电网谐波是影响电能质量的重要因素之一

电能作为一种重要的能源，其质量的优劣直接关系到电力系统的安全稳定运行以及各类用电设备的正常工作。理想的电能应是频率稳定、电压幅值恒定且波形为正弦波的交流电。然而，在实际的电力系统中，由于各种因素的影响，电能质量往往会出现偏差，其中电网谐波是影响电能质量的重要因素之一。谐波的存在会导致电气设备发热、振动、噪声增加，甚至损坏设备，同时还会影响电力系统的继电保护、自动装置以及通信系统等的正常工作。因此，深入研究电网谐波问题具有重要的现实意义。

电能质量是指电力系统中电能的优劣程度，其衡量指标包括电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度等。其中，电压偏差是指实际电压与额定电压的差值，它会影响用电设备的输出功率和使用寿命;频率偏差主要由电力系统的有功功率不平衡引起，会对电力系统的稳定性和设备的正常运行产生影响;电压波动和闪变是指电压的快速变化，会导致照明灯光闪烁，影响人的视觉感受;三相电压不平衡度则是指三相电压的幅值或相位不相等，会使三相用电设备产生附加损耗和振动。而谐波作为电能质量的重要指标之一，对电力系统和用电设备的影响尤为显著。

谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的频率为基波频率整数倍的分量。在电力系统中，基波频率通常为 50Hz，因此，谐波频率是 50Hz 的整数倍。例如，二次谐波频率为 100Hz，三次谐波频率为 150Hz 等。当电力系统中存在谐波时，电压和电流的波形将发生畸变，不再是理想的正弦波。

发电机在运行过程中，由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致，以及其他一些原因，会产生一定量的谐波。但一般情况下，发电机产生的谐波含量相对较少，对电网的影响较小。

在输配电系统中，电力变压器是产生谐波的主要设备之一。由于变压器铁心的饱和，磁化曲线呈现非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密通常选择在磁化曲线的近饱和段上，这就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。谐波电流的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中 3 次谐波电流可达额定电流的 0.5%。此外，输电线路的分布参数也可能导致谐波的产生和传播。

这是电网中谐波的主要来源。随着电力电子技术的飞速发展，各种非线性用电设备在工业、交通及家庭中的应用日益广泛。例如：

晶闸管整流设备：晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，其中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中 3 次谐波的含量可达基波的 30%;接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥 6 脉整流器，变压器原边及供电线路含有 5 次及以上奇次谐波电流;如果是 12 脉冲整流器，也还有 11 次及以上奇次谐波电流。经统计表明，由整流装置产生的谐波占所有谐波的近 40%。

变频装置：常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波。这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。

电弧炉、电石炉：在加热原料时，电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是 2 次、7 次谐波，平均可达基波的 8%、20%，最大可达 45%。

气体放电类电光源：荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。这类电光源的伏安特性具有严重的非线性，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。

家用电器：电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。

变压器：谐波电流流经变压器时，会显著增加铁芯损耗和绕组铜损，导致变压器过热，效率降低，进而缩短其使用寿命。此外，谐波还可能引起变压器的振动和噪声增大。

电动机：谐波电流通过交流电动机时，不仅使电动机铁芯损耗增大，还会引发转子振动，导致电动机出力降低，转速不稳定，对机械加工产品的质量产生严重影响。同时，谐波还会使电动机的绝缘加速老化，增加故障发生的概率。

电容器：电容器对高次谐波的阻抗非常小，当含有高次谐波的电压施加在电容器两端时，电容器很容易过负荷而损坏。此外，谐波还可能与电容器和系统电感发生谐振，产生过电压和过电流，进一步危及电容器和其他设备的安全。

增加线路损耗：谐波电流会导致电力线路的电能损耗增加。由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随频率的增加而增大，使得谐波电流在输电线路上产生额外的功率损耗。

影响继电保护和自动装置的正常工作：谐波可能引起电力系统的电压谐振，产生过电压，有可能击穿线路设备的绝缘。当大量的 3 次谐波流过中性线时，线路可能过热，甚至引发火灾。此外，谐波还会使系统的继电保护和自动装置发生误动作，导致电气测量仪表的计量不准确，影响电力系统的安全稳定运行。

干扰通信系统：谐波产生的附加磁场干扰会影响电子仪表和通讯系统的正常工作，降低通讯质量。例如，谐波可能导致通信线路中出现噪声，使信号传输失真，甚至丢失信息，影响通信系统的可靠性。

电力部门应制定严格的谐波管理标准和规定，对用户接入电网的谐波水平进行限制和监测。要求用户安装谐波监测装置，实时监测谐波电流和电压，并定期向电力部门报送监测数据。对于谐波超标的用户，采取相应的处罚措施，促使其进行谐波治理。同时，电力部门还应加强对电网的规划和设计，合理安排电力设备的布局，减少谐波在电网中的传播和影响。

无源滤波器是一种常用的谐波治理装置，它由电容器、电抗器和电阻器组成，通过串联或并联的方式连接到电网中。无源滤波器利用电感、电容等元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电流。无源滤波器具有成本低、技术成熟、补偿无功等优点，但其滤波效果受电网参数变化的影响较大，且容易与电网发生谐振。因此，在实际应用中，需要根据电网的具体情况进行合理设计和选型，以确保其滤波效果和安全性。

有源滤波器是在无源滤波的基础上发展起来的，它通过电力电子装置产生一个与系统谐波同频率、同幅度但相位相反的谐波电流，与系统中的谐波电流相互抵消，从而达到消除谐波的目的。有源滤波器具有滤波效果好、响应速度快、能自动跟踪谐波变化等优点，但其成本较高，技术复杂，对装置的可靠性和稳定性要求也较高。随着电力电子技术的不断发展，有源滤波器的性能和可靠性得到了显著提高，其应用范围也越来越广泛。

从源头上减少谐波的产生是治理谐波的根本措施之一。对于一些产生谐波较大的用电设备，如晶闸管整流装置、变频装置等，可以通过改进设备的控制策略和电路结构，采用新型的电力电子器件，提高设备的功率因数，减少谐波的产生。例如，采用 12 脉冲或 24 脉冲整流器代替 6 脉冲整流器，可以有效降低整流装置产生的谐波含量;在变频装置中采用脉宽调制(PWM)技术，可以改善输出电压和电流的波形，减少谐波成分。

电网谐波作为影响电能质量的重要因素，给电力系统和用电设备带来了诸多危害。随着电力电子技术的不断发展和非线性用电设备的广泛应用，谐波问题将日益突出。因此，加强对电网谐波的研究和治理具有重要的现实意义。通过分析谐波产生的原因，我们可以采取针对性的措施，如加强谐波管理、采用无源滤波器和有源滤波器、改善用电设备的性能等，来降低谐波对电力系统和用电设备的影响，提高电能质量，保障电力系统的安全稳定运行。在未来的电力发展中，应进一步加大对谐波治理技术的研发投入，不断探索新的治理方法和手段，以适应日益复杂的电力系统环境。