1.概述在理想情況下，高質量的電源應該提供正弦波形的電壓。然而，在實踐中，由于某些原因，電源電壓的波形會偏離正弦波形，即產生諧波。供電系統(tǒng)中的諧波是指頻率為基頻整數(shù)倍的正弦波分量(內工業(yè)也稱高次諧波。在供電系統(tǒng)中，諧波產生的根本原因是向具有非線性阻抗特性的電氣設備(也稱為非線性負載)供電的結果。這些非線性負載在運行過程中向電源反饋高次諧波，導致電源系統(tǒng)中電壓和電流波形失真，電能質量惡化。因此，諧波是電能質量的重要指標之一。諧波的危害表現(xiàn)為造成電氣設備(電機、干式變壓器、電容器等)的附加損耗和發(fā)熱。):降低同步發(fā)電機額定輸出功率、轉矩、升高干式變壓器溫度、降低效率、加速絕緣老化、縮短使用壽命、甚至損壞：降低繼電保護、控制和檢測裝置等的工作精度和可靠性。諧波注入電網(wǎng)后，無功功率會增加，功率因數(shù)會降低，甚至會引起并聯(lián)或串聯(lián)諧振，損壞電氣設備，干擾通信線路的正常運行。供電系統(tǒng)中的諧波問題已經引起了社會各界的廣泛關注。為了保證供電系統(tǒng)中的所有電氣電子設備都能在電磁兼容的基礎上正常和諧地工作，必須采取有效措施抑制和防止電網(wǎng)諧波危害造成的嚴重后果。第二，諧波的產生原因會產生在電力生產、輸送、轉換和使用的各個環(huán)節(jié)。在發(fā)電中，對發(fā)電機的結構和接線采取一些措施后，可以認為發(fā)電機提供的電壓是基頻的正弦波形。在其他環(huán)節(jié)，諧波主要來自以下具有非線性特性的電氣設備：(1)不準備具有鐵磁飽和特性的鐵芯，如干式變壓器、電抗器等；(2)以具有強非線性特性的電弧為工作介質的設備，如氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等。(3)基于電力電子元件的開關電源設備，如各種功率變換器設備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調速調壓裝置、大容量功率晶閘管可控開關設備等。廣泛應用于化工、電氣化鐵路、冶金、礦山及各種家用電器等工礦企業(yè)。這些非線性電氣設備(或稱為非線性負載)的顯著特點是它們從電網(wǎng)中獲取非正弦電流，也就是說，即使電源向這些負載提供正弦電壓，流經電網(wǎng)的電流也是非正弦的，因為它們只具有電流不隨電壓同步變化的非線性電壓電流特性。該電流波形由基波和基波頻率整數(shù)倍的諧波組成，即產生諧波，嚴重扭曲電網(wǎng)電壓。非線性設備接入低壓供電系統(tǒng)產生的諧波電流可分為穩(wěn)定諧波和變化諧波。所謂穩(wěn)定諧波電流是指這種諧波的幅值不隨時間變化而產生的諧波，如視頻顯示設備、測試儀器等。這種設備給電網(wǎng)帶來恒定的負荷。激光打印機、復印機、微波爐等產生的各次諧波的幅值隨時間變化，稱為波動諧波。對于電網(wǎng)來說，這種設備是一種隨時間變化的負載。隨著電力電子器件的日益增多，這些器件產生的諧波幅度越來越大，是目前供電系統(tǒng)中的主要諧波源。三、諧波的危害在過去，由于與供電系統(tǒng)相連的非線性設備很小，系統(tǒng)中求助引起的諧波電流很小，所以對電能質量的影響很小。 #p#分頁標題#e#

隨著電子技術的發(fā)展，產品采用大功率半導體開關器件和各種開關電源，如電視機、空調、節(jié)能燈、調光器、洗衣機、微波爐、信息技術設備等。迅速涌入家庭。雖然每個裝置注入電網(wǎng)的諧波電流并不大，但這些裝置數(shù)量多，分布廣。有些家用電器，如電視機、空調等，在使用時具有集中性的特點，會使注入電網(wǎng)的諧波電流引起的諧波問題特別突出，不僅會使接入電網(wǎng)的設備無法正常工作，甚至出現(xiàn)故障，還會使供電系統(tǒng)零線承受的電流過載，影響供電系統(tǒng)的輸電。因此，諧波問題一直受到有關各方的高度重視。供電系統(tǒng)中諧波的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面。1.發(fā)電、輸電、供電和用電設備的附加損耗增加，使設備過熱，降低設備的效率和利用率。由于諧波電流的頻率是基頻的整數(shù)倍，當高頻電流流經導體時，導體對諧波電流的有效電阻由于趨膚效應而增大，從而增加了設備的功率損耗和電能損耗，導致導體發(fā)熱嚴重。(1)對旋轉電機的影響諧波對旋轉電機的危害主要是產生附加損耗和轉矩。隨著頻率的增加，趨膚效應、磁滯、渦流等。增加旋轉電機鐵芯和繞組的額外損耗。在供電系統(tǒng)中，用戶的電機負荷約占總負荷的85%。因此，諧波對電動機總附加損耗的增加影響較大。由于電機的輸出不能根據(jù)發(fā)熱情況進行調節(jié)，因此通過將其能承受的諧波電壓轉換成等效的基波負序電壓來考慮諧波對電機的發(fā)熱效應。試驗表明，在額定輸出下，保持3倍額定電壓的負序電壓，電機的絕緣壽命將縮短一半。因此，際上一般建議在連續(xù)運行的閾值下，電機的負序電壓不超過額定電壓的2倍。諧波電流產生的諧波轉矩對電機平均轉矩影響不大，但諧波會產生顯著的脈沖轉矩，可能導致電機軸扭振的問題。該振蕩力矩導致渦輪發(fā)電機轉子元件的扭轉振動和渦輪葉片的疲勞循環(huán)。(2)諧波電流對干式變壓器的影響增加了干式變壓器的銅耗，特別是三次諧波及其多次諧波會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱。對于全星接干式變壓器，當繞組中性點接地，且側電網(wǎng)分布電容較大或安裝中性點接地的并聯(lián)電容器時，可能會形成三次諧波諧振，增加干式變壓器的附加損耗。(3)對輸電線路的影響由于輸電線路阻抗的頻率特性，線路電阻隨著頻率的增加而增加。

