详解三次谐波以及其危害和解决方案

三次谐波的来源

三次谐波电流主要来自于单相整流电路。

图示的是一个典型的单相整流电路，电路中的电容是平滑电容，大部分整流电路中都包含这个电容，否则直流电压的纹波很大。这个电容是导致三次谐波电流的主要原因。

熟悉电路的人都知道，平滑电容的电压被充电到交流电的峰值后，就维持在交流电峰值附近。当交流电的电压低于电容上的电压时，电网上没有电流流入负载。这时，负载的电流由电容供给，随着输出电流，电容的电压开始降低，在某个时刻，交流电的电压会高于电容上的电压，这时，电网上才会有电流流入电容(给电容充电，使电容上的电压升高)和负载中。因此，电网仅在接近电压峰值的时刻向负载输入电流，电流的形状为脉冲状。

通过付立叶分析可知，这种脉冲状的波形包含丰富的三次谐波成分。

3次谐波的典型故障

上图是一个典型的配电系统。首先，建筑物的电力入口处是一台变压器，将中压电(一般为10kV)变为低压电。变压器的初级为Δ形接法，次级为Υ接法。然后，通过不同的配电柜(箱)给建筑物中的不同负载供电。在布线时，要充分考虑三相负荷的平衡性。通常，零线的截面积与相线是相同的，有些建筑物中零线的截面积小于相线的截面积。

在这个系统中，3次谐波电流造成的危害具有十分典型的特征，当遇到以下这些故障现象，并且能够确认负荷的种类属于单相整流电路时，就可以初步判定是3次谐波电流的问题：

1. 变压器的初级绕组温度很高，尽管变压器还没有达到额定的功率。这是由于3次谐波电流在初级绕组中形成环流所致。

2. 过流保护装置意外动作，虽然实际电流并没有达到保护的阈值，这是由于包含3次谐波的电流在同样有效值的条件下具有更大的峰值。

3. 零线电流超过相线电流，尽管3相的负荷平衡，往往导致零线过热。这是本文要重点讨论的一种现象。

三次谐波引起跳闸

上图是单相整流电路中的电流波形。

常识告诉我们，电流的持续时间短了，要保持一定的有效值，就必须具有更高的峰值。

这个图中所显示的是一台1500W的设备，按照正弦波电流计算，电流的有效值应该为7A左右，峰值电流为10A左右，但是，这里的峰值达到了60A。

这就会导致通过检测峰值电流工作的保护装置误动作。

案例1：

某火锅城，使用电磁炉加热，当客人较多时，频繁跳闸。而配电箱的设计容量已经留出了2倍的余量。

案例2：

某软件公司，使用数百台电脑，频繁出现跳闸现象。

三次谐波引起变压器过热

谐波电流在流过变压器时，会造成变压器的损耗增加，从而导致变压器的温度过高。其中，三次谐波电流造成变压器过热的情况最为严重。当负载全部为信息设备和节能灯时，变压器的容量往往仅能达到铭牌上标称容量50%。

造成这种现象的原因是变压器的结构。三相四线制配电系统中的变压器的结构都是Δ/Υ结构。当变压器的负载端有三次谐波电流时，三次谐波电流会耦合到变压器的初级侧。这种结构的变压器不会将三次谐波电流发射到上游电网(这可能是一个优点)，但是，三次谐波电流也并不抵消，而是在变压器的初级Δ绕组中形成环流，这种环流的幅度会很大，从而产生很大的热量。

为了防止变压器的温度过高，很多人采用K因子变压器，这种变压器实际就是一种冗余量很大的变压器，通过增大变压器的容量来降低温度。

欧美国家开始采用消谐波变压器，这是通过消除三次谐波环流来实现的。不仅能够降低变压器的温度，并且具有显著的节能效果。从上图中可以看出，消谐波变压器的温度远低于普通变压器，减少的发热量就是节省的电能。

三次谐波引起零线过热

三次谐波电流引起的另一种典型故障就是零线过热。

图中所示的是开关柜中零线电流过大导致过热的情况。上面的一组是可见光照片，可以看到零线过热的情况。左面的是零线的绝缘层严重老化，右面的是零线的接线铜排严重氧化。这都说明零线处于高温下。

