单相整流器负载对三相供电系统的影响

陈永真  辽宁工学院

摘  要： 本文分析了单相整流器负载在不同的滤波条件下的工作状态，指出并分析了这些负载特性对三相四线制供电系统特别是零线的影响与危害，提出供电系统在设计时应考虑单相整流器负载的影响以及单相整流器负载应进行功率因数提高的改造。

关键词：单相整流器负载  高次谐波  零线电流

随着计算机、彩色电视机、变频空调等办公、家用电器的越来越广泛的应用，使低压三相供电系统中的单相整流器负载越来越多，所产生的高次谐波电流对供电系统的影响也越来越大，甚至影响供电系统的安全运行。

1  简单相整流器负载工作特性介

由滤波电路特性，单相整流器负载可分为容性滤波单相整流器负载和感性滤波单相整流器负载。

1.1  容性滤波单相整流器负载

容性滤波单相整流器负载的电器主要有：计算机、彩色电视机、变频空调等，其整流滤波电路结构、输入电流波形、功率因数、总谐波失真（THD）等主要参数基本相同，整流滤波电路如图1，整流器输入、输出电流波形如图2。很明显，由于整流器的非线性特性和输出滤波电容器的电压保持特性，使整流器在各半周的导通角不再是180°/10ms，而是约44°～55°/2.2～3ms，如测试某计算机电源中整流器的输入、输出电流波形的主要参数为：导通角/时间：54°/3ms，波形系数：2. 6，整流器输出电流有效值与平均值之比：2.06，大于正弦波的 和1.11，其三次谐波、五次谐波、七次谐波分别为基波的1.21、0.81、0.62，与正弦波电流相比严重失真，在这种工作条件下，功率因数约为0.6，无功功率的绝大部分为高次谐波无功功率，基波电流相移接近零，略为超前，总谐波失真（THD）约80%。

1.2  感性滤波单相整流器负载

为改善变频空调和其它单相整流器的功率因数，通常在整流器与滤波电容器之间接一滤波电感（或称平波电抗器），使成为感性滤波单相整流器负载，其电路如图3，输入电流波形如图4。通常为分析方便，可近似认为电流波形为方波，这时功率因数为0.9（均为高次谐波无功功率），THD：43.6%。

2  单相整流器负载对三相四线制供电系统的影响

三相四线制供电系统向线性负载供电状态下，当三相负载平衡时三相负载电流在零线上相互抵消，符合：

    （1）

当负载为非线性负载，特别是容性滤波整流器负载，由于这时负载电流不再是正弦波电流如图5，从图中可以看到，U、V、W三相负载电流在零线上并没有相互抵消。当整流器导通角/脉冲宽度小于60°/3.3ms（绝大多数容性滤波整流器负载的工作状态均为这样）时，三相负载电流在零线上的电流如图5，从图中可以看到，个相电流在零线没有抵消，而是迭加，由数学解析式也可以得出：

由式（1），零线上的基波电流相互抵消。

零线上的三次谐波谐波电流为：

    （2）

                   （3）

               （3）

也可以推导出：

零相序各次谐波即3k（k=1、2、3……）次谐振电流在零线上代数迭加，

其它3k+2次谐波电流在零线上幅值为该次线电流幅值的（√3-1），

其它3k+1次谐波电流则在零线上相互抵消。

很明显，对于容性滤波整流器负载和感性滤波整流器负载，零线电流为相线电流的√3倍和1倍。

3.1  单相整流器负载对三相供电系统的影响

3.1  电力变压器和供电线路中零线电流与相线电流的关系

通常的三相电力变压器均依照线性负载工作状态下设计零线、引线和接线柱，绝大多数负载工作状态时的负载电流均明显小于相（线）电流，因而零线的引线和接线柱导线截面远小于各相线引线和接线柱导电截面，同样在供电电路中也采用同样原则，以低压三相四线制电缆尤为明显。

3.2  单相整流器负载对三相四线制供电系统的影响

在三相四线制供电系统中大量使用单相整流负载，特别是容性滤波整流负载。由于零线电流为相线电流的√3倍，而国家标准GB13499-1992“电力变压器应用导则”第7.21、b、三相三柱芯式变压器中要求：

“（1）二次绕组中性点可通过消弧线圈带有一定的负载，当此负载为25%额定负载时，其持续通过时间最长不超过1. 5h，若为20%，不超过3h。此时，除引起可观的变压器杂散损耗外，还会使零序电压降达到相电压的5%--10%。

…………

（2）当而次绕组连接成三相四线制系统对负载供电时，如要考虑电压的对称性（例如为了照明供电），则中性点的连续负载不要超过10%额定电流“

国家标准GB1094-1997“电力变压器”在运行条件中也明文规定：“31  连接组为Y/YO-12的三相变压器，一般中线电流不得超过低压线圈额定电流的25%，此时其中任一相的电流不得超过额定电流值。”

很明显，当三相四线制系统对容性滤波单相整流器负载供电其相电流达到额定电流时，由于零线上的电流已达到相电流的√3倍！为国家标准规定的零线电流的7—17倍！必将造成供电系统的零线严重负荷直至烧坏变压器零线。89年盛夏由于酷暑，经济发达的华东地区大量使用应用性能好且节电的变频空调而导致了该地区的电力变压器出现多起烧坏电力变压器零线事件就是一明显事例，尽管供电部门为解决这一问题而不得不选用更大容量的变压器，尽管这样可以避免了电力变压器被烧毁，但运行成本增加（变压器成本，变压器容量增大后的电能损耗），使供电部门的经济效益下降，供电成本增加就成为不可避免的，与此同时电网的供电质量下降是单相整流器负载带来的另一个问题。

当低压三相四线制供电系统向负载几乎完全是容性单相整流器负载（如计算机系统和大量使用计算机的写字楼）供电时特别是供电路线设计不当时（如采用标准三相四芯供电电缆，其零线截面积为相线的1/4—1/3），将引起电气火灾，如某高校在学生宿舍允许使用计算机后，由于计算机的大量使用（最多时平均每个宿舍达五台），致使计算机使用高峰时出现几次由于零线的严重过载的电气火灾事件是容性滤波单相整流器负载对供电线路造成危害的事例；也有些计算机房采用三相供电时由于忽略了零线的作用，常出现零线严重打火、过热现象；大量安装节能灯、电子镇流器（尽管每个节能灯、电子镇流器造成的高次谐波电流相对很小，但大量使用时由于相互只是迭加而不能相互抵消使高次谐波电流非常客观，这与与线性负载和其它非线性负载不同）的场所在零线选择不当的时也会出现上述问题。

4  结束语

单相整流器负载，特别是容性滤波的单相整流器负载，以经济实用而得到普遍应用。但所造成的不良后果不容忽视，在日益重视环境保护的今天，应对高次电流对电网的污染加以重视。变频空调虽好，但不解决功率因数低对电网的污染和危害，迟早会限制其产业和应用的发展。计算机、彩色电视机也是如此，必须考虑功率因数，特别是畸变功率因数问题；供电系统在设计时应考虑当今的大量容性滤波整流器负载对供电子流的影响，尽量减小由此产生的电气事故。