В сетях трехфазного тока особое значение имеет третья и все кратные ей высшие гармонические. Как показано на рис. 33, три синусоиды основных колебаний симметричной трехфазной системы смещены во времени одна относительно другой на 7з периода. Высшие гармонические трех наружных проводов, которые показаны отдельно на рис. 33, отстают друг от друга на такой же интервал времени. Ввиду того что 1/3 периода основного колебания равна полному периоду третьей высшей гармонической, очевидно, что третьи гармонические тока и напряжения во всех трех наружных проводах трехфазных цепей имеют одинаковую фазу. Следовательно, их переменные токи или напряжения при соединении звездой по рис, 34 во всех трех фазах генератора или потребителя тока направлены в каждый момент времени одинаково, либо к нейтрали, либо от нее, как показано на рисунке стрелками. Таким образом, сеть трехфазного тока в целом будет находиться относительно нулевой точки обмотки под напряжением тройной частоты, в то время как между проводами симметричной системы напряжения этой частоты возникать не будут. Отсюда следует, что, пока нейтраль изолирована, третьи гармонические напряжения при нормальной схеме протекания тока проявить себя не могут.
Если же нулевая точка трехфазной системы заземлена, как на рис. 34, либо непосредственно, либо через активное или индуктивное сопротивление, то напряжения с тройной основной частотой будут создавать зарядные токи в емкости всей сети относительно земли и могут при этом оказывать сильное влияние на соседние линии проводной связи. То же самое справедливо и для напряжения девятой, пятнадцатой и других высших гармонических, равных 3(2n+1) основной частоты. Поскольку высшие гармонические тока проходят и через индуктивность обмоток, то ввиду их высокой частоты при большой емкости проводов сети в определенных условиях может возникать резонанс с теми собственными частотами сети, которые соответствуют распределению токов, показанному на рис. 34. Такие явления наблюдались прежде всего в сетях с сильно насыщенными трансформаторами, вызывающими в соответствии с изображенными на рис. 21 кривыми третьи гармонические напряжения с большим амплитудным значением. Они могут также встречаться в высоковольтных линиях с сильными коронными разрядами (рис. 32).
При соединении трех фаз обмотки в треугольник (рис. 35) все третьи высшие гармонические напряжения действуют ввиду их одинаковой фазы в одном и том же направлении. Следовательно, они замкнуты накоротко через индуктивность обмотки и создают внутренние токи. В генераторах и двигателях эти внутренние токи являются вредными, так как вызывают бесполезные джоулевы потери и искажают характер изменения индукции в машине. В трансформаторах они полезны, так как образуют дополнительный намагничивающий ток, наличие которого улучшает форму общей кривой тока и позволяет в соответствии с рис. 20—22 добиться синусоидального изменения индукции и напряжения во всех обмотках.
Поэтому с целью предотвращения колебаний напряжения с тройной основной частотой в трансформаторах высокого напряжения очень часто применяется схема соединения обмотки низшего напряжения треугольником. Если по каким-либо причинам нежелательно отказаться от схемы соединения звездой, то в трансформаторе можно кроме первичной и вторичной обмоток предусматривать еще и третичную обмотку, включенную треугольником, в которой могут образовываться все третьи и кратные им высшие гармонические тока.
При соединении трехфазных обмоток по схеме зигзагом, показанном на рис. 36, в противоположность схеме соединения в звезду по рис. 34 в нулевой точке не могут образовываться третьи гармонические тока, так как основные колебания двух обмоток, из которых состоит каждая фаза, смещены на 60°, а их высшие гармонические смещаются поэтому согласно рис. 33 по фазе на 3· 60°= 180°, так что они направлены навстречу друг другу, взаимно компенсируются и во внешней цепи не появляются. Поэтому эта схема особенно хорошо подходит для заземления в нулевой точке.
Все приведенные выше условия возникновения третьей гармонической напряжения справедливы только при условии полной симметрии системы трехфазного тока. Это означает, что свойства и парметры всех трех проводов и обмоток должны быть абсолютно одинаковыми, а индуцируемые в трех фазах напряжения должны быть равны между собой и сдвинуты по фазе на 120°. В противном случае в системе остаются третьи и более высокие гармонические.
Рис. 37 Рис. 38
Различные трехфазные схемы также оказывают разное влияние на гармонические более высокого порядка, чем третий. Уже при среднем насыщении стали они вызывают своим искаженным намагничивающим током пятые и седьмые гармонические со значительными амплитудами и направляют их в сеть, где каждая из них образует полную трехфазную систему.
Однако эти системы имеют при схеме соединения звездой, с одной стороны, и при схемах соединения треугольником и зигзагом, с другой стороны, противоположные направления вращения. Поэтому путем попарного соединения нескольких трансформаторов с различными схемами соединения обмоток, как показано на рис. 37, удается компенсировать их высшие гармонические и предотвратить их попадание в остальную сеть. На рис. 38 приведены осциллограммы отдельных намагничивающих токов двух трансформаторов с одинаковым насыщением, обмотки одного из которых соединены в звезду, а другого — в треугольник, а также общего тока сети, который при этом почти не содержит высших гармонических.
