谐波对电器设备的影响分析

孔小丽

(泰州机电高等职业技术学校，江苏 泰州 225300)

1 谐波的产生

在理想情况下，电力系统的电压和电流都是纯正弦波，非正弦电流的形成是因为电流流过与外加电压没有线性关系的负载。电流与外加电压在线性元件如电容、电感、电阻的简单电路中成正比关系，如果外加电压是正弦的，那么电流也是正弦的，如图1所示。负载线表示施加的负载和电压产生的电流之间的关系，图1所示的电压波形和电流波形对应于线性负载。需要注意的是，在无功元件的情况下，功率因数变低，电流和电压波形之间存在相移，但线路仍然是线性的。

图2是当负载是简单的电容器和全波整流器时的情况。在这种情况下，电流流动仅在电源电压超过存储电容器上存储的电压时发生，即接近晶体正弦波电压的峰值，如负载线的形状所示。

图1 电压波形和电流波形对应于线性负载Tab.1 Linear load of voltage waveform and current waveform

图2 电容器和全波整流器时的负载情况Tab.2 Loading condition of capacitor and full-wave rectifier

实际上，负载线(这里指的是电流波形)比本例中提到的要复杂得多，它可以是转弯、滞环或某种不对称的形状。斜率也是任何随负载变化的周期波形可以分解为基频正弦加上多个谐波频率正弦。基频的整数倍正是谐波频率。例如，当基频为50赫兹时，二次谐波为100赫兹，三次谐波为150赫兹。谐波电流需要分别研究，因为其在供电系统和设备中产生问题，其影响是不同的[1]。

2 谐波对建筑电气设计的影响

2.1 对变压器的影响

谐波对建筑电气设计特别是对变压器的影响很大。谐波会产生集肤效应，严重影响电压的输入和输出，其结果是变压器的内标参数会发生一定程度的变化，变压器电压的正常输出和输入受到严重影响。谐波作为电流叠加在变压器上，使变压器受到巨大冲击，降低了变压器的使用寿命，增加了变压器的工作强度，增加了建筑电气设计的负担。变压器增加了运行负荷同时损耗也增大，谐波影响了变压器的正常运行。

2.2 对导体的影响

谐波在建筑电气设计中对导体也有很大的影响。它影响了导体电源的质量，增加了导体的损耗，很容易使导体发生短路或断路情况。谐波的影响也会波及到导体，对导体产生不良的影响和巨大损耗，对整个电力系统的影响都很大。谐波的产生也影响了中性线，在一定程度上会导致线路损耗，发生相线过载，对整个电力系统产生巨大的影响。

2.3 对电容器的影响

谐波的出现对于电容器的影响也非常大。由于电容器在测试过程中存在过载和附加损耗，导致整个电气设计系统的故障。谐波的存在会对整个电气系统产生大面积的影响，使电气设计系统中的电容器和气压元件产生共振，与电容器相连的设备、系统、线路最严重时会出现烧毁的情况，对电容器的影响是非常严重的。

2.4 对继电器的影响

控制和保护设备是根据电气工作时所施加的电流、电压的正弦波和工业频率来设计的。谐波的产生会导致继电器工作条件受到严重干扰，甚至造成操作失误、停产，严重的还会造成安全事故。继电保护的动作特性受到谐波的影响会降低或者失真，导致保护装置经常误动或拒动。根据不同类型继电器的工作原理和设计性能，谐波所影响的程度也是有差别的。对于整流继电器，在某些条件下，由于电流中的谐波分量较大，致使输电线路对地短路，导致整流型保护装置拒动。对于感应继电器，因为其动作速度慢、可动部分惯性大，谐波对其影响并不是很大。在磁场的作用下，继电器中的圆盘或圆筒会产生感应电流，该电流会与空间中的另一个磁场相互作用，产生电磁转矩，驱动圆柱体或磁盘旋转。对于电流继电器，谐波的存在会使阻抗变大、线圈增多，从而引起保护拒动，其动作值总是大于基波的整定值，因此电流继电器可能误动作或拒绝动作。对于静态型继电器(也常被称为固态继电器、静态继电器)，其主要是由没有机械运动的电子器件组成，由于良好的抗干扰和消谐效果，静电保护越来越受到人们的重视[2]。

3 解决谐波对建筑电气设计影响的对策

3.1 减少谐波出现的频次

要从源头上来控制和减少谐波的出现，这也是减少谐波影响的最主要措施。可以改善电力供应，以抑制谐波对电力系统的影响。通过增加电源可以将电缆的截面进行改善，避免集肤效应的产生，这样可以很有效地遏制谐波的产生。因为谐波对变压器的影响很大，要结合实际情况，及时更换新的变压器。使用和设定专用的变压器能够有效抑制谐波的产生，减少其对电气设计的影响。

3.2 滤波器检查

滤波器的检测也是减少谐波对电气设计影响的有效途径。根据滤波器的特点，可以分为有源滤波器、无源滤波器和混合滤波器。谐波的产生可以用有源电力滤波器快速检测出，这也是其较为突出的特点，并能迅速做出反应。它在整个电气系统中对非线性负荷系统进行了全面的测试，与非线性负载相连，以保证谐波能被及时滤除，减少谐波对电力系统的影响。将无源滤波器与电容器相结合，可以实现检测和分析某些谐波。采用有源滤波器和无源滤波器相结合的混合滤波器，可以保证系统的正常运行，避免系统烧毁，它可以通过设备对谐波进行滤波和控制。

3.3 电力系统采用滤波保护装置

在电力系统整体设计过程中，电力系统保护装置是最为重要的组成部分。因此，对于易受谐波影响的电力系统，有必要安装滤波保护装置来对谐波进行控制，减少其影响。滤波保护器能保证电力系统的正常运行，有效降低电力系统谐波的不利影响，这是电力系统稳定运行的前提保证。选择合适的磁场作为有效磁场来处理谐波，减少谐波对电力系统的影响，利用磁场来进行相互作用。采用超微晶吸收和消除谐波，以此材料作为主体，来保护滤波装置[3]。

4 结语

谐波不仅增加了电气系统的压力，而且在一定程度上会促使电压升高。可以通过降低谐波的次数和频率减少谐波的发生。也可以利用滤波器检查，来抑制谐波的发生。还可以通过滤波保护装置来将谐波滤除。