在集膚效應的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。在供應電網(wǎng)的損耗中，干式變壓器和輸電線路的損耗占了大部分，所以諧波使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。諧波還使三相供電系統(tǒng)中的中性線的電流增大，導致中性線過載。輸電線路存在著分布的線路電感和對地電容，它們與產生諧波的設備組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時，在一定的參數(shù)配合條件下，會發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。一般情況下，并聯(lián)諧波諧振所產生的諧波過電壓和過電流對相關設備的危害性較大。當注入電網(wǎng)的諧波的頻率位于在網(wǎng)絡諧振點附近的諧振區(qū)內時，會激勵電感、電容產生部分諧振，形成諧波放大。在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大將會引起繼電保護裝置出現(xiàn)誤動，以至損壞設備，與此同時還可產生相當大的諧波網(wǎng)損。對于電力電纜線路，由于電纜的對地電容比架空線路約大10-20倍，而感抗約為架空線路的1/2-1/3，因此更容易激勵出較大的諧波諧振和諧波放大，造成絕緣擊穿的事故。(4)對電力電容器的影響 隨著諧波電壓的增高，會加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命。另一方面，電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時，就會產生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運行。2、影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性 諧波對電力系統(tǒng)中以負序(基波)量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重，這是由于這些按負序(基波)量整定的保護裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎上再疊加上諧波的干擾(如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源還是負序源)則會引起發(fā)電機負序電流保護誤動(若誤動引起跳閘，則后果嚴重)、變電站主變的復合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動，母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發(fā)生誤動，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。3、使測量和計量儀器的指示和計量不準確 由于電力計量裝置都是按50Hz的標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下，諧波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能并扣除一小部分諧波電能，從而諧波源雖然污染了電網(wǎng)，卻反而少交電費；而與此同時，在線性負荷用戶處，電能表記錄的是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能，這部分諧波電能不但使線性負荷性能變壞，而且還要多交電費。電子式電能表更不利于供電部門而有利于非線性負荷用戶。4、干擾通信系統(tǒng)的工作 電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發(fā)電話鈴響，甚至在極端情況下，還會威脅通信設備和人員的安全。另外高壓直流(HVDC)換流站換相過程中產生的電磁噪聲(3-10kHz)會干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作的閉鎖和繼電保護裝置動作失誤，影響電網(wǎng)運行的安全。5、對用電設備的影響 諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機內的元件出現(xiàn)過熱，使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。