電壓電流高次諧波對電氣設備運行的影響

較高的電壓和電流諧波會影響電力系統和通信線路的元件。

高次諧波對電力系統的影響主要形式有：

• 由於並聯和串聯諧振，高次諧波的電流和電壓增加；

• 降低電力生產、傳輸和使用過程的效率；

• 電氣設備絕緣老化，使用壽命縮短；

• 設備的誤操作。

共振對系統的影響

電力系統中的諧振通常從電容器的角度來考慮，尤其是電力電容器。當電流的諧波超過電容器的最大允許水平時，電容器不會降低其性能，但會在一段時間後失效。

諧振可能導致設備損壞的另一個領域是泛音負載控制系統。為了防止信號被電力電容器吸收，它們的電路由調諧串聯濾波器（濾波器 - «陷波»）分開。在局部諧振的情況下，電力電容電路中電流的諧波急劇增加，導致串聯濾波器調諧電容損壞。

在其中一個裝置中，濾波器調諧到 530 Hz 的頻率和 100 A 的通過電流阻塞了具有 15 個 65 kvar 的電力電容器的每個電路。 電容器 這些過濾器在兩天后失效。原因是存在頻率為 350 Hz 的諧波，在諧波附近，在調諧濾波器和電力電容器之間建立了諧振條件。

諧波對旋轉機器的影響

電壓和電流諧波會導致定子繞組、轉子電路以及定子和轉子鋼中的額外損耗。由於渦流和表面效應，定子和轉子導體中的損耗大於由歐姆電阻確定的損耗。

定子和轉子端部區域的諧波引起的漏電流會導致額外的損耗。

在定子和轉子中具有脈動磁通量的錐形轉子感應電機中，高次諧波會在鋼中造成額外損耗。這些損失的大小取決於槽的傾斜角度和磁路的特性。

高次諧波損耗的平均分佈由以下數據表徵；定子繞組 14%；轉子鏈 41%；端區 19%；不對稱波 26%。

除了不對稱波損耗外，它們在同步電機中的分佈大致相同。

應該注意的是，同步電機定子中相鄰的奇次諧波會在轉子中引起相同頻率的諧波。例如，定子中的 5 次和 7 次諧波導致轉子中的 6 次電流諧波，沿不同的方向旋轉。對於線性系統，轉子表面的平均損耗密度與該值成正比，但由於旋轉方向不同，某些點的損耗密度與該值（I5+I7）2成正比。

附加損失是旋轉電機中由諧波引起的最負面現象之一。它們會導致機器的整體溫度升高和局部過熱，最有可能發生在轉子中。與繞線轉子電機相比，鼠籠式電機允許更高的損耗和溫度。一些指南將發電機中允許的負序電流水平限制為 10%，將感應電機輸入端的負序電壓水平限制為 2%。在這種情況下，諧波的容限取決於它們產生的負序電壓和電流的水平。

諧波產生的轉矩。定子中電流的諧波產生相應的轉矩：諧波在轉子旋轉方向形成正序，在相反方向形成逆序。

電機定子中的諧波電流會產生驅動力，從而導致在諧波磁場的旋轉方向上在軸上出現扭矩。它們通常非常小，並且由於方向相反也會部分偏移。但是，它們會導致電機軸振動。

諧波對靜態設備、電力線的影響。線路中的電流諧波會導致額外的電力和電壓損失。

在電纜線路中，電壓諧波對電介質的影響與振幅最大值的增加成正比。這反過來又增加了電纜故障的數量和維修成本。

在超高壓線路中，出於同樣的原因，電壓諧波會導致電暈損耗增加。

高次諧波對變壓器的影響

電壓諧波會導致變壓器鋼中的磁滯損耗和渦流損耗以及繞組損耗增加。絕緣材料的使用壽命也會縮短。

繞組損耗的增加在降壓變壓器中最為重要，因為通常連接到交流側的濾波器不會減少變壓器中的電流諧波。因此，需要安裝大型電源變壓器。還觀察到變壓器油箱的局部過熱。

諧波對大功率變壓器影響的一個負面影響是三重零序電流在三角形連接繞組中的循環。這會讓他們不知所措。

高次諧波對電容器組的影響

電容器中的額外損耗導致它們過熱。通常，電容器設計用於承受一定的電流過載。英國生產的電容器允許過載 15%，在歐洲和澳大利亞 - 30%，在美國 - 80%，在獨聯體 - 30%。當超過這些值時，在電容器輸入端高次諧波電壓升高的情況下觀察到，後者會過熱並失效。

高次諧波對電力系統保護裝置的影響

諧波會干擾保護裝置的運行或損害其運行。違規的性質取決於設備的操作原理。基於離散數據分析或過零分析的數字繼電器和算法對諧波特別敏感。

大多數情況下，特徵的變化很小。大多數類型的繼電器將正常工作，失真水平高達 20%。然而，增加電力轉換器在網絡中的份額可能會改變未來的情況。

諧波引起的問題對於正常模式和緊急模式是不同的，將在下面單獨討論。

緊急模式下諧波的影響

保護裝置通常響應基頻電壓或電流，任何瞬態諧波要么被濾除，要么不影響裝置。後者是機電式繼電器的特點，特別用於過流保護。這些繼電器具有高慣性，這使得它們實際上對高次諧波不敏感。

更重要的是諧波對基於電阻測量的保護性能的影響。在基頻下測量電阻的距離保護會在短路電流中存在高次諧波（尤其是三階）時產生顯著誤差。當短路電流流過地面時，通常會觀察到高諧波含量（接地電阻在總迴路電阻中占主導地位）。如果不濾除諧波，誤操作的概率很高。

