物中，由于大量使用電子信息設備、節(jié)能燈等非線性負荷，會產(chǎn)生很大的3次諧波電流。結果就是導致零線電流過大。

這是一個十分可怕的事實。因為電流流過導體時要產(chǎn)生熱量，熱量與電流的平方成正比(I2R)，當電流達到相線電流的1.5倍時，零線的發(fā)熱量會達到相線2.25倍!

另一個可怕的事實是，在一般配電系統(tǒng)中，雖然相線上有過流保護裝置，而零線上并沒有過流保護裝置。過大的電流必然會導致零線過熱，釀成火災隱患。

三次諧波電流在零線上的疊加

我們對零線電流過大的現(xiàn)象已經(jīng)有了充分的了解。那么，這種現(xiàn)象是怎樣形成的呢。傳統(tǒng)的電工理論告訴我們，當三相電路的負荷平衡時，零線上的電流為零，或者很小。為什么現(xiàn)在這個理論不對了呢。

這是因為，僅當三條相線上的電流波形為正弦波，并且它們相差120°時，如果三相線上的電流幅度相同，才能保證在零線上矢量疊加的結果是總和為零。

我們知道，單相整流電路的電流是脈沖狀的。如果三條相線上的電流是脈沖狀的，結果如何呢。

上圖給出了結論。他們在中線上雖然也是疊加，但是相互錯開，無法抵消。并且中線上的脈沖電流的數(shù)量是相線上的脈沖電流數(shù)量的3倍。

從圖中可知，中線上的電流脈沖數(shù)是相線上的電流脈沖數(shù)的3倍，根據(jù)電流有效值的計算方法，中線上的電流會達到相線的1.7倍。如果整流電路的電流的脈寬大于60°，就會在中線上發(fā)生重疊現(xiàn)象，這時中線上的一部分電流發(fā)生抵消，實際的零線電流會小于相線電流的1.7倍。

前面我們從電流波形的角度解釋了單相整流電路必然導致零線電流過大的的現(xiàn)象。

讀者可能還會有疑惑，為什么零線上的諧波電流以三次為主呢。這是因為兩個原因。第一，單相整流電路產(chǎn)生的諧波成分中，以三次為最大，三次諧波畸變率通常達到80%以上。

第二，其他次數(shù)的諧波電流在零線上會有抵消的效果，唯有三次不會。

單相整流電路產(chǎn)生3次諧波電流，由于三相電的每相基波電流之間相位相差120°，因此3次諧波電流的相位相差360°(3×120° =360°)，對于交流電而言，相位相差360°意味它們是同相位的。

因此，3次諧波電流在零線上是算數(shù)疊加的。這就是三次諧波的特殊性。

讀者可能會想到，不僅三次諧波具有這樣的特性，只要是基波頻率3倍頻率的諧波都應該具有這樣的特性。確實如此，這些頻率是基波頻率3倍的諧波稱為3倍頻諧波，他們在中線上都是算術疊加的。但是6、9次以及更高的3倍頻諧波很小，甚至沒有，因此不予考慮。

解決三次諧波的方法

前面討論了三次諧波的危害。讀者可能更關心如何解決這些問題。雖然市場上有很多解決方法：陷波電路的無源濾波器、曲折變壓器、有源濾波器、零線諧波阻斷器等，但是，綜合各種方法的優(yōu)缺點，航天綠電推薦有源濾波器和零線阻斷器兩種方法。這兩種方法行之有效，并且沒有明顯的負作用。

1. 有源濾波器(PSW)：當對電壓畸變率有較高的要求時使用。需要注意的是，有源濾波器僅對其安裝位置的上游有作用，對于下游沒有任何效果。因此要注意安裝的位置。不能安裝在變壓器的下端，這樣僅能夠降低變壓器的溫度，對于降低零線溫度沒有任何作用。有源濾波器的方案的缺點是成本很高。

2. 零線諧波電流阻斷器(NBF)：如果對于電壓畸變率沒有嚴格的要求，僅是為了消除3次諧波電流的種種不良影響，使用零線諧波電流阻斷器是性價比最高的方法。只要在變壓器的次級安裝一臺NBF，就能夠保護整個系統(tǒng)免受三次諧波電流的危害。但是NBF作用僅在于消除3次諧波電流的影響，對于改善整個系統(tǒng)的電能質量效果很小。

用PSW解決3次諧波電流

用有源濾波器解決諧波的問題是個理想的方案。但是需要注意的是，有源濾波器僅對上游的線路具有清除諧波的效果，而對于下游線路沒有任何效果。

因此，如果采用有源濾波器的方法，就要在分配電箱處安裝。如果僅在變壓器的下端安裝，就對變壓器具有保護作用，而對零線沒有任何效果。

如果分配電箱中有繼電保護裝置，則這些繼電保護裝置仍然可能出現(xiàn)誤動作的現(xiàn)象。