根据上一讲什么是电力谐波的内容可知,谐波电流是一切谐波问题的根源,谐波电压也是由于谐波电流导致的。因此,一般在研究谐波导致的危害时,主要指谐波电流的危害。谐波电流的危害主要有7个方面:
第一:导致电缆过热
谐波电流流过电缆时,会导致电缆过热。造成这种现象的原因是交流电流的趋肤效应。
趋肤效应是交流电流流过导体时,向导体的表面集中的一种物理现象,电流的频率越高,电流越向导体表面集中。由于趋肤效应,当频率较高的谐波电流流过导体时,导体的有效截面积小于导体的实际截面积。截面积小,意味着有更大的电阻,也就意味着会产生更大的热量。当频率较高的谐波电流流过导体时,导体呈现的电阻比基波电流要大,因此同样幅度的谐波电流比基波电流产生更大的热量。导体损耗与谐波畸变率的关系如图1所示。
图1 铜线损耗与谐波畸变率的关系
对于谐波电流产生更大热量的问题必须重视。因为我们在进行线路设计时,导体的截面积是按照基波频率设计的,而当这些导体中流过谐波电流时,呈现更大的电流密度,导致更大的电阻损耗(I2R),从而导致导体发热。导体过热会导致电缆早期老化、甚至诱发火灾。
第二:导致变压器过热
谐波电流流过变压器时,会导致变压器发出额外的热量,使变压器在没有达到额定功率时便出现温度过高的现象,导致变压器的实际容量降低。在工业上,一些变压器的负荷主要是变频器、中频炉等谐波源设备,这时,发现变压器仅仅达到50%负荷时,就温度过高。在商业上,随着一些建筑物中的节能灯、以PC机为代表的信息设备等非线性负荷增加,变压器过热的现象也十分常见。
过高的温度会缩短变压器的寿命。为了避免变压器过热,当负载是谐波源时,必须降额选用变压器(使变压器不工作在额定功率下)。一种专门用于谐波条件下的变压器称为k等级变压器,这种变压器的绕组和铁心都按照更大功率的情况进行设计,能够承受谐波电流产生的额外的热量。
谐波电流造成变压器过热的原因是谐波电流增加了线圈绕组的电阻损耗(称为铜损)和铁心的损耗(称为铁损)。谐波电流导致导线产生更大的损耗的原因是趋肤效应。
谐波电流导致铁心损耗增加的原因是铁心的涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗的含义是,线圈产生的交流磁场在铁心上感应出电流,电流在铁心的电阻上发热而产生的能量损耗。电磁炉就是利用这个原理。另一个是磁滞损耗,它是铁心内部的磁畴在磁场作用下不断翻转消耗的能量。
这两部分损耗都与频率有关,频率越高,损耗越大。
第三:导致变无功补偿装置损坏
谐波电流对无功补偿装置的影响也很常见,这实际已经成为企业进行节能技术改造中不可回避的问题。节能改造中大量使用变频器,而变频器产生严重的谐波电流。这些谐波电流对原来的无功补偿装置造成了不同程度的损坏,常见的现象包括:
无功补偿装置不能投切:这一般发生在无功补偿控制器中包含谐波保护装置的场合,当检测到谐波电流过大时,装置进入保护状态,同时会显示谐波过大的提示信息;
无功补偿装置中的保险丝烧断:这是流过补偿装置的电流过大导致的;
无功补偿装置中的电容炸裂:这是流过补偿电容的电流过大,导致电容过热引起的。
有时,不仅无功补偿器出现故障,甚至变压器也会遭到损坏。谐波电流造成这些危害的根本原因是谐波电流在无功补偿装置与变压器构成的回路中发生了LC并联谐振。LC并联谐振会导致电流方法,烧毁无功补偿装置。
第四:三次谐波的特殊危害
在处理谐波问题时,三次谐波电流需要引起特别的关注。三次谐波电流之所以危害很大,是因为三次谐波电流在中线上叠加,会导致中线电流过大,造成火灾隐患。