图外一谈谐波

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇图外一谈谐波范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要: “图外三谈谐波”共三文：“一谈”为“概述”、“二谈”为“治理措施”、“三谈”为“讨论及建议”，总体给出谐波的整体轮廓及综合治理的理念。本文系首篇，首先从概念、度量及限值三方面奠定讨论谐波的基础；接着从三方面分析了谐波的产生；最后介绍谐波的四方面危害。

此“图外三谈谐波”为继“图外谈照明”、“图外再谈照明”的姊妹篇，亦系沉思指导实践环节教学，以“图外谈设计”形式，倡“弹指CAD，勿忘据理论”的工程观。

关键词 :电磁兼容; 谐波抑制;无功功率补偿; 功率因数;电能质量

Abstract :There are three articles of "discussion about harmonics without drawing:"

For the “first” article refers to “general overview”, for the “second” refers to “control measures” and for the “third” refers to “discussion and suggestion”, which totally endows philosophy upon overall outline and comprehensive treatment of harmonics. This article refers to the fourth section, it firstly lays the foundations for concept and measurement as well as limit of the basis for harmonics discussion, and then it analyzes generation of harmonics in the third aspect; finally introduces harm of harmonics.

This "discussion about harmonics without drawing” is the sister section in succession of “discussion about lighting without drawing” and “re-discussion about lighting without drawing”, which is also the thinking teaching of instruction and practice. In form of “discussion designed without drawing”, the engineering concept of “advocating both CAD and theory” prevail.

Key words :Electromagnetic compatibility, harmonic suppression, reactive power compensation, power factor, quality of electric energy

中图分类号： R187+.7文献标识码：A文章编号：

1、基础

1.1 “谐波”与“电磁兼容”

理想的电力系统以单一、恒定的频率(我国为50HZ)与稳定幅值的正弦波电压供电。但电力系统中大量的非线形负荷使电压波形发生畸变，畸变后的非工频正弦波形按傅立叶级数分解为50HZ及其更高次的各频率正弦波交流分量之和。50HZ的正弦波为基波，其它频率均为基波频率的整数倍，称为高次谐波。电能质量中的难点---波形质量就以正弦电压的波形畸变程度来衡量，而波形的畸变则是用谐波的多少来表达。

“电磁兼容性”国家标准定义为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。此“电磁骚扰”即“电磁干扰”，主要指“谐波污染”，就是波形畸变的非需要的高次谐波相对需要的基波的干扰。所以提高“电磁兼容性”，即减小谐波的污染程度，就是“谐波治理”。

1.2谐波的度量

按GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》规定，供配电系统中高次谐波的严重程度，通常用单次谐波含有率和总谐波畸变率表示：

1.2.1 第h次谐波电压含有量HRUh和第h次谐波电流含有率HRIh按下式计算：

HRUh=Uh/U1 ×100 % 公式（1）

HRIh= Ih/I1 ×100 %公式（2）

式中： Uh―第h次谐波电压（方均根值）；U1―基波电压（方均根值）；

Ih―第h次谐波电流（方均根值）；I1―基波电流（方均根值）。

1.2.2谐波电压总含量Uh和谐波电流Ih 按下式计算：

1.2.3电压总谐波畸变率THDu和电流总谐波畸变率THDi按下式计算：

THDu＝UH/U1×100 %公式（5）

THDi＝IH/I1×100 %公式（6）

式1-1～6中的不少量需通过“电力系统谐波潮流分析”得到，此分析就是系统中有谐波源时，通过求解网络方程，求得电网中各节点（母线）的谐波电压，进而求得各支路中的谐波电流的数学计算过程。

1.3 谐波的限值

必须把配电网中的谐波含量控制在国家标准限定的范围之内，而各种电气设备也应能满足电磁兼容的标准要求。国家技术监督局1993年的《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93国家标准中，10kV电压总谐波畸变率为4%、0.38kV为5%。2003年《电磁兼容、限值、谐波电流发射限值（设备每相输入限流≤16A）》GB17625.1-2003和《电磁兼容、限值、对额定电流大于16A的设备的低压供电系统中产生的谐波电流的限制》GB/Z17625.6-2003，这些国家标准对其限值范围均有详细规定。表1、2分别列出规范中谐波电压、电流值：

