电压电流高次谐波对电气设备运行的影响

较高的电压和电流谐波会影响电力系统和通信线路的元件。

高次谐波对电力系统的影响主要形式有：

• 由于并联和串联谐振，高次谐波的电流和电压增加；

• 降低电力生产、传输和使用过程的效率；

• 电气设备绝缘老化，使用寿命缩短；

• 设备的误操作。

共振对系统的影响

电力系统中的谐振通常从电容器的角度来考虑，尤其是电力电容器。当电流的谐波超过电容器的最大允许水平时，电容器不会降低其性能，但会在一段时间后失效。

谐振可能导致设备损坏的另一个领域是泛音负载控制系统。为了防止信号被电力电容器吸收，它们的电路由调谐串联滤波器（滤波器 - «陷波»）分开。在局部谐振的情况下，电力电容电路中电流的谐波急剧增加，导致串联滤波器调谐电容损坏。

在其中一个装置中，滤波器调谐到 530 Hz 的频率和 100 A 的通过电流阻塞了具有 15 个 65 kvar 的电力电容器的每个电路。 电容器 这些过滤器在两天后失效。原因是存在频率为 350 Hz 的谐波，在谐波附近，在调谐滤波器和电力电容器之间建立了谐振条件。

谐波对旋转电机的影响

电压和电流谐波会导致定子绕组、转子电路以及定子和转子钢中的额外损耗。由于涡流和表面效应，定子和转子导体中的损耗大于由欧姆电阻确定的损耗。

由定子和转子端部区域的谐波引起的泄漏电流会导致额外的损耗。

在定子和转子中具有脉动磁通量的锥形转子感应电机中，高次谐波会在钢中造成额外损耗。这些损失的大小取决于槽的倾斜角度和磁路的特性。

高次谐波损耗的平均分布由以下数据表征；定子绕组 14%；转子链 41%；端区 19%；不对称波 26%。

除了不对称波损耗外，它们在同步电机中的分布大致相同。

应该注意的是，同步电机定子中相邻的奇次谐波会在转子中引起相同频率的谐波。例如，定子中的 5 次和 7 次谐波导致转子中的 6 次电流谐波，沿不同的方向旋转。对于线性系统，转子表面的平均损耗密度与该值成正比，但由于旋转方向不同，某些点的损耗密度与该值（I5+I7）2成正比。

附加损失是旋转电机中由谐波引起的最负面现象之一。它们会导致机器的整体温度升高和局部过热，最有可能发生在转子中。与绕线转子电机相比，鼠笼式电机允许更高的损耗和温度。一些指南将发电机中允许的负序电流水平限制为 10%，将感应电机输入端的负序电压水平限制为 2%。在这种情况下，谐波的容限取决于它们产生的负序电压和电流的水平。

谐波产生的转矩。定子中电流的谐波产生相应的转矩：谐波在转子旋转方向形成正序，在相反方向形成逆序。

电机定子中的谐波电流会产生驱动力，从而导致在谐波磁场的旋转方向上在轴上出现扭矩。它们通常非常小，并且由于方向相反也会部分偏移。但是，它们会导致电机轴振动。

谐波对静态设备、电力线的影响。线路中的电流谐波会导致额外的电力和电压损失。

在电缆线路中，电压谐波对电介质的影响与振幅最大值的增加成正比。这反过来又增加了电缆故障的数量和维修成本。

在超高压线路中，出于同样的原因，电压谐波会导致电晕损耗增加。

高次谐波对变压器的影响

电压谐波会导致变压器钢中的磁滞损耗和涡流损耗以及绕组损耗增加。绝缘材料的使用寿命也会缩短。

绕组损耗的增加在降压变压器中最为重要，因为通常连接到交流侧的滤波器不会减少变压器中的电流谐波。因此，需要安装大型电源变压器。还观察到变压器油箱的局部过热。

谐波对大功率变压器影响的一个负面影响是三重零序电流在三角形连接绕组中的循环。这会让他们不知所措。

高次谐波对电容器组的影响

电容器中的额外损耗导致它们过热。通常，电容器设计用于承受一定的电流过载。英国生产的电容器允许过载 15%，在欧洲和澳大利亚 - 30%，在美国 - 80%，在独联体 - 30%。当超过这些值时，在电容器输入端高次谐波电压升高的情况下观察到，后者会过热并失效。

高次谐波对电力系统保护装置的影响

谐波会干扰保护装置的运行或损害其运行。违规的性质取决于设备的操作原理。基于离散数据分析或过零分析的数字继电器和算法对谐波特别敏感。

大多数情况下，特征的变化很小。大多数类型的继电器将正常工作，失真水平高达 20%。然而，增加电力转换器在网络中的份额可能会改变未来的情况。

谐波引起的问题对于正常模式和紧急模式是不同的，将在下面单独讨论。

紧急模式下谐波的影响

保护装置通常响应基频电压或电流，任何瞬态谐波要么被滤除，要么不影响装置。后者是机电式继电器的特点，特别用于过流保护。这些继电器具有高惯性，这使得它们实际上对高次谐波不敏感。

更重要的是谐波对基于电阻测量的保护性能的影响。在基频下测量电阻的距离保护会在短路电流中存在高次谐波（尤其是三阶）时产生显着误差。当短路电流流过地面时，通常会观察到高谐波含量（接地电阻在总回路电阻中占主导地位）。如果不滤除谐波，误操作的概率很高。

