谐波的产生、危害及治理方法

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。

    随着电力电子技术的广泛应用和发展，电力系统中非线性负载日益增多，如整流器、变频器、UPS、家用电器及计算机等。这些非线性负载会产生谐波并注入到电网中，使电网中的电压、电流波形产生畸变，从而造成电网的谐波“污染”。另外，冲击性、波动性负载，如电弧炉、焊接设备等在运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重，极大地危害电网的安全运行，同时由于谐波电流的存在，造成电网电能的极大浪费。

谐波的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面：
1. 对用户的危害
（1）造成用户电能的极大浪费。

 在一般没有增加消谐装置的电网中，电表中5％－8％电量为谐波电流的含量，即谐波导致企业电费增加，造成企业无形损失。同时由于目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确（有时会动态增加计量值2％－5％）。

（2）对用户的电力及用电设备造成损害，降低其使用寿命，加速设备老化。

A. 对电力变压器的危害。

 谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。减少变压器使用寿命。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。

B. 对电力电容器的危害。

当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍，但如果谐波含量较高,超出电容器允许条件,就会使电容器过电流和过负荷,损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2左右。再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。
C. 对用电设备的危害。

谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，严重时造成用电设备烧毁。

D. 对低压开关设备的危害。
    对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器谐波次数越高脱扣越困难；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多，导致断路异常。对于漏电断路器来说，谐波可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接触器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。 
E. 对弱电系统设备的干扰。

对于各种控制系统、计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。导致计算机、数据传送和自动控制系统数据丢失，误显示，误动作，元件损坏。
F. 对电力电缆的危害。

由于谐波次数高频率上升，由于谐波频率较高，集肤效应增大，发热损耗增加；加速绝缘老化，影响寿命。

 2. 对供配电线路的危害。

（1）影响线路的稳定运行。
    供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对10%以下含量高达40%时又导致继电保护误动作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。
（2）影响电网的质量。
    电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，可达40%；三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。 
    谐波造成的损失：一个计算中心失去电源1秒就可能破坏几十小时的数据处理结果而造成上百万元的经济损失。在大型机械制造厂，0.1秒的电压突降就可能造成异常的生产状况和质量破坏。自动化设备控制的连续精加工生产线，它们对配电系统中的干扰异常敏感，几分之一秒的不正常供电就可能在工厂内部造成混乱，其损失是难以估量的。而谐波造成的电费增加和设备使用寿命降低更是每天都在侵蚀企业利润。

那么，如何解决谐波带来的这些危害呢？采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施。通常采用由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波装置进行滤波。由于无源滤波具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，因此无源滤波是目前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一并联低阻通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以下缺点：①滤波特性受系统参数的影响较大；②只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用；③滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调；④谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载；⑤有效材料消耗多，体积大。
　　由于无源滤波具有以上缺点，随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。　

与无源滤波器相比，有源滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下：①不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；②滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；③具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。