表2 注入公共连接点的谐波电流允许值（据GB/T14549-93）

2、产生

配电系统的谐波来自网侧及负荷侧两方面：

2.1 网侧

2.1.1发电机发电机发出基波电势的同时产生的谐波电势取决于发电机本身的结构和工作状况，基本上与外接阻抗无关。故可视为谐波恒压源，其值很小。

2.1.2电力变压器 它是供配电工程中典型的非线性电力设备，既是谐波的产生源，也是谐波的最大受害对象，其产生谐波有二：

2.1.2.1励磁电流变压器正常运行，外施电压为正弦波，主磁通亦正弦波。但出于经济因素，铁心处于磁饱和状态，励磁电流波形畸变为尖顶波；考虑磁滞影响，励磁电流波形也并不对称于最大值；其产生的谐波电流的大小与变压器的铁心材料、磁通密度、结构和使用条件等因素有关，即取决于铁心的饱和程度。外施电压愈高，铁心饱和程度愈高，变压器励磁电流的波形畸变愈厉害。变压器通常磁通密度下运行时，励磁电流的谐波含量见表3：

表3 变压器励磁电流谐波含量（％）

2.1.2.2励磁涌流变压器投入运行时，由于磁通不能突变，变压器铁心中将产生周期分量和非周期分量磁通。投入瞬间两个磁通极性相反，合成磁通为零。但到第二个半周时，两个磁通极性相同，合成磁通叠加，使铁心大大饱和，励磁电流可达到变压器额定电流的8～10倍，称为“励磁涌流”。变压器在空载或轻载投入时，励磁涌流更严重。励磁电流中除基波外，还含有数值很大的直流分量、奇次谐波和偶次谐波。变压器励磁涌流中各次谐波含量见表4：

表4 变压器励磁涌流谐波含量（％）

2.1.2.3其它非线性元件包括交直流换流站的可控硅控制元件、可控硅控制的电容器、电抗器组亦产生谐波。

2.2负荷侧

2.2.1含半导体非线性元件的负荷

2.2.1.1多相整流装置多相整流装置常用于电解、电镀、轧机和直流电动机调速控制、蓄电池充电、直流电弧炉等。多相整流相数p一般为6、12、24或48。整流装置产生的谐波电流频率及其幅值与整流装置的类型、控制角α、重叠角γ，以及负荷的特性等有关。由于三相供电系统参数不对称或各相控制角α不相等，特征谐波电流的幅值变化较大，导致出现非特征谐波电流。低次特征谐波电流的幅值可按式（1-7）估算或按表5取值。

Ih= (5≤h≤31)公式（7）

表5整流装置主要特征谐波电流值（相对值）

2.2.1.2变频调速装置各类变频调速装置多采用不可控整流，将产生大量的谐波电流。风机、水泵调速时，常采用相位控制，亦会产生大量谐波电流。这些谐波成分复杂，共同涌向电网。

随着现代化水平和人民生活水平的提高，变频调速装置（如变频调压马达、变频空调、变频调速电梯、变频冰箱等）的使用逐年猛升。以空调机为例，它的功率虽一般仅600瓦到数千瓦，但其负荷占配电网用电负荷的比例越来越大，其谐波电流依工作方式而定。统计表明，无论是只开风扇、制冷还是制热，其电压畸变率都很大，制热时可高达32%。

2.2.1.3开关整流电源它效率高，大量电气设备（如电子计算机、电视机、镇流器、电信设施等）都采用。此类设备可分为容性负载和感性负载，不管何种类型负载，电源侧多采用不可控整流，使得输入电流为脉冲电流，这便含有大量的谐波。特别是由统一电源供电的这些设备，晶闸管都在同一电源峰值触发，形成的脉冲电流几乎同时发生，导致主谐波电流同相位叠加，严重污染电网，大大影响供电质量。两类应用最广的电器最为典型：

2.2.1.3.1电视机现均为开关整流电源，普及遍城乡山野，是夜晚黄金时段几乎家家都开的电器；

2.2.1.3.2计算机它使用日益广泛，一般计算机的谐波电流主要自显示器的非线性用电，这和电视机非常相似，谐波电流含有率也高。而且各种打印机、复印机、游戏机等也和计算机类似，共同形成两个时段的谐波高峰---上班时段办公建筑的源自计算机的谐波源；夜晚收视黄金时段的源自电视机及计算机叠加的谐波源。

