諧波對電器設備的影響分析

孔小麗

(泰州機電高等職業技術學校，江蘇 泰州 225300)

1 諧波的產生

在理想情況下，電力系統的電壓和電流都是純正弦波，非正弦電流的形成是因為電流流過與外加電壓沒有線性關系的負載。電流與外加電壓在線性元件如電容、電感、電阻的簡單電路中成正比關系，如果外加電壓是正弦的，那么電流也是正弦的，如圖1所示。負載線表示施加的負載和電壓產生的電流之間的關系，圖1所示的電壓波形和電流波形對應于線性負載。需要注意的是，在無功元件的情況下，功率因數變低，電流和電壓波形之間存在相移，但線路仍然是線性的。

圖2是當負載是簡單的電容器和全波整流器時的情況。在這種情況下，電流流動僅在電源電壓超過存儲電容器上存儲的電壓時發生，即接近晶體正弦波電壓的峰值，如負載線的形狀所示。

圖1 電壓波形和電流波形對應于線性負載Tab.1 Linear load of voltage waveform and current waveform

圖2 電容器和全波整流器時的負載情況Tab.2 Loading condition of capacitor and full-wave rectifier

實際上，負載線(這里指的是電流波形)比本例中提到的要復雜得多，它可以是轉彎、滯環或某種不對稱的形狀。斜率也是任何隨負載變化的周期波形可以分解為基頻正弦加上多個諧波頻率正弦。基頻的整數倍正是諧波頻率。例如，當基頻為50赫茲時，二次諧波為100赫茲，三次諧波為150赫茲。諧波電流需要分別研究，因為其在供電系統和設備中產生問題，其影響是不同的[1]。

2 諧波對建筑電氣設計的影響

2.1 對變壓器的影響

諧波對建筑電氣設計特別是對變壓器的影響很大。諧波會產生集膚效應，嚴重影響電壓的輸入和輸出，其結果是變壓器的內標參數會發生一定程度的變化，變壓器電壓的正常輸出和輸入受到嚴重影響。諧波作為電流疊加在變壓器上，使變壓器受到巨大沖擊，降低了變壓器的使用壽命，增加了變壓器的工作強度，增加了建筑電氣設計的負擔。變壓器增加了運行負荷同時損耗也增大，諧波影響了變壓器的正常運行。

2.2 對導體的影響

諧波在建筑電氣設計中對導體也有很大的影響。它影響了導體電源的質量，增加了導體的損耗，很容易使導體發生短路或斷路情況。諧波的影響也會波及到導體，對導體產生不良的影響和巨大損耗，對整個電力系統的影響都很大。諧波的產生也影響了中性線，在一定程度上會導致線路損耗，發生相線過載，對整個電力系統產生巨大的影響。

2.3 對電容器的影響

諧波的出現對于電容器的影響也非常大。由于電容器在測試過程中存在過載和附加損耗，導致整個電氣設計系統的故障。諧波的存在會對整個電氣系統產生大面積的影響，使電氣設計系統中的電容器和氣壓元件產生共振，與電容器相連的設備、系統、線路最嚴重時會出現燒毀的情況，對電容器的影響是非常嚴重的。

2.4 對繼電器的影響

控制和保護設備是根據電氣工作時所施加的電流、電壓的正弦波和工業頻率來設計的。諧波的產生會導致繼電器工作條件受到嚴重干擾，甚至造成操作失誤、停產，嚴重的還會造成安全事故。繼電保護的動作特性受到諧波的影響會降低或者失真，導致保護裝置經常誤動或拒動。根據不同類型繼電器的工作原理和設計性能，諧波所影響的程度也是有差別的。對于整流繼電器，在某些條件下，由于電流中的諧波分量較大，致使輸電線路對地短路，導致整流型保護裝置拒動。對于感應繼電器，因為其動作速度慢、可動部分慣性大，諧波對其影響并不是很大。在磁場的作用下，繼電器中的圓盤或圓筒會產生感應電流，該電流會與空間中的另一個磁場相互作用，產生電磁轉矩，驅動圓柱體或磁盤旋轉。對于電流繼電器，諧波的存在會使阻抗變大、線圈增多，從而引起保護拒動，其動作值總是大于基波的整定值，因此電流繼電器可能誤動作或拒絕動作。對于靜態型繼電器(也常被稱為固態繼電器、靜態繼電器)，其主要是由沒有機械運動的電子器件組成，由于良好的抗干擾和消諧效果，靜電保護越來越受到人們的重視[2]。

3 解決諧波對建筑電氣設計影響的對策

3.1 減少諧波出現的頻次

要從源頭上來控制和減少諧波的出現，這也是減少諧波影響的最主要措施。可以改善電力供應，以抑制諧波對電力系統的影響。通過增加電源可以將電纜的截面進行改善，避免集膚效應的產生，這樣可以很有效地遏制諧波的產生。因為諧波對變壓器的影響很大，要結合實際情況，及時更換新的變壓器。使用和設定專用的變壓器能夠有效抑制諧波的產生，減少其對電氣設計的影響。

3.2 濾波器檢查

濾波器的檢測也是減少諧波對電氣設計影響的有效途徑。根據濾波器的特點，可以分為有源濾波器、無源濾波器和混合濾波器。諧波的產生可以用有源電力濾波器快速檢測出，這也是其較為突出的特點，并能迅速做出反應。它在整個電氣系統中對非線性負荷系統進行了全面的測試，與非線性負載相連，以保證諧波能被及時濾除，減少諧波對電力系統的影響。將無源濾波器與電容器相結合，可以實現檢測和分析某些諧波。采用有源濾波器和無源濾波器相結合的混合濾波器，可以保證系統的正常運行，避免系統燒毀，它可以通過設備對諧波進行濾波和控制。

3.3 電力系統采用濾波保護裝置

在電力系統整體設計過程中，電力系統保護裝置是最為重要的組成部分。因此，對于易受諧波影響的電力系統，有必要安裝濾波保護裝置來對諧波進行控制，減少其影響。濾波保護器能保證電力系統的正常運行，有效降低電力系統諧波的不利影響，這是電力系統穩定運行的前提保證。選擇合適的磁場作為有效磁場來處理諧波，減少諧波對電力系統的影響，利用磁場來進行相互作用。采用超微晶吸收和消除諧波，以此材料作為主體，來保護濾波裝置[3]。

4 結語

諧波不僅增加了電氣系統的壓力，而且在一定程度上會促使電壓升高。可以通過降低諧波的次數和頻率減少諧波的發生。也可以利用濾波器檢查，來抑制諧波的發生。還可以通過濾波保護裝置來將諧波濾除。