现代电力系统出现高次谐波的原因

现代世界的电气设备变得越来越复杂，尤其是 IT 技术。由于这种趋势，电能质量保证系统必须满足这些要求：它们必须简单地处理波动、浪涌、电压骤降、噪声、脉冲噪声等，以便工业网络及其相关用户能够正常运行。

非线性负载引起的谐波引起的电网电压整形是需要解决的主要问题之一。在本文中，我们将深入探讨这个问题。

问题的本质是什么

目前办公设备中的主要份额，计算机、办公、多媒体设备一般都是非线性负载，它们大量接入普通电力网络中，使网络电压的波形发生畸变。

其他电气设备会痛苦地感知到这种失真的电压，有时会严重破坏它们的正常运行：它会导致故障、过热、破坏同步、在数据传输网络中产生干扰，——一般来说，非正弦交流电压会导致各种设备、流程和给人们带来的不便，包括材料。

这样的电压失真由一对系数描述：正弦系数，反映高次谐波的均方根值与网络电压基波谐波的均方根值的比值，以及负载波峰因数，等于峰值电流消耗与有效负载电流之比。

为什么高次谐波是危险的？

高次谐波的表现所造成的影响可根据暴露时间的长短分为即时的和长期的。通常提到瞬时：电源电压波形失真、配电网电压降、包括谐波频率谐振在内的谐波效应、数据传输网络中的有害干扰、声学范围内的噪声、机械振动。长期存在的问题包括：发电机和变压器的过度热损失、电容器和配电网络（电线）过热。

谐波和线路电压形状

一半网络正弦波中的显着峰值电流导致波峰因数增加。峰值电流越高越短，失真越强，而梳状因子取决于电源的能力，取决于电源的内阻——它是否能够提供这样的峰值电流。某些电源必须相对于其额定功率被高估，例如发电机必须使用特殊绕组。

而不间断电源（UPS）则更好地解决了这个问题：由于双重转换，它们能够随时控制负载电流并使用PWM调节，从而避免了由于电流梳理系数高而带来的问题.换句话说，高波峰因数对于优质 UPS 而言不是问题。

高次谐波和电压降

如上所述，UPS 可以很好地处理高波峰因数，并且它们的波形失真不超过 6%。通常，此处的连接线无关紧要，它们很短。但由于线路电压中含有丰富的谐波，电流波形会偏离正弦，尤其是单相和三相整流器引入的奇次高频谐波（见图）。

配电网的复阻抗通常为 归纳性质，因此，大量的电流谐波将导致 100 米长的线路上出现明显的电压降，并且这些电压降可能会超过允许的电压降，结果负载上的电压波形将发生畸变。

例如，请注意单相二极管整流器的输出电流如何在不同的网络阻抗下变化，这取决于具有无变压器输入的受电设备的输入滤波器的电阻，以及这如何影响电压波形。

三次谐波的倍数问题

三、九、十五等。 — 电源电流的高次谐波具有高振幅系数的特点。这些谐波来自单相负载，它们对三相系统的影响非常特殊。如果 三相系统是对称的，电流彼此错开 120 度，零线中的总电流为零，— 导线上没有电压降。

这在理论上对大多数谐波都是成立的，但有些谐波的特点是电流矢量的旋转方向与基波电流矢量的方向相同。结果，在中性线中，三次谐波的倍数奇次谐波相互叠加。由于这些谐波占多数，总中性线电流可能超过相电流：例如，20 安培的相电流将产生频率为 150 赫兹、30 安培的中性线电流。

在设计时未考虑谐波影响的电缆可能会过热，因为根据想法，它的横截面应该增加。三次谐波的倍数在三相电路中相互偏移 360 度。

共振、干扰、噪声、振动、发热

分销网络有 共振的危险 在较高的电流或电压谐波下，在这些情况下，谐波分量会高于基频，这会对系统组件和设备产生负面影响。

位于高次谐波电流流过的电力线附近的数据传输网络受到干扰，其中的信息信号恶化，而从线路到网络的距离越短，它们的连接长度越长，它们的信息信号就越高谐波频率——失真越大的信号信息。

由于高次谐波，变压器和扼流圈开始产生更多噪音，电动机在磁通量中经历脉动，导致轴上的扭矩振动。电机和变压器会过热并发生热损失。在电容器中，介电损耗角随着高于栅极的频率而增加，并且它们开始过热，可能发生介电击穿。没有必要谈论由于温度升高而导致的线路损失......