對于帶有啟動用的鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)用的電容器的熒光燈及汞燈來說，會因為在一定參數(shù)的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮(zhèn)流器或電容器因過熱而損壞。對于采用晶閘管的變速裝置，諧波可能使晶閘管誤動作，或使控制回路誤觸發(fā)。四、抑制供電系統(tǒng)諧波的一般對策 諧波問題是關系到供電系統(tǒng)的供電質量的一個重要問題，它不但與供電部門有關，而且還關系到廣大電力用戶扣電器設備制造廠的切身利益。為減少供電系統(tǒng)的諧波問題，一般從管理上和技術措施上采取以下幾方面的對策：1、貫徹執(zhí)行有關諧波的家標準，加強諧波管理 我于1998年12月14日發(fā)布了家標準GB17625.1-1998《低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限值(設備每相輸入電流≤16A)》，等效采用IEC6100-3-2：1995，但在技術內容上與該際標準完全一致。GB17625.1規(guī)定了準備接入公用低壓配電系統(tǒng)中的電氣、電子設備(每相輸入電流≤16A)可能產生的諧波的限值。只有經過試驗證實符合該標準限值要求的設備才能接入到配電系統(tǒng)中。這樣就可以對低壓電氣及電子產品注入供電系統(tǒng)的總體諧波電流水平加以限制。 該標準對以下四類沒備確定了諧波電流時發(fā)射限值：A類設備：平衡的三相設備以及除B、C和D類外的所有其它設備；B類設備：便攜式電動工具；C類設備：包括調光裝置的照明設備：D類設備：輸入電流具有標準所定義的“特殊波形”，且其有功功率不大于600W的設備。 該標準還規(guī)定了試驗電路和對試驗電源的要求、對測量設備的要求和試驗條件等內容。目前，全電磁兼容標委會正在組織有關專家對GB17625.1進行修訂，使該標準更加適應市場的需求和操作更容易、簡便。 此外，1993年頒發(fā)的家標準GB/T14549-1993《電能質量公用電網(wǎng)諧波》，該標準考慮了不同諧波源疊加計算的方法，規(guī)定了各級電網(wǎng)電壓諧波總畸變率和用戶注入電網(wǎng)的諧波電流容許值，對限制公用電網(wǎng)中的諧波起到了積極的作用。 認真貫徹執(zhí)行有關家標準關于限制諧波的規(guī)定，就能從總體上控制供電系統(tǒng)中的諧波水平，保證供電系統(tǒng)供給優(yōu)質的電力質量。2、增加換流裝置的相數(shù) 換流裝置是供電系統(tǒng)的主要諧波源之一。理論分析表明，換流裝置在其交流側與直流側產生的特征諧波次數(shù)分別為pk±1和pk(p為整流相數(shù)或脈動數(shù)，k為正整數(shù))。當脈動數(shù)由p=6增加到p=12時，可以有效的消除幅值較大的低頻項，(其特征諧波次數(shù)分別為12k±1和12k)，從而大大地降低了諧波電流的有效值。3、增裝動態(tài)無功補償裝置，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力 在技術經濟分析可行的條件下，可以在諧波源處裝設動態(tài)無功補償裝置：靜止無功補償裝置(SVC-StaticVarCompensator)或更先進的靜止同步補償裝置(STATCOMStaticSynchroncusCompensator)，以獲得補償負荷快速變動的無功需求、改善功率因數(shù)、濾除系統(tǒng)諧波、減少向系統(tǒng)注入諧波電流、穩(wěn)定母線電壓、降低三相電壓不平衡度等，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。4、加裝濾波裝置(包括無源濾波和有源濾波裝置) 為了減少諧波對供電系統(tǒng)的影響，較根本的思想是從產生諧波的源頭抓起，設法在諧波源附近防讓諧波電流的產生，從而降低諧波電壓。防止諧波電流危害的方法，一是被動地防御，即在已產生諧波的情況下，采用傳統(tǒng)的無源濾波方法(由一組無源元件：電容器、電抗器和電阻器組成的調諧濾波裝置)，減輕諧波對電氣設備的危害。另一種方法是主動的預防諧波電流的產生，即有源濾波方法。其原理是利用可關斷電力電子器件產生與負荷電流中的諧波分量大小相等，相位相反的電流來消除諧波。 總之，一方面要嚴格限制諧波的發(fā)射水平。另一方面還要設法提高設備自身的抗諧波干擾的能力，改善諧波保護性能，以做到真正意義上的電磁兼容。 五、結束語 解決供電系統(tǒng)中的諧波問題，必須要供電部門、電力用戶和設備制造商三方面都以電磁兼容的思想為基本出發(fā)點。一方面，產生諧波的部門和單位要盡量限制諧波的發(fā)射水平；另一方面，供電部門和電力用戶都要想方設法提高設備抗御諧波騷擾的能力。只有這樣供、用、造三方面齊心協(xié)力才能搞好治理諧波這項系統(tǒng)工程的工作。#p#分頁標題#e#

來源：中電力諧波監(jiān)測及濾波工程技術網(wǎng)