電氣系統中問題諧波失真的常見原因、意義及解決辦法

2020-11-24 通信世界網

    現代電力系統中的諧波問題

    諧波是指正常電流波形的一種失真，一般是由非線性負載發射的。開關模式電源(SMPS)、調速電機及驅動、複印機、個人電腦、雷射印表機、傳真機、電池充電器以及UPS等都屬於非線性負載。單相非線性負載在現代辦公大樓中較為常見，而三相非線性負載則普遍存在於工廠和工業車間裡。

    多數配電系統上的大部分非線性電力負載來自SMPS設備。比如，所有計算機系統使用SMPS把市電交流電壓轉換為供內部電子設備使用的穩定低壓直流電。這些非線性電源會產生高振幅短脈衝電流，造成電流和電壓波形嚴重失真——諧波失真，一般按總諧波失真(THD)衡量。該失真向後傳播回到電源系統，將影響連接在同一電源上的其他設備。

    多數電力系統可以容忍一定程度的諧波電流，但當諧波在總負載中所佔比例較為明顯時就會出現問題。隨著這些頻率較高的電流流經電力系統，它們會造成通信錯誤、過熱和硬體受損，比如：

  •     配電設備、電纜、變壓器、備用發電機等過熱
  •     諧波阻抗造成的高電壓和環流
  •     發熱並浪費電能的高中性線電流
  •     因電壓失真嚴重導致設備故障
  •     增大了連接設備中的內部能耗，造成元器件失效並縮短使用壽命
  •     支路斷路器偽跳閘
  •     計量錯誤
  •     配線和配電系統失火
  •     發電機失效
  •     高振幅係數及有關問題
  •     降低系統功率因數，導致可用功率減小(kW對kVA)和每月電費處罰

    諧波技術概覽

    諧波是頻率達基頻整數倍的電流或電壓。如果基頻為60Hz，那麼第2諧波為120Hz，第3諧波為180Hz等(見圖1)。當諧波頻率佔主導時，配電盤和變壓器會與高頻諧波產生的磁場形成機械共振。發生這種情況時，配電盤或變壓器會振動並針對不同諧波頻率發出蜂鳴聲。第3到第25諧波頻率是配電系統中最為常見的頻率範圍。

   

    所有周期波都會隨各種頻率的正弦波產生。傅立葉定律把一個周期波分解為其分量頻率。

   

圖2 由基頻、第5和第7諧波組成的失真波形

    信號的總諧波失真是衡量諧波失真的指標，它被定義成所有諧波分量的功率總和與基頻的功率之比。它描述了電壓或電流信號的失真程度(見圖3)。

       

    補償及減小諧波的解決方案

    雖然限制產生諧波電流的標準正在考慮之中，今天的諧波控制主要依賴於補救方法。補償或減小電力系統諧波可以採取多種手段，其效果和效率各不相同。

    增大中性線配線規格

    現代設施中，中性線的配線容量規格常常要求與電力配線相同或更大——儘管電力規範允許減小其規格。支持多臺個人電腦（比如呼叫中心）的設計應規定中性線配線超過相線規格1.73倍。對辦公室隔間裡的配線尤其要多加注意。需要指出的是，這種方法可以保護建築物配線，但不能保護變壓器。

    使用單獨的中性導線

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