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摘要：电力系统中理想的电流、电压波形是正弦波，但由于电力系统中存在各种非线性元件，使电压和电流的波形发生畸变产生谐波。电力系统谐波是影响电力系统安全的经济运行的主要因素之一，它会造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、保护功能失常，还会引起变电站局部并联或串联谐振，造成设备损坏。因此，治理好谐波，不仅能降低电能损耗，而且能延长设备使用寿命，改善电磁环境，提高产品的品质。
关键词：谐波定义 谐波的产生 谐波的危害 谐波治理
“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪奠定了良好的基础。傅利叶等提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945 J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有变流电力系统、工业、交流及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。
国际上公认的谐波的定义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，并且能分解成傅里叶级数。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称它为高次谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为2≤n≤40。谐波次数“n”必须是正整数，而且谐波现象的波形保持不变。
1 谐波的产生
在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。再致函线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。但在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不成线性关系的负荷时，就形成非正弦波电流。任何周期顶波形均可分解为一个基波频率正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基波频率的整数倍，例如基波频率为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。因此畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波……直到第四十次谐波组成（即2≤n≤40）。
电力系统本身包含的能产生谐波电流的非线性元件主要是变压器的空载电流，交、直流换流站的晶闸管控制元件，晶闸管控制的电容器、电抗器组等。但电力系统谐波更重要的来源是各种非线性用户，如各种整流设备、调节设备、电弧炉、轧钢机以及电气拖动设备。各种低压电气设备和家用电器产生的谐波电流也能从低压侧馈入高压侧。
1.1 发电机造成的谐波
发电机是由三相绕组组成的，理论上讲，发电机三相绕组必须完全对称，发电机内的铁心也必须完全均匀一致，才不致造成谐波的产生，但受工艺、环境以及制作技术等方面的限制，发电机总会产生少量的谐波。
1.2 电力变压器造成的谐波
变压器产生谐波的原因是铁磁饱和特性，因变压器内铁心饱和，磁化曲线的非线特性以及额定工作磁密位于磁化曲线近饱和段上等诸多因素，致使磁化电流呈尖顶形，内含大量奇次谐波。当变压器稳态工作时，这种由磁饱和引起的高次谐波一般很小，不会对系统的工作造成危害；但随着变压器铁心饱和度提高，其工作点偏离线性逐渐变远远，产生的谐波电流就越来越大。例如：当变压器流过直流时，增加了变压器铁心的饱和程度，产生的高次谐波不再能被滤波器滤除。
1.3 整流和变流装置
整流和变流装置在变换电力的过程中，使得从电力系统输入的电压、电流之间失去了比例关系，导致负荷电流波形非正弦，成为了谐波源。
目前个人计算机和大多数办公室和家用电器以及现代荧光灯照明系统的电子镇流器都采用开关模式电源的概念，也就是将输入整流器直接接到交流电源，又降整流电压变回到很高频率的交流，然后再整流。这个过程使得电源设计变的非常紧凑且使效率提高、允许输入电压可在大范围变化。但是缺少交流侧电感的平波作用，使窄电流脉冲直接进入交流系统，是谐波电流成分大大增加。
1.4 充气电光源和家用电器
荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯应用气体放电原理发光，其伏安特性具有明显的非线性特征。计算机、电视机、录像机、调光灯具、调温炊具、微波炉等家用电器，因内置调压整流元件，会对电网产生高次奇谐波；电风扇、洗衣机、空调器含小功率电动机，也会产生一定量的谐波。这类设备功率虽小，但数量多且不易控制，也是电网谐波源中不可忽视的因素。
2 谐波的危害
电力系统谐波最明显的恶果或许是在电话通信中因感应谐波噪声而使通话质量下降，但是还有一些更具灾难性后果的情况。例如引起电气没备(电机、变压器和电容器等)附加损耗和发热：使同步发电机的额定输出功率降低，转矩降低，变压器温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至损坏、降低继电保护、控制、以及检测装置的工作精度和可靠性等。谐波注入电网后还会使无功功率加大，功率因数降低，甚至有可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备以及干扰通信线路的正常工作。
2.1 增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率
由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。
2.1.1 对旋转电机的影响
谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此，谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。由于电动机的出力一般不能按发热情况进行调整，由谐波引起电动机的发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的。试验表明，在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压时，电动机的绝缘寿命要减少一半。因此，国际上一般建议在持续工作的条件下，电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2%。
谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大，但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴扭曲振动的问题。这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振，并使汽轮机叶片产生疲劳循环。
2.1.2 对变压器的影响
谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点按地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。
2.1.3 对输电线路的影响
由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。
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谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动，以至损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。对于电力电缆线路，由于电缆的对地电容比架空线路约大10-20倍，而感抗约为架空线路的1/2-1/3，因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成绝缘击穿的事故。
2.1.4 对电力电容器的影响
随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会使谐波电流放大，导致电容器因过热、过电压等而不能正常运行。
2.2影响继电保护和自动装置的工作和可靠性
谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸，则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。
2.3 使测量和计量仪器的指示和计量不准确
由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能，从而谐波源虽然污染了电网，却反而少交电费；而与此同时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。
2.4 干扰通信系统的工作
电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声(3-10kHz)会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。
2.5 对用电设备的影响
谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。
2.6 谐波对人体的影响
从人体生理学来说，人体细胞在受刺激兴奋时，会在细胞膜静息点为基础上发生快速电波动可逆翻转，其频率如果与谐波频率相近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。
3 谐波的治理
3.1加强标准和相应规范的宣传贯彻
目前，位于日内瓦的国际电工委员会（IEC）是国际上公认的电能质量标准主管机构，其制定的IEC 61000系列标准中包含谐波和间谐波测量及限制标准；此外还有广为使用的IEEEE 519-1992文件，也提供了谐波方面的有关导则。我国于1998年12月14日发布了国家标准GB17625.1-1998 《低压电器及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流小于等于16A)》，，在技术内容上与国际标准IEC6100-3-2：1995完全一致。GB17625.1规定了标准接入公用低压配电系统中的电气、电子设备(每相输出电流小于等于16A)可能产生的谐波的限值。
加强多方宣传，让电力用户和设备制造商明确谐波治理是一项互惠互利、节能增效，是保证电网和设备安全稳定运行的举措；同时认真贯彻执行相关限制谐波的规定，从总体上控制供电系统中的谐波水平，保证供电系统供给优质的电力质量。
3.2 主管部门对所辖电网进行系统分析，正确测量
在谐波产生欺负较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备充分的原始材料。对电力用户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求；对于供电部门而言，可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。
3.3 装用滤波器
目前可选用的谐波滤波器主要有无源滤波器（包括调谐滤波器、减幅滤波器及直流侧滤波器）和有源滤波器。对于电动机控制器产生的谐波，谐波的形状很分明，可以用滤波器来降低谐波电流。对于六脉冲的控制器，滤波器可以去掉20%的五次谐波以及全部的高次谐波，剩余谐波对基波影响很小。虽然采用滤波器抑制谐波效果显著且在系统中装入一个无源滤波器一般对整个系统都有好处，但滤波器费用很高且有可能和系统阻抗并联组合发生谐振，大大增加波形畸变。
3.4 其它谐波治理技术
除上述谐波治理方法以外，依靠技术手段抑制谐波的方法一般有开关电源干扰法、电压器空载合闸涌流抑制法、抑制单相电容器组开断瞬态过电压法等。
4 结束语
随着非线性电力设备的广发应用，电力系统中谐波问题越来越严重，一方面造成了电力设备的损坏，加速绝缘老化，另一方面也影响了计算机、电视系统等电子设备的正常工作，直接干扰了人们的正常生活。
解决供电系统中的谐波问题，必须要供电部门、电力用户和设备制造商三方面都已电磁兼容的理想为基本出发点。一方面，产生谐波的部门和单位要尽量限制谐波的发射水平;另一方面，供电部门和电力用户都要想方设法提高设备抗御谐波骚扰的能力。只有这样供、用、造三方才能搞好治理谐波这项系统工程的工作。
参考文献
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[4] IEC 61000-3-2.1995,.EMC part 3 -2 《低压供电系统中谐波电流发射限值（对额定电流小于等于16A的设备）》
论文作者:肖文博,杨宗迪
论文发表刊物:《电力设备》2016年第4期
论文发表时间:2016/6/6
标签：谐波论文; 电流论文; 基波论文; 电压论文; 谐振论文; 频率论文; 设备论文; 《电力设备》2016年第4期论文;