最好的解析! 谐波的产生及其危害

供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。

谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1) 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波(Non-harmonics)或分数谐波。

电网谐波是指电网中电压或电流波形偏离理想的正弦波，混入频率超过50Hz的电压或电流成分。这样的成分对电子器件的稳定运行构成显著威胁。本文将探讨谐波在电网中的影响，包括其产生机制、危害以及抑制方法。

谐波的产生电网谐波主要源自三个方面：首先是发电电源质量不佳引发的谐波;其次，输配电系统在运行过程中也可能产生谐波;最后，用电设备如变频器、整流器等在使用时会产生大量谐波，成为谐波产生的主要源头。

◉ 电网与电源设备中的谐波

发电机在运行过程中，由于三相绕组难以做到绝对对称，铁心也难以保持绝对均匀，加之其他多种因素，会产生少量谐波，但通常影响较小。另一方面，输配电系统中的电力变压器是谐波产生的主要源头之一。当变压器铁心饱和时，其磁化曲线的非线性特性会导致磁化电流呈现尖顶波形，进而产生奇次谐波。这种谐波的大小与磁路结构及铁心饱和程度密切相关：铁心饱和度越高，变压器工作点偏离线性越远，所产生的谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可能达到额定电流的0.5%。

◉ 用电设备中的谐波源

在电力系统中，除了电网与电源设备可能产生谐波外，许多用电设备同样会贡献谐波。以下是几种主要的谐波源：

(1)晶闸管整流设备：这类设备在电力机车、铝电解槽、充电装置等多个领域广泛应用，它们通过移相控制从电网中吸收缺角的正弦波，进而在电网中留下大量谐波。特别是单相整流电路在接感性负载时，会产生大量的奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可能高达基波的30%。

(2)变频装置：这类设备常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，因此会产生复杂的谐波成分。除了整数次谐波外，还包含分数次谐波。随着变频调速技术的普及，这些设备对电网的谐波污染也日益严重。

(3)电弧炉和电石炉：在加热原料过程中，由于电炉三相电极与炉料的不均匀接触，导致燃烧不稳定和三相负荷不平衡，从而产生谐波电流。这些电流通过变压器的三角形连接线圈注入电网，主要包含2至7次的谐波，其平均值可达基波的8%至20%，甚至可能高达45%。

(4)气体放电类电光源：如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯等，由于它们的伏安特性非线性严重，甚至包含负的伏安特性，因此会给电网带来奇次谐波电流。

(5)家用电器：包括电视机、录像机、计算机等在内的许多家用电器，由于内部调压整流装置的存在，会产生较深的奇次谐波。尽管这些家用电器的功率相对较小，但数量庞大，因此也是不可忽视的谐波源之一。

对于我国使用的50Hz电源来说基波为50Hz，3次谐波为150Hz，5次谐波为250Hz，以此类推。

谐波污染是指在电力系统中，由于非线性负载的存在，导致电流或电压波形发生畸变，产生了除基波以外的高次谐波分量，从而对电力系统和用电设备等造成一系列不良影响，其危害主要体现在以下几个方面：

对电力系统的危害

增加电网损耗：谐波电流会在电网的输电线路、变压器等设备中产生额外的损耗。一方面，谐波电流使线路电阻损耗增大，另一方面，会引起变压器等设备的铁芯损耗增加，导致设备发热严重，降低了设备的运行效率，增加了电网的供电成本。

影响电网电压质量：谐波电压会使电网电压波形发生畸变，导致电压质量下降。这不仅会影响到对电压稳定性要求较高的设备正常运行，还可能使电网中的无功补偿装置产生谐振，进一步放大谐波电压，造成更严重的电压波动和闪变，甚至可能引发电网故障。

干扰通信系统：电力系统中的谐波会通过电磁感应、静电感应等方式对附近的通信线路产生干扰。谐波电流产生的交变磁场会在通信线路中感应出电动势，产生杂音和干扰信号，影响通信质量，严重时可能导致通信中断。

对电气设备的危害

影响电机的正常运行：谐波电流流入电动机后，会在电机中产生附加的损耗和转矩脉动。这会使电机的温度升高，降低电机的效率和功率因数，缩短电机的使用寿命。同时，转矩脉动还可能导致电机振动加剧，产生噪声，影响设备的稳定性和可靠性。

使电容器损坏：谐波电压会使电容器的运行电压升高，导致电容器过电压运行。长期处于过电压状态下，电容器的绝缘性能会下降，容易发生击穿短路等故障。此外，谐波还可能与电容器和系统中的电感形成谐振，使电容器中通过的电流大幅增加，进一步加速电容器的损坏。

缩短变压器使用寿命：谐波电流会使变压器的铁芯损耗和绕组损耗增加，导致变压器发热加剧。过高的温度会加速变压器绝缘材料的老化，降低绝缘性能，缩短变压器的使用寿命。同时，谐波还可能引起变压器的噪声增大，影响周围环境。

对计量与保护装置的影响

造成计量误差：传统的电能计量装置通常是基于基波信号进行设计和校准的，谐波的存在会使计量装置的测量结果产生误差。谐波电流和电压会使电能表的转盘转速发生变化，导致计量不准确，给电力企业和用户之间的电费结算带来纠纷。

使保护装置误动作：谐波可能会使电力系统中的继电保护装置和自动控制装置产生误动作或拒动作。例如，谐波会使电流保护装置的测量值出现偏差，当谐波含量较大时，可能导致保护装置在正常运行时误判为故障状态而动作，或者在真正发生故障时由于谐波的干扰而无法正确动作，从而无法及时保护电力系统的安全运行。

交流电网中，由于许多非线性电气设备的投入运行，其电压、电流波形实际上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸变的非正弦波。对周期性交流量进行傅里叶级数分解，得到的频率与工频相同的分量称为基波(fundamental)，得到的频率为基波频率大于1整数倍的分量称为谐波(harmonic，HR)，得到的频率不等于基波频率整数倍的分量称为间歇波(interharmonic，IHR)。任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。

谐波按照相序，分为正序谐波(第4、7、10、...、3h+1次)，负序谐波(第2、5、8、...、3h-1次)、零序谐波(第3、6、9、...、3h次)。按照谐波次数，分为偶次谐波、奇次谐波、间歇波(非整数次谐波)。

一般来说，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在，对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13等，变频器主要产生5、7次谐波。

2、谐波源及常用设备产生的谐波电流值

近30年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。

用户向公用电网注入谐波电流的电气设备或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，统称为谐波源。常见谐波源主要有换流设备、电弧炉、铁芯设备、照明设备、某些生活日用电器等非线性电气设备。

3、谐波的危害

理想的公网电网应当提供单一且稳定的频率以及规定的电压幅值。然而，谐波对公用电网和其他系统造成的危害不容忽视，主要体现在以下几个方面：

谐波电流流经变压器时，会显著增加铁芯损耗，导致变压器过热，进而缩短其使用寿命。

当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，对机械加工产品的质量产生严重影响。

电容器对高次谐波的阻抗非常小，因此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。

谐波电流会导致电力线路的电能损耗增加。

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。

谐波会使系统的继电保护和自动装置发生误动作，同时导致电气测量仪表的计量不准确。

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，从而降低通讯质量。