現代電力系統出現高次諧波的原因

現代世界的電氣設備變得越來越複雜，尤其是 IT 技術。由於這種趨勢，電能質量保證系統必須滿足這些要求：它們必須簡單地處理波動、浪湧、電壓驟降、噪聲、脈衝噪聲等，以便工業網絡及其相關用戶能夠正常運行。

非線性負載引起的諧波引起的電網電壓整形是需要解決的主要問題之一。在本文中，我們將深入探討這個問題。

問題的本質是什麼

目前辦公設備中的主要份額，計算機、辦公、多媒體設備一般都是非線性負載，它們大量接入普通電力網絡中，使網絡電壓的波形發生畸變。

其他電氣設備會痛苦地感知到這種失真的電壓，有時會嚴重破壞它們的正常運行：它會導致故障、過熱、破壞同步、在數據傳輸網絡中產生干擾，——一般來說，非正弦交流電壓會導致各種設備、流程和給人們帶來的不便，包括材料。

這樣的電壓失真由一對係數描述：正弦係數，反映高次諧波的均方根值與網絡電壓基波諧波的均方根值之比，負載波峰因數，等於峰值電流消耗與有效負載電流之比。

為什麼高次諧波是危險的？

高次諧波的表現所造成的影響可根據暴露時間的長短分為即時的和長期的。通常提到瞬時：電源電壓波形失真、配電網電壓降、包括諧波頻率諧振在內的諧波效應、數據傳輸網絡中的有害干擾、聲學範圍內的噪聲、機械振動。長期存在的問題包括：發電機和變壓器的過度熱損失、電容器和配電網絡（電線）過熱。

諧波和線路電壓形狀

一半網絡正弦波中的顯著峰值電流導致波峰因數增加。峰值電流越高越短，失真越強，而梳狀因子取決於電源的能力，取決於電源的內阻——它是否能夠提供這樣的峰值電流。一些電源必須相對於其額定功率被高估，例如發電機必須使用特殊繞組。

而不間斷電源（UPS）則更好地解決了這個問題：由於雙重轉換，它們能夠隨時控制負載電流並使用PWM調節，從而避免了由於電流梳理係數高而帶來的問題.換句話說，高波峰因數對於優質 UPS 而言不是問題。

高次諧波和電壓降

如上所述，UPS 可以很好地處理高波峰因數，並且它們的波形失真不超過 6%。通常，此處的連接線無關緊要，它們很短。但由於線路電壓中含有豐富的諧波，電流波形會偏離正弦，尤其是單相和三相整流器引入的奇次高頻諧波（見圖）。

配電網的複阻抗通常為 歸納性質，因此，大量的電流諧波將導致 100 米長的線路上出現明顯的電壓降，並且這些電壓降可能會超過允許的電壓降，結果負載上的電壓波形將發生畸變。

例如，請注意單相二極管整流器的輸出電流如何在不同的網絡阻抗下變化，這取決於具有無變壓器輸入的受電設備的輸入濾波器的電阻，以及這如何影響電壓波形。

三次諧波的倍數問題

三、九、十五等。 — 電源電流的高次諧波具有高振幅係數的特點。這些諧波來自單相負載，它們對三相繫統的影響非常特殊。如果 三相繫統是對稱的，電流彼此錯開 120 度，零線中的總電流為零，— 導線上沒有電壓降。

這在理論上對大多數諧波都是成立的，但有些諧波的特點是電流矢量的旋轉方向與基波電流矢量的方向相同。結果，在中性線中，三次諧波的倍數奇次諧波相互疊加。由於這些諧波佔多數，總中性線電流可能超過相電流：例如，20 安培的相電流將產生頻率為 150 赫茲、30 安培的中性線電流。

在設計時未考慮諧波影響的電纜可能會過熱，因為根據想法，它的橫截面應該增加。三次諧波的倍數在三相電路中相互偏移 360 度。

共振、干擾、噪聲、振動、發熱

分銷網絡有 共振的危險 在較高的電流或電壓諧波下，在這些情況下，諧波分量會高於基頻，這會對系統組件和設備產生負面影響。

位於高次諧波電流流過的電力線附近的數據傳輸網絡受到干擾，其中的信息信號惡化，而從線路到網絡的距離越短，它們的連接長度越長，它們的信息信號就越高諧波頻率——失真度越大的信號信息。

由於高次諧波，變壓器和扼流圈開始產生更多噪音，電動機在磁通量中經歷脈動，導致軸上的扭矩振動。電機和變壓器會過熱並發生熱損失。在電容器中，介電損耗角隨著高於柵極的頻率而增加，並且它們開始過熱，可能發生介電擊穿。沒有必要談論由於溫度升高而導致的線路損失......