在金屬短路的情況下，電流主要由基頻決定。但由於變壓器飽和，二次曲線會發生畸變，特別是在一次電流中有較大直流分量的情況下。在這種情況下，保證保護的正常運行也存在問題。

在穩態運行條件下，與變壓器過勵磁相關的非線性只會導致奇次諧波。各種諧波都可能出現在瞬態模式中，最大幅度通常是 2 次和 3 次。

然而，通過適當的設計，列出的大多數問題都可以輕鬆解決。選擇合適的設備可以消除與測量變壓器相關的許多困難。

諧波濾波，特別是在數字保護中，對於距離保護最為重要。在數字濾波方法領域進行的工作表明，儘管用於這種濾波的算法通常相當複雜，但獲得所需結果並不存在特別困​​難。

在電網正常運行模式下諧波對保護系統的影響。在正常條件下，保護裝置對模式參數的低靈敏度導致實際上不存在與這些模式中的諧波相關的問題。一個例外是與網絡中包含強大的變壓器相關的問題，伴隨著磁化電流的浪湧。

峰值的幅度取決於變壓器的電感、繞組的電阻和導通的瞬間。接通前瞬間的剩餘磁通會略微增加或減小振幅，這取決於磁通相對於瞬時電壓初始值的極性。由於充磁時二次側沒有電流，一次大電流會導致差動保護誤跳閘。

避免誤報的最簡單方法是使用時間延遲，但如果在變壓器開啟時發生事故，這可能會對變壓器造成嚴重損壞。在實踐中，浪湧電流中出現的二次諧波（網絡的非特徵）用於閉鎖保護，儘管保護在接通期間對變壓器的內部故障仍然非常敏感。

諧波對消費設備的影響

高次諧波對電視機的影響

增加峰值電壓的諧波會導致圖像失真和亮度變化。

熒光燈和水銀燈。這些燈的鎮流器有時包含電容器，在某些條件下會發生諧振，從而導致燈故障。

高次諧波對計算機的影響

在為計算機和數據處理系統提供動力的網絡中，允許的失真水平是有限制的。在某些情況下，它們表示為標稱電壓的百分比（對於計算機 IVM — 5%）或峰值電壓與平均值之比的形式（CDC 將其允許限值設置為 1.41 ± 0.1）。

高次諧波對變流設備的影響

閥門切換期間出現的正弦電壓缺口會影響在零電壓曲線期間受控的其他類似設備或裝置的時序。

高次諧波對晶閘管調速設備的影響

理論上，諧波會以多種方式影響此類設備：

• 由於晶閘管失火，正弦波的陷波會導致故障；

• 電壓諧波會導致失火；

• 在各種類型的設備存在時產生的共振會導致機器的浪湧和振動。

連接到同一網絡的其他用戶可能會感受到上述影響。如果用戶在其網絡中使用晶閘管控制的設備沒有困難，則不太可能影響其他用戶。由不同總線供電的消費者理論上可以相互影響，但電氣距離降低了這種相互作用的可能性。

諧波對功率和能量測量的影響

測量設備通常校準為純正弦電壓，並在存在高次諧波時增加不確定性。諧波的大小和方向是重要的因素，因為誤差的符號由諧波的方向決定。

諧波引起的測量誤差在很大程度上取決於測量儀器的類型。如果用戶有失真源，傳統的感應儀表通常會將讀數高估幾個百分點（每個 6%）。此類用戶會自動因在網絡中引入失真而受到懲罰，因此建立適當的方法來抑制這些失真符合他們自己的利益。

目前還沒有關於諧波對峰值負荷測量精度影響的定量數據。假定諧波對峰值負載測量精度的影響與對電能測量精度的影響相同。

無論電流和電壓曲線的形狀如何，電能的精確測量由成本較高的電子儀表提供。

諧波會影響無功功率測量的精度（僅在正弦電流和電壓的情況下明確定義）和功率因數測量的精度。

諧波對實驗室儀器檢驗和校準精度的影響很少被提及，儘管這方面的問題也很重要。

諧波對通信電路的影響

電源電路中的諧波會在通信電路中產生噪聲。低水平的噪音會導致一些不適，隨著它的增加，部分傳輸的信息會丟失，在極端情況下，通信變得完全不可能。在這方面，隨著電力供應和通信系統的任何技術變革，都需要考慮電力線對電話線的影響。

諧波對電話線噪聲的影響取決於諧波的階數。平均而言，電話 - 人耳的靈敏度函數在 1 kHz 量級的頻率處具有最大值。評估各種諧波對噪聲的影響 c．手機使用係數，即採用特定權重的諧波之和。兩個係數是最常見的：噪聲計加權和 C 傳輸。第一個因素由國際電話和電報系統諮詢委員會 (CCITT) 開發並在歐洲使用，第二個因素由貝拉電話公司和愛迪生電工研究所在美國和加拿大使用。

三相諧波電流由於幅值和相角的不等而不能完全相互補償，並以由此產生的零序電流（類似於接地故障電流和牽引系統的接地電流）影響電信。

由於從相導體到附近的電信線路的距離不同，相本身的諧波電流也可能引起影響。

這些類型的影響可以通過適當選擇線路軌跡來減輕，但在不可避免的線路交叉的情況下，會發生此類影響。這在電力線的電線垂直佈置的情況下以及當通信線的電線在電力線附近換位時特別強烈地表現出來。

在線路間距較大（超過 100 m）時，主要影響因素是零序電流。當電力線的標稱電壓降低時，影響會減小，但由於使用普通支架或溝槽來鋪設低壓電力線和通信線，因此影響會很明顯。