非线性负载(过欠压波动、浪涌冲击、谐波、三相不平衡)

电源污染（非线性负载导致）近年来, 电力网中非线性负载的逐渐增加是全世界共同的趋势，如变频驱动或晶闸管整流直流驱动设备、计算机、重要负载所用的不间断电源(UPS) 、节能荧光灯系统等，这些非线性负载将导致电网污染，电力品质下降，引起供用电设备故障, 甚至引发严重火灾事故等。

电力污染及电力品质恶化主要表现在以下方面：电压波动、浪涌冲击、谐波、三相不平衡等。

1、电压波动及闪变（过压/欠压波动）过压波动：（断路器）指多个正弦波的峰值，在一段时间内超过(低于)标准电压值，而普通避雷器和过电压保护器，完全不能消除过压波动，因为它们是用来消除瞬态脉冲的。

普通避雷器在限压动作时有相当大的电阻值，考虑到其额定热容量（焦尔），这些装置很容易被烧毁，而无法提供以后的保护功能。

这种情况往往很容易忽视掉，这是导致计算机、控制系统和敏感设备故障或停机的主要原因。

欠压波动：（控制电路，断路器欠压脱扣）它是指多个正弦波的峰值，在一段时间内低于标准电压值，或如通常所说：晃动或降落。

长时间的低电压情况可能是由供电公司造成或由于用户过负载造成，这种情况可能是事故现象或计划安排。

更为严重的是失压，它大多是由于配电网内重负载的分合造成，例如大型电动机、中央空调系统、电弧炉等的启停以及开关电弧、保险丝烧断、断路器跳闸等，这些都是通常导致电压畸变的原因。

大型用电设备的频繁启动导致电压的周期性波动,如电焊机、冲压机、吊机、电梯等,这些设备需要短时冲击功率,主要是无功功率。

电压波动导致设备功率不稳，产品质量下降；灯光的闪变引致眼睛疲劳,降低工作效率。

2.2 浪涌冲击(投切、开断、雷电引起的电压瞬时脉冲)浪涌冲击是指系统发生短时过（低）电压,即时间不超过1毫秒的电压瞬时脉冲，这种脉冲可以是正极性或负极性，可以具有连串或振荡性质。

它们通常也被叫作：尖峰、缺口、干扰、毛刺或突变。

电网中的浪涌冲击既可由电网内部大型设备（电机、电容器等）的投切或大型晶闸管的开断引起，也可由外部雷电波的侵入造成。

浪涌冲击容易引起电子设备部件损坏，引起电气设备绝缘击穿；同时也容易导致计算机等设备数据出错或死机。

解决办法：输入电抗器变速器，变频器在使用过程中，经常会受到来自浪涌电流和浪涌电压的冲击，会严重损坏变频器和调速器的性能和使用寿命作用：1、抑制浪涌电流和浪涌电压的冲击，保护变频器和调速器，延长其使用寿命。

2、由于变频器和调速器是采用变频的方式调速的，所以在调速的过程中会产生高次谐波和波形畸变，会影响设备正常使用。

输入电抗器抑制来自电网的3、5次谐波的电磁干扰。

（如果频率高于5次、需选用变频器专用型输入滤波器）2.3 谐波（非线性负载导致的非正弦波形，附加波形损耗）线性负载，例如纯电阻负载，其工作电流的波形与输入电压的正弦波形完全相同，非线性负载，例如斩波直流负载，其工作电流是非正弦波形。

传统的线性负载的电流/电压只含有基波(50Hz)，没有或只有极小的谐波成分，而非线性负载会在电力系统中产生可观的谐波。

谐波与电力系统中基波叠加，造成波形的畸变，畸变的程度取决于谐波电流的频率和幅值。

非线性负载产生陡峭的脉冲型电流，而不是平滑的正弦波电流，这种脉冲中的谐波电流引起电网电压畸变，形成谐波分量，进而导致与电网相联的其它负载产生更多的谐波电流。

高次谐波：基波频率的2次以上整数倍数也常称为高次谐波1.谐波是怎么产生的。

一是发电源质量不高产生谐波：发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。

二是输配电系统产生谐波：输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。

它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。

铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。

三是用电设备产生的谐波：晶闸管整流设备。

由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。

我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。

如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。

如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。

经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。

变频装置。

变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。

电弧炉、电石炉。

由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。

其中主要是2 7次的谐波，平均可达基波的8% 20%，最大可达45%。

气体放电类电光源。

荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。

分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。

2.谐波的危害理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。

谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还没有引起足够的重视。

近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。

谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。

（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。

谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。

谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，从而造成过电流和过电压引发事故。

（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作.（5）使电气测量仪表计量不准确。

（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。

2.4 三相不平衡三相不平衡会在中性线上产生过电流(由谐波和不平衡引起)不仅会使导线温度升高，造成绝缘损坏，而且会在三相变压器线圈中产生环流，导致变压器过热, 甚至引发严重火灾事故等。