下面的图中，展示了红外线图象。右面的图像为可见光照片，虽然零线仍然完好，但是左面的图像告诉我们，他的温度已经超过了相线。长时间的高温，会加速绝缘层老化。

造成零线过热的原因就是零线电流过大。零线不同于相线，他没有过流保护装置，因此在电流过大的情况下，不会进行保护，只能任凭发热。

变压器过热的情况容易引起维护人员的警觉，并且可以通过增大变压器的容量，或者增加外部散热的方式进行降温。而零线过热的问题往往被维护人员忽略。

电缆过热往往是电气火灾的隐患。因此，对于零线过热的情况必须足够重视。

零线电流过大现象

从上一页，我们观察到了零线过热的现象。零线电流是导致零线过热的原因。实际测量表明，零线电流过大的现象并非罕见。

上图中的数据是在不同的建筑物中测量的结果。其中，建筑物1、4、6中，零线电流已经大大超过了相线电流。

零线电流过大的后果是导致零线温度过高。这实际是三次谐波所导致的。前面我们已经阐述了三次谐波电流的来源，主要是单相整流电路为代表的非线性负荷产生的。现代建筑物中，由于大量使用电子信息设备、节能灯等非线性负荷，会产生很大的3次谐波电流。结果就是导致零线电流过大。

这是一个十分可怕的事实。因为电流流过导体时要产生热量，热量与电流的平方成正比(I2R)，当电流达到相线电流的1.5倍时，零线的发热量会达到相线2.25倍!

另一个可怕的事实是，在一般配电系统中，虽然相线上有过流保护装置，而零线上并没有过流保护装置。过大的电流必然会导致零线过热，酿成火灾隐患。

三次谐波电流在零线上的叠加

我们对零线电流过大的现象已经有了充分的了解。那么，这种现象是怎样形成的呢。传统的电工理论告诉我们，当三相电路的负荷平衡时，零线上的电流为零，或者很小。为什么现在这个理论不对了呢。

这是因为，仅当三条相线上的电流波形为正弦波，并且它们相差120°时，如果三相线上的电流幅度相同，才能保证在零线上矢量叠加的结果是总和为零。

我们知道，单相整流电路的电流是脉冲状的。如果三条相线上的电流是脉冲状的，结果如何呢。

上图给出了结论。他们在中线上虽然也是叠加，但是相互错开，无法抵消。并且中线上的脉冲电流的数量是相线上的脉冲电流数量的3倍。

从图中可知，中线上的电流脉冲数是相线上的电流脉冲数的3倍，根据电流有效值的计算方法，中线上的电流会达到相线的1.7倍。如果整流电路的电流的脉宽大于60°，就会在中线上发生重叠现象，这时中线上的一部分电流发生抵消，实际的零线电流会小于相线电流的1.7倍。

前面我们从电流波形的角度解释了单相整流电路必然导致零线电流过大的的现象。

读者可能还会有疑惑，为什么零线上的谐波电流以三次为主呢。这是因为两个原因。第一，单相整流电路产生的谐波成分中，以三次为最大，三次谐波畸变率通常达到80%以上。

第二，其他次数的谐波电流在零线上会有抵消的效果，唯有三次不会。

单相整流电路产生3次谐波电流，由于三相电的每相基波电流之间相位相差120°，因此3次谐波电流的相位相差360°(3×120° =360°)，对于交流电而言，相位相差360°意味它们是同相位的。

因此，3次谐波电流在零线上是算数叠加的。这就是三次谐波的特殊性。

读者可能会想到，不仅三次谐波具有这样的特性，只要是基波频率3倍频率的谐波都应该具有这样的特性。确实如此，这些频率是基波频率3倍的谐波称为3倍频谐波，他们在中线上都是算术叠加的。但是6、9次以及更高的3倍频谐波很小，甚至没有，因此不予考虑。

解决三次谐波的方法

前面讨论了三次谐波的危害。读者可能更关心如何解决这些问题。虽然市场上有很多解决方法：陷波电路的无源滤波器、曲折变压器、有源滤波器、零线谐波阻断器等，但是，综合各种方法的优缺点，航天绿电推荐有源滤波器和零线阻断器两种方法。这两种方法行之有效，并且没有明显的负作用。

1. 有源滤波器(PSW)：当对电压畸变率有较高的要求时使用。需要注意的是，有源滤波器仅对其安装位置的上游有作用，对于下游没有任何效果。因此要注意安装的位置。不能安装在变压器的下端，这样仅能够降低变压器的温度，对于降低零线温度没有任何作用。有源滤波器的方案的缺点是成本很高。

2. 零线谐波电流阻断器(NBF)：如果对于电压畸变率没有严格的要求，仅是为了消除3次谐波电流的种种不良影响，使用零线谐波电流阻断器是性价比最高的方法。只要在变压器的次级安装一台NBF，就能够保护整个系统免受三次谐波电流的危害。但是NBF作用仅在于消除3次谐波电流的影响，对于改善整个系统的电能质量效果很小。

用PSW解决3次谐波电流

用有源滤波器解决谐波的问题是个理想的方案。但是需要注意的是，有源滤波器仅对上游的线路具有清除谐波的效果，而对于下游线路没有任何效果。

因此，如果采用有源滤波器的方法，就要在分配电箱处安装。如果仅在变压器的下端安装，就对变压器具有保护作用，而对零线没有任何效果。

如果分配电箱中有继电保护装置，则这些继电保护装置仍然可能出现误动作的现象。