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谐波电流与谐波电压的关系 [复制链接]

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2013-01-30

关键词：谐波电流谐波电压

电网上同时存在着谐波电流和谐波电压，谐波电流与谐波电压之间的关系是很多人感到迷惑的问题。
　　首先需要搞清楚谐波电压与谐波电流的因果关系。
　　谐波电流是非线性负载产生的，这些非线性负载从电源吸取非正弦波的电流，这些非正弦波电流中包含了谐波电流。
　　谐波电流流过线路阻抗时，在线路的两端产生了谐波电压(欧姆定律)，谐波电压是由谐波电流产生的。打个比喻，谐波电流是蛋，在一定条件下(线路存在阻抗)，孵化出了谐波电压这个蛋，如图2-1所示。
　　如果特定的配电系统对于N次谐波电流的阻抗为ZN，谐波电流IN在配电系统上产生的谐波电压VN为：
　　VN = IN ´ ZN
　　式中：电网阻抗ZN包括了变压器的阻抗和配电线的阻抗，如图2-1所示。

　　图2-1 谐波电压与谐波电流

　　这里所说的阻抗包含了电阻和电抗两部分，电抗部分包含了电感的感抗，和电容的容抗。按照这个概念，将图2-1进一步细化，就得到了图2-2所示的网络，图中的各元素的含义如下：
　　L1：变压器绕组电感
　　R1：变压器绕组电阻
　　L2：配电线路分布电感，大约每米1mH
　　R2：配电线路分布电阻
　　C1：变压器绕组电容+补偿电容，有系统有补偿电容时，可以忽略绕组的电容
　　C2：配电线路分布电容：大约每米100pf，当系统有补偿电容时，由于其数值很小，可以忽略

　　图2-2 配电线路的模型

　　如果不考虑系统有补偿电容的情况，并且仅考虑谐波电流(频率较低)，则可以忽略C1、C2;这时系统的阻抗可以简化为：
　　Z = R1 + R2 + jw(L1+L2)
　　式中：w为电流的角频率，等于2pf，f是电流的频率。
　　从上式可以看出，配电线路对于基波和谐波，以及不同次数的谐波具有不同的阻抗值，谐波的次数越高，阻抗值越大。
　　电网的阻抗越高，同样的谐波电流产生的谐波电压越大。
　　需要特别注意的是，配电线路的感抗是不容忽视的。
　　例一：100米长的配电线路，电感大约为0.1mH，对于5次谐波，感抗为：2p´250´10-4 = 0.157W，如果5次谐波的电流幅度为200A，5次谐波的电压幅度达到约31V，对于380V系统，这是一个很大的比例。
　　另外，配电线路的电阻对于高次谐波也呈现出更大的阻值，这是由于高频电流的趋肤效应导致实际的导线截面积变小，增加了电阻。
　　因此，在提到谐波电压时，要明确以下因素才有意义：
　　变压器的容量：这决定了变压器的阻抗，变压器的容量越小，电压畸变率越高;
　　测量地点：这决定了线路阻抗，距离变压器越远，电压畸变率越高;
　　补偿电容的投入状态：这决定了整个系统的阻抗，补偿电容会放大某些谐波电流。
　　例二：图2-3说明较大的谐波电流并不导致较大的谐波电压。图2-3(a)中的情况是变压器容量较小的情况，这时，虽然电流(上图)畸变率并不大(所含的谐波电流成分较小)，但是电压(下图)出现严重的畸变。
　　图2-3(b)中的情况是变压器容量较大的情况，这时，虽然电流(上图)畸变率很大(所含的谐波电流成分较大)，但是电压(下图)并未出现严重的畸变。
　　因此，在几乎所有的电网谐波标准中，对谐波电流的限制都不是一个定值。随着变压器的容量变化，变压器的容量或者冗余量越大(较强的电源)，对谐波电流的限制越松(允许的谐波电流幅度更大)。
　　较弱的电源，例如柴油发电机、UPS电源等，由于其内阻大，因此谐波电流对其的影响更大。因此，柴油机发电的备用电源、UPS、船上电网等场合，更需要关注非线性负载的谐波问题。
　　在一些关键点的部位，例如金融机构、医院、机场等，为了保证电子信息系统的高度可靠，必须有应急供电系统，这些应急供电系统通常由柴油发电机、UPS电源等构成。这些电源的内阻较大，当谐波电流流过他们时，会产生比市电供电时更大的谐波电压(现象为电压发生平顶畸变)，导致系统中的设备工作异常。

　　图2-3 电压畸变率与变压器容量的关系

　　总结：
　　对于标准的电网(提供纯净50Hz电压)，其上产生的谐波电压是由非线性负载发出的谐波电流产生的，同样的谐波电流在不同的条件下产生的谐波电压不同，电源越弱(包括小容量的变压器、自备发电机、UPS电源等)，产生的谐波电压越大;距离电源(变压器、发电机、UPS等)越远，谐波电压越大。有些谐波问题仅在使用应急电源时才暴露出来.