在金属短路的情况下，电流主要由基频决定。但由于变压器饱和，二次曲线会发生畸变，特别是在一次电流中有较大直流分量的情况下。在这种情况下，保证保护的正常运行也存在问题。

在稳态运行条件下，与变压器过励磁相关的非线性只会导致奇次谐波。各种谐波都可能出现在瞬态模式中，最大幅度通常是 2 次和 3 次。

然而，通过适当的设计，列出的大多数问题都可以轻松解决。选择合适的设备可以消除与测量变压器相关的许多困难。

谐波滤波，特别是在数字保护中，对于距离保护最为重要。在数字滤波方法领域进行的工作表明，尽管用于这种滤波的算法通常非常复杂，但获得所需结果并不存在特别困难。

在电网正常运行模式下谐波对保护系统的影响。在正常条件下，保护装置对模式参数的低灵敏度导致实际上不存在与这些模式中的谐波相关的问题。一个例外是与网络中包含强大的变压器相关的问题，伴随着磁化电流的浪涌。

峰值的幅度取决于变压器的电感、绕组的电阻和导通的瞬间。接通前瞬间的剩余磁通幅度会略有增加或减小，这取决于磁通相对于瞬时电压初始值的极性。由于充磁时副边没有电流，原边较大的电流会导致差动保护误跳闸。

避免误报的最简单方法是使用延时，但如果在变压器开启时发生事故，这可能会对变压器造成严重损坏。在实践中，浪涌电流中出现的二次谐波（网络的非特征）用于闭锁保护，尽管保护在接通期间对变压器的内部故障仍然非常敏感。

谐波对消费设备的影响

高次谐波对电视机的影响

增加峰值电压的谐波会导致图像失真和亮度变化。

荧光灯和水银灯。这些灯的镇流器有时包含电容器，在某些条件下会发生谐振，从而导致灯故障。

高次谐波对计算机的影响

在为计算机和数据处理系统提供动力的网络中，允许的失真水平是有限制的。在某些情况下，它们表示为标称电压的百分比（对于计算机 IVM — 5%）或峰值电压与平均值之比的形式（CDC 将其允许限值设置为 1.41 ± 0.1）。

高次谐波对变流设备的影响

阀门切换期间出现的正弦电压缺口会影响在零电压曲线期间受控的其他类似设备或装置的时序。

高次谐波对晶闸管调速设备的影响

理论上，谐波会以多种方式影响此类设备：

• 由于晶闸管失火，正弦波的陷波会导致故障；

• 电压谐波会导致失火；

• 在各种类型的设备存在时产生的共振会导致机器的浪涌和振动。

连接到同一网络的其他用户可能会感受到上述影响。如果用户在其网络中使用晶闸管控制的设备没有困难，则不太可能影响其他用户。由不同总线供电的消费者理论上可以相互影响，但电气距离降低了这种相互作用的可能性。

谐波对功率和能量测量的影响

测量设备通常校准为纯正弦电压，并在存在高次谐波时增加不确定性。谐波的大小和方向是重要的因素，因为误差的符号由谐波的方向决定。

谐波引起的测量误差在很大程度上取决于测量仪器的类型。如果用户有失真源，传统的感应仪表通常会将读数高估几个百分点（每个 6%）。此类用户会自动因在网络中引入失真而受到惩罚，因此建立适当的方法来抑制这些失真符合他们自己的利益。

目前还没有关于谐波对峰值负荷测量精度影响的定量数据。假定谐波对峰值负载测量精度的影响与对电能测量精度的影响相同。

无论电流和电压曲线的形状如何，电能的精确测量由成本较高的电子仪表提供。

谐波会影响无功功率测量的精度（仅在正弦电流和电压的情况下明确定义）和功率因数测量的精度。

谐波对实验室仪器检验和校准精度的影响很少被提及，尽管这方面的问题也很重要。

谐波对通信电路的影响

电源电路中的谐波会在通信电路中产生噪声。低水平的噪音会导致一些不适，随着它的增加，部分传输的信息会丢失，在极端情况下，通信变得完全不可能。在这方面，随着电力供应和通信系统的任何技术变革，都需要考虑电力线对电话线的影响。

谐波对电话线噪声的影响取决于谐波的阶数。平均而言，电话 - 人耳的灵敏度函数在 1 kHz 量级的频率处具有最大值。评估各种谐波对噪声的影响 c．手机使用系数，即采用特定权重的谐波之和。最常见的两个系数是：噪声计加权和 C 传输。第一个因素由国际电话和电报系统咨询委员会 (CCITT) 开发并在欧洲使用，第二个因素由贝拉电话公司和爱迪生电工研究所在美国和加拿大使用。

三相谐波电流由于幅值和相位角的不等而不能完全相互补偿，并以由此产生的零序电流（类似于接地故障电流和牵引系统的接地电流）影响电信。

由于从相导体到附近的电信线路的距离不同，相本身的谐波电流也可能导致影响。

这些类型的影响可以通过适当选择线路轨迹来减轻，但在不可避免的线路交叉的情况下，会发生此类影响。这在电力线的电线垂直布置的情况下以及当通信线的电线在电力线附近换位时特别强烈地表现出来。

在线路间距较大（超过 100 m）时，主要影响因素是零序电流。当电力线的标称电压降低时，影响会减小，但由于使用普通支架或沟槽来铺设低压电力线和通信线，因此影响会很明显。