三相负荷不平衡的危害1．对配电变压器的影响（1）三相负荷不平衡将增加变压器的损耗：变压器的损耗包括空载损耗和负荷损耗。

正常情况下变压器运行电压基本不变，即空载损耗是一个恒量。

而负荷损耗则随变压器运行负荷的变化而变化，且与负荷电流的平方成正比。

当三相负荷不平衡运行时，变压器的负荷损耗可看成三只单相变压器的负荷损耗之和。

从数学定理中我们知道：假设a、b、c 3个数都大于或等于零，那么a+b+c≥33√abc 。

当a=b=c时，代数和a+b+c取得最小值：a+b+c＝33√abc 。

因此我们可以假设变压器的三相损耗分别为：Qa＝Ia2 R、Qb= Ib2 R 、Qc =Ic2 R，式中Ia、Ib、Ic分别为变压器二次负荷相电流，R为变压器的相电阻。

则变压器的损耗表达式如下：Qa+Qb+Qc≥33√〔（Ia2 R）（Ib2 R）（Ic2 R）〕由此可知，变压器的在负荷不变的情况下，当Ia=Ib=Ic时，即三相负荷达到平衡时，变压器的损耗最小。

则变压器损耗：当变压器三相平衡运行时，即Ia=Ib=Ic=I时，Qa＋Qb＋Qc=3I2R；当变压器运行在最大不平衡时，即Ia=3I，Ib=Ic＝0时，Qa=(3I)2R=9I2R=3(3I2R)；即最大不平衡时的变损是平衡时的3倍。

（2）三相负荷不平衡可能造成烧毁变压器的严重后果：上述不平衡时重负荷相电流过大（增为3倍），超载过多，可能造成绕组和变压器油的过热。

绕组过热，绝缘老化加快；变压器油过热，引起油质劣化，迅速降低变压器的绝缘性能，减少变压器寿命（温度每升高8℃，使用年限将减少一半），甚至烧毁绕组。

（3）三相负荷不平衡运行会造成变压器零序电流过大，局部金属件温升增高：在三相负荷不平衡运行下的变压器，必然会产生零序电流（三相电流不平衡所产生的电路成为零序电流），而变压器内部零序电流的存在，会在铁芯中产生零序磁通，这些零序磁通就会在变压器的油箱壁或其他金属构件中构成回路。

但配电变压器设计时不考虑这些金属构件为导磁部件，则由此引起的磁滞和涡流损耗使这些部件发热，致使变压器局部金属件温度异常升高，严重时将导致变压器运行事故。

2. 对高压线路的影响（1）增加高压线路损耗：低压侧三相负荷平衡时，6～10k V高压侧也平衡，设高压线路每相的电流为I，其功率损耗为：ΔP1 = 3I2R低压电网三相负荷不平衡将反映到高压侧，在最大不平衡时，高压对应相为1.5I，另外两相都为0.75 I，功率损耗为：ΔP2 = 2（0.75I）2R＋（1.5I）2R = 3.375I2R =1.125（3I2R）；即高压线路上电能损耗增加12.5％。

（2）增加高压线路跳闸次数、降低开关设备使用寿命：我们知道高压线路过流故障占相当比例，其原因是电流过大。

低压电网三相负荷不平衡可能引起高压某相电流过大，从而引起高压线路过流跳闸停电，引发大面积停电事故，同时变电站的开关设备频繁跳闸将降低使用寿命。

3 对配电屏和低压线路的影响（1）三相负荷不平衡将增加线路损耗：三相四线制供电线路，把负荷平均分配到三相上，设每相的电流为I，中性线电流为零，其功率损耗为：ΔP1 = 3I2R在最大不平衡时，即某相为3I，另外两相为零，中性线电流也为3I，功率损耗为：ΔP2 = 2（3I)2R = 18I2R = 6（3I2R)；即最大不平衡时的电能损耗是平衡时的6倍，换句话说，若最大不平衡时每月损失1200 kWh，则平衡时只损失200 kWh，由此可知调整三相负荷的降损潜力。

（2）三相负荷不平衡可能造成烧断线路、烧毁开关设备的严重后果：上述不平衡时重负荷相电流过大（增为3倍），超载过多。