一文详解什么是谐波以及谐波的产生及其危害
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谐波，作为一种电力系统中常见的现象，指的是电压或电流波形偏离正弦波的畸形部分。其产生源于电力系统中非线性负荷的存在，这些负荷在运行过程中会引发电流或电压波形的畸变。谐波的特性包括频率为基波频率的整数倍、正负序性以及幅值与相位的不确定性。了解谐波的定义与特性，对于我们深入探讨其产生原因、危害以及解决方法具有重要意义。
在配电管理中，“谐波”是一个经常被提及的术语，但很多人对其了解并不深入。本文将从“谐波的定义、谐波的危害、以及谐波的治理方法”这三个方面，为读者提供全面而详细的介绍。
1、基本概念
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，作为电流中的一种特殊成分，其频率通常是基波的整数倍。在周期性的非正弦电量经过傅里叶级数分解后，我们会发现除了基波频率的电量外，还存在其他大于基波频率的电流分量，这些分量所产生的电量即被称为谐波。通过傅里叶变换，我们可以观察到周期性非正弦波是由基波及其整数倍频率的正弦波叠加而成的。谐波是电流中的高频率成分，其频率为基波的整数倍，通过傅里叶变换可以分解出这些高频成分。
在工业生产中，我们期望从电网获取的是纯净的工频电量。然而，实际情况是在电力系统的各个环节——发电、变电、输电、配电以及用电，只要电流经过非线性负载，就会产生谐波。在电力系统中，非线性负载会导致谐波的产生，影响电网的电能质量。这些谐波对电力系统的影响深远，其危害不容忽视。
基波频率为电网频率(工频50Hz)，谐波次数(h)是谐波频率与基波频率的整数比，间歇波次数(ih)是间歇波频率与基波频率的比值。如基波为50Hz时，2次谐波为100Hz，3次谐波则是150Hz。
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。
01谐波与干扰问题总览
◆ 前言与谐波产生
随着变频器在电动机系统中的广泛应用，其带来的干扰问题也逐渐凸显。变频器因其非线性整流器件和开关器件，导致谐波产生，影响电网和周围设备。变频器的工作特性，如非线性整流器件的使用，导致谐波的产生，对电网造成传导干扰，引发电压畸变，进而影响供电质量。同时，其输出部分采用的开关器件在输出能量的同时，也会产生电磁辐射干扰，对周边电器造成影响。
◆ 谐波和电磁辐射的危害
谐波的存在对电网及其他系统带来了多方面的危害。首先，它会导致电器元件的附加谐波损耗增加，导致设备效率下降，可能干扰甚至损坏设备，并影响计量和控制系统的准确性。其次，谐波通过电网传导至其他用电器，干扰其正常运行，甚至可能损坏变压器等关键设备。此外，谐波还可能引起电网中的串联或并联谐振，使谐波进一步放大。更严重的是，谐波或电磁辐射干扰可能导致继电器保护装置误动作，影响电气仪表计量的准确性，甚至导致控制系统紊乱。
◆ 谐波标准及国内外标准
现行的相关标准包括IEC、EN、IEEE标准和中国国家标准GB/T14549-93，为谐波治理提供指导。主要有：国际标准IEC61000-2-2和IEC61000-2-4，欧洲标准EN61000-3-2和EN61000-3-12，以及国际电工学会的建议标准IEEE519-1992。国内标准GB/T14549-93也针对谐波问题做出了明确规定，这些标准不仅为谐波治理提供了依据，也为我们理解变频器谐波干扰问题提供了重要的参考。
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◆ 谐波干扰应对策略
为了减少变频器谐波对其他设备的影响，我们可以采取多种措施。其中，增加交流/直流电抗器是一种有效的方法。通过在变频器进线处增加电抗器，可以显著降低进线电流的THDv，从而减少谐波对电网和其他设备的影响。可采用电抗器、无源滤波器、隔离变压器等方法减少谐波，同时加强信号线的抗干扰措施。无源滤波器也是一种有效的解决方案，使用后，满载时进线中的THDv可降低至5%~10%。此外，变频器与电动机之间增加交流电抗器也可减少电磁辐射。
针对变频器谐波及电磁辐射对设备的干扰问题，除了上述措施外，还可以考虑使用隔离变压器来应对电源传导干扰。隔离变压器具有阻隔传导干扰的作用，同时也能进行电源电压变换。它常用于控制系统中的仪表、PLC等低压小功率设备的抗干扰保护。另外，滤波模块或组件也是提高设备抗干扰能力的重要手段。
