諧波，作為一種電力系統(tǒng)中常見的現(xiàn)象，指的是電壓或電流波形偏離正弦波的畸形部分。其產(chǎn)生源于電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷的存在，這些負(fù)荷在運(yùn)行過程中會引發(fā)電流或電壓波形的畸變。諧波的特性包括頻率為基波頻率的整數(shù)倍、正負(fù)序性以及幅值與相位的不確定性。了解諧波的定義與特性，對于我們深入探討其產(chǎn)生原因、危害以及解決方法具有重要意義。

在配電管理中，“諧波”是一個經(jīng)常被提及的術(shù)語，但很多人對其了解并不深入。本文將從“諧波的定義、諧波的危害、以及諧波的治理方法”這三個方面，為讀者提供全面而詳細(xì)的介紹。

1、基本概念

交流電網(wǎng)中，由于許多非線性電氣設(shè)備的投入運(yùn)行，其電壓、電流波形實(shí)際上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸變的非正弦波。對周期性交流量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，得到的頻率與工頻相同的分量稱為基波(fundamental)，得到的頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量稱為諧波(harmonic，HR)，得到的頻率不等于基波頻率整數(shù)倍的分量稱為間歇波(interharmonic，IHR)。任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。

諧波，作為電流中的一種特殊成分，其頻率通常是基波的整數(shù)倍。在周期性的非正弦電量經(jīng)過傅里葉級數(shù)分解后，我們會發(fā)現(xiàn)除了基波頻率的電量外，還存在其他大于基波頻率的電流分量，這些分量所產(chǎn)生的電量即被稱為諧波。通過傅里葉變換，我們可以觀察到周期性非正弦波是由基波及其整數(shù)倍頻率的正弦波疊加而成的。諧波是電流中的高頻率成分，其頻率為基波的整數(shù)倍，通過傅里葉變換可以分解出這些高頻成分。

在工業(yè)生產(chǎn)中，我們期望從電網(wǎng)獲取的是純凈的工頻電量。然而，實(shí)際情況是在電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)——發(fā)電、變電、輸電、配電以及用電，只要電流經(jīng)過非線性負(fù)載，就會產(chǎn)生諧波。在電力系統(tǒng)中，非線性負(fù)載會導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。這些諧波對電力系統(tǒng)的影響深遠(yuǎn)，其危害不容忽視。

基波頻率為電網(wǎng)頻率(工頻50Hz)，諧波次數(shù)(h)是諧波頻率與基波頻率的整數(shù)比，間歇波次數(shù)(ih)是間歇波頻率與基波頻率的比值。如基波為50Hz時，2次諧波為100Hz，3次諧波則是150Hz。

諧波按照相序，分為正序諧波(第4、7、10、...、3h+1次)，負(fù)序諧波(第2、5、8、...、3h-1次)、零序諧波(第3、6、9、...、3h次)。按照諧波次數(shù)，分為偶次諧波、奇次諧波、間歇波(非整數(shù)次諧波)。

一般來說，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在，對于三相整流負(fù)載，出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、11、13等，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。

2、諧波源及常用設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流值

近30年來，電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。

用戶向公用電網(wǎng)注入諧波電流的電氣設(shè)備或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備，統(tǒng)稱為諧波源。常見諧波源主要有換流設(shè)備、電弧爐、鐵芯設(shè)備、照明設(shè)備、某些生活日用電器等非線性電氣設(shè)備。

3、諧波的危害

理想的公網(wǎng)電網(wǎng)應(yīng)當(dāng)提供單一且穩(wěn)定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。然而，諧波對公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)造成的危害不容忽視，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

諧波電流流經(jīng)變壓器時，會顯著增加鐵芯損耗，導(dǎo)致變壓器過熱，進(jìn)而縮短其使用壽命。

當(dāng)諧波電流通過交流電動機(jī)時，不僅使電動機(jī)鐵芯損耗增大，還會引發(fā)轉(zhuǎn)子振動，對機(jī)械加工產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

