如图1—10所示,发电厂产生的高压,经过电力传输变压器,最终供给终端用户使用,其电压范围一般为220~380V(绝大部分亚洲和欧洲地区)。
图1—10 配电传送路径中谐波和位移的传输
注意这里,用电设备产生的谐波THD及位移因数cos φ 会呈现在220~380V的电网中,但是谐波却不能够通过电力隔离传输变压器返回到发电厂,而位移因数却可以。如果是从终端用户来看,二者对消费者都没有影响,即消费者感受不到一个设备是否是高或低功率因数的区别。
所以这里的结论就很明显了:
1)PF低只会降低输电以及配送的效率;
2)而电流谐波由于不能通过变压器网络,故对发电系统没有影响。
看起来所有的副作用只由位移因子cos φ 产生,那么是不是电流畸变根本没有不利影响?答案是,有但仅存在于建筑物安装配线过程中。如图1—11所示是对简单影响的分析。
电流谐波因为不能通过380V~10kV的传输变压器,对绝大多数家用的220~240V用电系统也不会产生影响,那么谐波的影响体现在380V系统中。
图1—11 电流畸变对各个环节的影响
在大型商业建筑中,很多采用的是三相四线制供电系统,即低压配电系统中,这种三相四线制系统在工业供电、民用住宅以及城市供电等电力系统中普遍应用。三相四线供电电缆截面如图1—12所示。
图1—12 三相四线供电电缆截面
谐波THD会影响三相四线制中的中线,具体来说,如果用电设备产生大量的谐波的话,只有奇数次谐波才有影响(如3次、5次、9次、15次等谐波)。
而中线一般也作为保护性接地,即通常所说的PEN接地线,这在大型建筑物的三相380V供电系统中广泛存在。
所以结果就是,谐波电流会流入到中线上,这样的后果就是导致中线上过热,最终可能导致火灾发生。而正常情况下,由于三相平衡,接地中线上是没有电流流动的。所以,读者看到这里,就知道为什么政府及标准对谐波有要求了,即使由于奇数次谐波导致的PEN接地中线过热问题这种情况发生的概率较低。
图1—13从理论层面分析了三相四线制中谐波的影响。
可以看到,不为零的中线电流会导致中线或接地线过热。
然而畸变的电流可以用不同次数的谐波电流来量化表征,即THD:
图1—13 谐波在三相四线制电缆中的叠加效应
这里 i n 即为第 n 次谐波的幅值。仔细分析上图,可以得到一个比较有意思的结论,即各次谐波的存在是非常有规律的,总的来说,可以分成三组:
1)奇数3次谐波,如3次、9次、15次等,如前所述,它们的矢量叠加对380V建筑物供电系统有影响,但不能通过变压器折回到发电厂。但是也可以看到,从9次谐波后,各次谐波的绝对值非常小以至于影响微乎其微。
2)奇数非3次谐波,如5次、7次、11次等,他们没有矢量相叠加的情况,而且一般来说其绝对值也很小。
3)偶数次谐波,从周期函数的傅里叶分解可以看到,它们是不存在的。