为了进一步减少信号线上的干扰，特别是来自空间的电磁辐射，还可以在输入回路添加RC滤波器或双T滤波器，以抑制常态干扰。同时，尽量缩短输入线路的长度，并避免信号线与动力线近距离接触，以防止信号失真。
综上所述，在抗干扰过程中，应根据实际情况选择适当的措施。既要考虑抗干扰效果，也要兼顾成本和现场条件。过多的抗干扰措施可能引发新的干扰问题，因此需根据具体情况灵活应对。
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。
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。
为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的;另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。
装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。
谐波的产生
1、发电系统产生的谐波
由于发电机三相绕组在制造过程中很难做到完全对称，铁芯也很难做到绝对均匀一致等原因，发电时多少会产生一些谐波，总体来说数量较小。
2、变电系统产生的谐波
由于电力变压器铁芯饱和，磁化曲线的非线性，加上设计时要考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线上接近于饱和段，就使磁化电流呈现尖顶波形，从而含有了奇次谐波。其大小与磁路的结构形式、铁芯饱和度相关。饱和度越高，变压器的工作点就会越远地偏离线性，造成的谐波电流越大。
3、供电系统产生的谐波
由于供电系统中存在着非线性负荷，当电流流过和所加的电压不是线性关系时，就会发生非正弦电流，这就是谐波电流。非线性负荷设备有开关电源、不间断电源、变频调速装置、电子荧光灯镇流器、包含磁性铁芯设备以及部分家用电器如电视机、计算机等。
1)半导体整流设备
由于半导体广泛应用于开关电源、不间断电源等许多方面，由其产生的谐波给电网造成大量的电污染。半导体整流装置是采用移相控制，从电网吸收了缺角的正弦波，从而给电网剩下的是另一部分缺角正弦波，在剩下部分中就会含有大量谐波。据统计，由整流装置所产生的谐波占电网所有谐波的40%左右，是最大的谐波源。
2)变频调速装置
由于变频调速装置的逆变电路开关特性，对所供电电源形成一个典型的非线性负载。更由于采用相位控制，谐波成分复杂，除含有较多整数次谐波，还有分数次谐波，这类装置功率一般较大，随着变频调速广泛的应用，对电网造成谐波也会越来越多。变频器产生谐波主要是5次、7次谐波。
3)非线性照明装置
非线性照明装置主要有荧光灯、高压气体放电灯、金属卤化物灯等。通过测量和分析这些装置的伏安特性，可知其非线性十分严重，个别还具有负的伏安特性，它们都会给电网造成奇次谐波电流。
4)家用电器
电磁炉、电视机、录像机、计算机等设备，因内部有调压整流装置，就会产生较多的奇次谐波。在这些有绕组的设备中，不平衡电流的变化也可能造成波形改变。这些家用电器尽管功率较小，但数量较大，也是谐波的主要来源。
谐波的危害
在非正弦交流中，除含有角频率为ω的基波以外，其它不同角频率的谐波分量均为高次谐波。这些高次谐波如不采取措施加以抑制，将窜入系统和其它用户，引起许多不良后果。
1、使电网的电压和电流波形发生畸变，致使电能品质变坏，甚至使某些精密仪器无法使用。
2、使电器设备如变压器、电动机的铁耗、铜耗增加，造成电器设备在运行期间过热，降低正常出力，引起噪音变大。
3、影响控制、保护及检测装置的工作精度和可靠性，电磁式继电器、晶体管继电器和感应式继电器非常容易受到谐波影响，会产生相应误动或拒动。
4、使某些具有容性的电气设备如电容器和电气材料如电缆的绝缘层发生过热而烧毁，谐波会使电容器后端电压增大，电容器电流增幅更大，电容器损耗的功率增加，从而异常发热，加速绝缘介质老化，在谐波严重情况时会发生电容器被击穿甚至爆炸。
5、对弱电系统如通讯线路及控制电路造成严重干扰，使信号失真，甚至使弱电系统无法正常工作。相线和中性线之间非线性负荷会形成三次谐波电流，并在中性线上叠加。因为三次谐波电流和其倍数次谐波是呈零序特征的，所以在中性线上的三次谐波电流是三相中所有三次谐波电流的总和，会引起电流和电压畸变，并产生150HZ的电磁场，对周围通信设备及通信系统、电子控制、保护设备产生干扰。
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