电气回路谐波过载和起火危险的防范

       这些年我们在生活中常有这样的体验--断路器的跳闸增多了，可是用钳表测一下回路电流却发现电流并未超过断路器的整定值。原来这就是谐波电流引起的回路过载使断路器跳闸。随着我国用电水平的不断提高，各种新型电器大量进入工商业建筑物和住宅。其中不少电器是非线性负载，它们能产生各次的高次谐波，能使变压器、电动机等发热，降低其出率，也能使回路过载发热，断路器频繁跳闸，甚至引起火灾。谐波可在电气装置内部产生，也可来自被其他用户"污染"的公用电网。它既可危害电气装置自身，也可通过电网的传导危害其他用户。本文只拟对谐波引起的回路过载问题和起火危险作一探讨。

一、线性负载和非线性负载

　　就谐波的产生而言，电气负载有线性负载和非线性负载之分。如对一负载施加一正弦波波形的电压，其负载电流的波形仍为一正弦波波形而未畸变，其负载线为一直线，如图1所示，则此负载被称作线性负载，例如白炽灯、电阻炉、未磁饱和的电动机之类的负载都是。

图1 线形负载的负载线

　　如对一电气负载施加一正波波形的电压，其负载电流的波形因带多次谐波电流成分而发生畸变，它不再为正弦波波形，其负载线不是一条直线而是一条曲线，如图2所示，则此负载称之为非线性负载，例如气体放电灯、微波炉、计算机，变频调速设备等负载都是。

图2 非线形负载的负载线

二、谐波电流与谐波电压互为因果

　　电网电压几乎是设有纯粹正弦波波形的，为了便于说明问题，假设它为正弦波形，并以图3所示的一个典型的电气装置示意图为例来说明谐波电流与谐波电压的关系。图中的装置内有线性负载和非线性负载，电源线路的阻抗则以图示的两个阻抗来代表，它包括电气装置内的阻抗（这是主要的阻抗）和公用电网的阻抗。当电流的正弦波电压施加到非线性负载上时其电流波形发生畸变如图示。当此波形畸变的电流流经电流线路阻抗时，阻抗上将产生含有谐波成分的波形畸变的电压降，使负载端的电压波形也发生畸变，此波形畸变的电压施加到线性负载上时，此负载的电流波形也和电压波形一样畸变。这样，电气装置内的电流波形和电压波形互为因果，都发生畸变而带各次谐波，谐波含量过大时就会产生种种危害。

　　从图3可知，电源线路阻抗越大，谐波电压降越大，电气装置内的谐波电压和谐波电流的含量也越大，减少电流线路阻抗就可减少电气装置内的谐波含量。现时电气装置内的线路主要采用电缆、穿管导线或封闭母线槽，阻抗中的电抗难以再减小，只能减少电阻。我们在设计中常适当放大导线载面以减少线路发热，延长绝缘寿命和提高电压质量。从以上分析可知这样对减少电流线路阻抗从而减少谐波危害也是有好处的。

图3 谐波电流和谐波电压互为因果

三、谐波电流导致的相线和中性线的过载

　　当电阻为R的导体通过电流I时，产生I2R发热，这个I是有效电流或方均根电流。如果电气回路中除基波（50Hz）电流外还存在多次的谐波电流，导体就额外增加这些谐波的I2R发热，当这些谐波的含量过大时就导致回路过载和断路器跳闸。用一般电磁式电流表是测不出这个过载电流的，这是因为电磁式电流表是按电流的平均值偏转的，而断路器的检测元件则是按电流的有效值动作的。当电流波波形为正弦时，电流的平均值和有效值间有一固定的比值，电流表能正确反应电流的有效值，当电流波形畸变时，此比值已非原来正弦波波形的值，它随波形变化而变化，一般电磁式电流表的偏转角偏小而不能发现回路的过载，为此现时采用一种能按热效应来测定电流有效值的电流表，它被称作真实有效值电流表。

　　断路器因谐波电流而动作，说明它有效地起到了过载防护的作用，但人们往往误认为是断路器和电度表电流太小，只换大断路器和电度表而不加大导线载面，其后果是回路过载而防护电器不动作，这自然将损坏绝缘，最终导致电气短路事故甚至火灾的发生。