2.2.1.4其它交直流换流设备、变流器、直流拖动设备的整流器，以及现代工业设施为节能和控制用的电力电子设备等。

2.2.2 含电弧和铁磁非线性设备的负荷

2.2.2.1电弧炉利用电弧的热量溶化金属原料，电弧的游动是在电磁力、对流气流、电极移动及炉料在熔化过程中的崩落和滑动等多种因数综合造成的，具有很大的随机性。由于电弧延时发弧、电弧电阻的非线性和电弧的游动等因数，使得电弧电流变化不规则，它不仅数值大，且三相不平衡、畸变和脉动幅度大。虽然各种电弧炉的特性和运行方式不同，但在熔化初期电流均含有较多的奇、偶次谐波。到熔化期电流中偶次谐波减少，以奇次为主。到精炼期负荷较平稳，电流中奇次谐波和偶次谐波都很小，如表6。

2.2.2.2非线性照明整个电力系统中照明占比重颇大，现代建筑照明大量使用气体放电类光源（如荧光灯、金卤灯、高压钠灯等），其本身即属于非线形负载，具有负的伏安特性，又必须安装镇流器才能使用，目前使用的镇流器本身也是开关电源。某些紧凑型电子镇流器，3次谐波含有率高达88%，电压畸变率高达135%；某些绕线镇流器甚至有3.6%的二次谐波电流；有的绕线镇流器并联电容器，以提高功率因数，降低无功电流和线损，却放大了谐波电流；有些紧凑型电子镇流器谐波含有率很高。此外高压气体放电灯、调光白炽灯等都不同程度的发出谐波电流。各种气体放电灯电流谐波含量见表7：

表6 电弧炉电流各次谐波含量(%)

几乎都是谐波源的节能灯，且都是晚间用电高峰使用，势必增加晚间的电能高峰的谐波电压。而非线形照明的电流脉冲的幅值和主谐波相位又和电视机电流脉冲和主谐波相重合，叠加效果更甚。

2.2.2.3家用电器及办公自动化设备虽然家用电器和办公自动化设备单台功率小，单台设备产生的谐波电流绝对值小，但在家用电器、办公自动化设备及电子仪器密集的区域，台数的众多使之成为不可忽视的重要谐波电流源。各类家用电器产生的主要谐波电流列于表8。

表8 家用电器和办公自动化设备主要谐波电流值

除上述谐波源外，发电机、电石炉、感应加热设备、旋转电机（槽形谐波）、电气机车、电焊机、输电线路电晕、有磁饱和现象的用电设备，以及使用电力电子装置的用电设备，也都产生谐波。这些设备的谐波含量决定于它本身的特性和工作状况，基本上与电力系统参数无关，可视为谐波恒流源。对该类设备的电流谐波含量，在制造时即应限制在一定的数量范围之内。

2.2.3并联电容器对谐波的放大作用

供配电系统中，无功补偿广泛应用到并联电容器。系统中的电容器，一方面由于其谐波阻抗小，系统高次谐波电压会在其中产生明显的高次谐波电流，使电容器过热，严重影响其使用寿命；另一方面，电容器的投入使用也可能引起系统谐波严重放大。

2.2.3.1并联电容器组的临界容量补偿无功功率的并联电容器组首先应该检查是否会发生谐波放大，尤其是谐振的可能性。不致引起供电系统谐波放大现象的电容器组的最小容量称为临界容量。电容器组不引起谐波放大的条件为：

即： 公式（8）

式中：―配电母线上系统三相短路容量（MV・A）；―谐波源最低谐波的次数；

―不致引起谐波放大的并联电容器组容量（Mvar）。

为避免谐波放大，按照上式求出的电容器组临界容量通常远远超过补偿无功功率所需要的电容器组容量。若不增大电容器组的容量，即按实际无功补偿要求选用电容器时，又要防止谐波放大，可采用在电容器回路串联电抗器的方法。

2.2.3.2串联电抗器并联电容器之所以能引起谐波放大，在于电容器回路在谐波频率范围内呈现容性。若在电容器回路串接一个电抗器，通过选择使电抗器回路在最低次谐波频率下呈现出感性，则可消除此谐波放大现象。为此，电感量L应满足下式关系：

