高低压电器自动化试验设备的电压波形畸变率分析

发布时间：2025-06-28 17:09:00 来源：乐清市通欣检测设备制造有限公司

一、电压波形畸变的定义与危害

电压波形畸变率，即总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，简称 THD），用于量化实际电压波形偏离理想正弦波的程度，计算公式为：

THD=V1∑n=2∞Vn2×100%

其中，Vn
为n
次谐波电压幅值，V1
为基波电压幅值。在高低压电器自动化试验中，理想的正弦波电压能测试结果的准确性，但实际运行时，电压波形常因多种因素发生畸变。

电压波形畸变会带来诸多危害。对于试验设备本身，谐波电流会增加设备损耗，导致发热加剧，缩短设备使用寿命；谐波电压可能引发局部放电，影响绝缘性能。在试验过程中，畸变的电压波形会使被测电器承受非标准的电气应力，导致绝缘耐压测试、温升测试等结果出现偏差，无法真实反映电器性能，甚至可能造成误判，影响产品质量评估与认证。

二、电压波形畸变的产生原因

（一）非线性负载的影响

高低压电器试验设备中常包含整流装置、变频器、开关电源等非线性负载。以整流电路为例，其在工作时电流呈现脉冲状，包含大量高次谐波。这些谐波电流注入电网后，会在系统阻抗上产生谐波电压降，导致电压波形畸变。此外，被测电器若为非线性设备（如电子变压器、变频电机），也会在试验过程中产生谐波，进一步恶化电压波形。

（二）电源设备自身特性

试验电源的设计与制造缺陷会影响输出电压质量。例如，变压器铁芯的饱和特性会导致激磁电流畸变，进而产生谐波；开关电源的高频开关动作会产生高频谐波。若电源设备的滤波电路设计不合理，无法有效抑制谐波，也会使输出电压波形出现畸变。

（三）电磁干扰与系统参数影响

试验现场的电磁干扰（EMI）会耦合到电压信号中，造成波形畸变。例如，附近的高频设备、雷电活动等产生的电磁脉冲，可能通过电磁感应或静电感应进入试验电路。此外，系统的阻抗参数（如线路电感、电容）与谐波频率发生谐振时，会放大特定频率的谐波，导致电压波形严重畸变。

三、电压波形畸变率的分析方法

（一）基于仪器测量的方法

谐波分析仪：谐波分析仪是专门用于测量电压、电流谐波含量的仪器，可实时显示各次谐波幅值、相位及总谐波畸变率。它通过快速傅里叶变换（FFT）算法，将时域的电压信号转换为频域信号，从而精确分析谐波成分。例如，在高压电器耐压试验中，使用高精度谐波分析仪监测试验电源输出电压，可及时发现谐波异常。

示波器：示波器能够直观显示电压波形的时域特征。通过观察波形的形状、是否存在尖峰或畸变点，可初步判断电压波形是否畸变。配合频谱分析功能，示波器还能分析波形的频谱成分，确定谐波频率和幅值。

（二）基于软件算法的分析方法

在自动化试验系统中，可通过软件算法对采集到的电压数据进行分析。利用数字信号处理（DSP）技术，结合 FFT 算法，对电压信号进行实时处理，计算出各次谐波含量和总谐波畸变率。此外，还可采用小波变换等算法，对非平稳信号进行分析，更准确地捕捉电压波形的畸变特征。

四、降低电压波形畸变率的措施

（一）优化电源设计与配置

选择低谐波的试验电源，如采用 12 脉波或 24 脉波整流电路的电源，可有效减少谐波产生。在电源输出端加装高性能的滤波器，如 LC 滤波器、有源电力滤波器（APF），能抑制谐波电流，改善电压波形。此外，合理配置变压器参数，避免铁芯饱和，也有助于降低谐波。

（二）采用谐波抑制技术

对于非线性负载，可采用功率因数校正（PFC）技术，使电流波形更接近正弦波，减少谐波含量。在试验电路中安装谐波隔离变压器，可阻断谐波在不同设备间的传播，降低系统谐波干扰。此外，通过优化系统拓扑结构，避免谐波谐振的发生。

（三）加强电磁屏蔽与接地

对试验设备和线路进行良好的电磁屏蔽，可减少外部电磁干扰对电压信号的影响。采用屏蔽电缆、金属屏蔽罩等措施，防止电磁耦合。同时，设备可靠接地，降低接地电阻，可有效抑制共模干扰，提高电压信号的稳定性。

五、案例分析

在某低压电器自动化温升试验中，试验初期发现被测电器温升异常偏高，经谐波分析仪检测，试验电源的电压总谐波畸变率高达 15%。进一步排查发现，试验现场的变频器产生的谐波注入电网，导致电源电压波形畸变。通过在变频器输出端加装 APF，并优化试验电源的滤波电路，将电压总谐波畸变率降至 5% 以下，再次进行温升试验，被测电器温升恢复正常，验证了电压波形畸变对试验结果的影响以及采取抑制措施的有效性。

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