即 ：公式（9）

式中：―串联电抗器等效基波：； ―并联电容器等效基波容抗：。

考虑到电抗器和电容器的制造误差，通常取

公式（10）

对于6相整流装置，，则可取；对于含有三次谐波的系统，可取。

并联电容器回路串接电抗器后，电容器在基波频率下仍呈容性。但电容器回路电流、电容器端电压以及电容器回路向负荷提供的无功功率放大了倍。

由于串接电抗器后，电容器端电压有所提高，因此选择电容器的额定电压应高于电网的额定电压，以确保并联电容器能够长期安全运行。

2.2.3.3注意事项在含有谐波的供电系统中，装设并联电容器时应注意以下几点：

2.2.3.3.1无功补偿用并联电容器组的投入运行，会引起系统谐波电流和谐波电压的放大。因此，装设并联电容器组时应防止谐波放大现象的发生；

2.2.3.3.2无功补偿用并联电容器的容量，通常按无功补偿要求来计算，然后可按式（1-8）核算。当电容器组的容量不能兼顾无功补偿和消除谐波放大（尤其是并联谐振）的条件时，应在电容器支路串联电抗器；

2.2.3.3.3当供电系统存在谐波时，即使电容器组对谐波无放大作用，电容器也会因谐波的存在而出现过电流和过电压。故在选择电容器参数时，应根据实际情况 核算电容器中电流和电压的方均根值，使其不超过电容器的允许值。我国电容器生产厂家通常规定，电容器可在1.1倍额定电压和1.3倍额定电流下长期运行。

3、危害

3.1使电网的电能质量下降

3.1.1无功功率加大，功率因数降低；

3.1.2谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾；

3.1.3降低继电保护、控制以及检测装置的工作精度和可靠性，并会使电气测量仪表计量不准确，甚至使基于波形控制的设备误动作或失控；

3.1.4谐波会导致公用电网中局部发生并联谐振，从而使各种危害大大增加，甚至引起严重事故。

3.2对各种电气设备产生危害

3.2.1变压器：使其局部严重过热。尤其使用-Y接法的变压器，单相插座为主要供电对象之一，插座联结的负荷相当部分是开关电源，大量的开关电源采用的是单相整流电路，负载接入后产生的大量3次及高次谐波流入变压器并耦合到一次侧绕组形成环流，增加额外损耗，使变压器过热，加速绝缘老化，寿命缩短，甚至烧坏；

3.2.2电动机：谐波导致其铁耗、铜耗的增加；引起温度生高，加速绝缘老化，缩短寿命；并降低有功功率，产生机械振动和噪音；

3.2.3照明设施：谐波缩短其寿命，特别是白炽灯光源的寿命。而对荧光灯来说，电压的畸变会使其不易启动，加速老化。荧光灯采用电子镇流器，对谐波抑制有效，但启动时短时的冲击电压和电流会明显缩短荧光灯的寿命；

3.2.4电子计算机：谐波可能影响计算机程序正常运行，使数据丢失，降低计算机的稳定性和可靠性，甚至损害计算机磁性元器件等硬件，还可能使计算机使用的UPS工作失常；

3.2.5测量仪表和保护装置：电压表、电流表等受谐波影响会造成测量误差，磁电型和感应型仪表对谐波敏感（特别是电能表），在谐波较大时会引起计量混乱。谐波干扰会引起断路器、熔断器、继电器、漏电保护电路、自动控制装置误动、拒动，降低断路器、自动开关、接触器等开关设备的断流能力；

3.2.6电容：高次谐波会使改善功率因数的电容过热，容易引起并联电容与电网发生串联、并联谐振。无功补偿电容与系统中电感局部构成的回路还可能会对某次谐波起放大作用，加剧谐波危害；

3.2.7其他电子设备：许多电子控制器要检测电压的过零点，并在电压过零点动作，以减小负荷通断时产生的电磁干扰、电压冲击和闪变电流。有高次谐波时，过零电压的变化率很高，产生的dv/dt会造成电子设备损坏或误动作，影响控制器正确的开关动作。此外工作于低电压水平的很多电子设备易受下限电压的危害。

3.3对通讯的干扰

3.3.1谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰会通过电容耦合、电磁感应引起通信系统的噪音，使得信号质量变差，损害通信的清晰度；

3.3.2谐波和基波的综合作用可能导致信息丢失，使通信系统无法正常工作，极端情况会威胁通信设备和人员的安全。

3.4对配电系统的影响

3.4.1三相配电系统中，谐波电流（尤其是3次谐波）形成的零序电流在中性线或保护中线上相互叠加，导致中线或保护中线上的电流值过大，甚至超过相线电流；

3.4.2 谐波次数越高，集肤效应使谐波电流越趋向表面，导致导线内截面流通的电流减少，而外表面的电流密度增大，从而使导线温度升高。如中性线或保护中线的截面选择过小，过大的谐波电流会使线路损耗增大，输电能力降低。而其长期的过热会加速老化，损坏绝缘，甚至引发火灾。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。