電容器對高次諧波的阻抗非常小，因此當(dāng)含有高次諧波的電壓施加在電容器兩端時，電容器很容易過負(fù)荷而損壞。

諧波電流會導(dǎo)致電力線路的電能損耗增加。

諧波可能引起電力系統(tǒng)的電壓諧振，產(chǎn)生過電壓，有可能擊穿線路設(shè)備的絕緣。當(dāng)大量的3次諧波流過中性線時，線路可能過熱，甚至引發(fā)火災(zāi)。

諧波會使系統(tǒng)的繼電保護(hù)和自動裝置發(fā)生誤動作，同時導(dǎo)致電氣測量儀表的計(jì)量不準(zhǔn)確。

諧波產(chǎn)生的附加磁場干擾會影響電子儀表和通訊系統(tǒng)的正常工作，從而降低通訊質(zhì)量。

01諧波與干擾問題總覽

◆ 前言與諧波產(chǎn)生

隨著變頻器在電動機(jī)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，其帶來的干擾問題也逐漸凸顯。變頻器因其非線性整流器件和開關(guān)器件，導(dǎo)致諧波產(chǎn)生，影響電網(wǎng)和周圍設(shè)備。變頻器的工作特性，如非線性整流器件的使用，導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生，對電網(wǎng)造成傳導(dǎo)干擾，引發(fā)電壓畸變，進(jìn)而影響供電質(zhì)量。同時，其輸出部分采用的開關(guān)器件在輸出能量的同時，也會產(chǎn)生電磁輻射干擾，對周邊電器造成影響。

◆ 諧波和電磁輻射的危害

諧波的存在對電網(wǎng)及其他系統(tǒng)帶來了多方面的危害。首先，它會導(dǎo)致電器元件的附加諧波損耗增加，導(dǎo)致設(shè)備效率下降，可能干擾甚至損壞設(shè)備，并影響計(jì)量和控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。其次，諧波通過電網(wǎng)傳導(dǎo)至其他用電器，干擾其正常運(yùn)行，甚至可能損壞變壓器等關(guān)鍵設(shè)備。此外，諧波還可能引起電網(wǎng)中的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，使諧波進(jìn)一步放大。更嚴(yán)重的是，諧波或電磁輻射干擾可能導(dǎo)致繼電器保護(hù)裝置誤動作，影響電氣儀表計(jì)量的準(zhǔn)確性，甚至導(dǎo)致控制系統(tǒng)紊亂。

◆ 諧波標(biāo)準(zhǔn)及國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括IEC、EN、IEEE標(biāo)準(zhǔn)和中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93，為諧波治理提供指導(dǎo)。主要有：國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-2-2和IEC61000-2-4，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000-3-2和EN61000-3-12，以及國際電工學(xué)會的建議標(biāo)準(zhǔn)IEEE519-1992。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93也針對諧波問題做出了明確規(guī)定，這些標(biāo)準(zhǔn)不僅為諧波治理提供了依據(jù)，也為我們理解變頻器諧波干擾問題提供了重要的參考。

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◆ 諧波干擾應(yīng)對策略

為了減少變頻器諧波對其他設(shè)備的影響，我們可以采取多種措施。其中，增加交流/直流電抗器是一種有效的方法。通過在變頻器進(jìn)線處增加電抗器，可以顯著降低進(jìn)線電流的THDv，從而減少諧波對電網(wǎng)和其他設(shè)備的影響?？刹捎秒娍蛊?、無源濾波器、隔離變壓器等方法減少諧波，同時加強(qiáng)信號線的抗干擾措施。無源濾波器也是一種有效的解決方案，使用后，滿載時進(jìn)線中的THDv可降低至5%~10%。此外，變頻器與電動機(jī)之間增加交流電抗器也可減少電磁輻射。

針對變頻器諧波及電磁輻射對設(shè)備的干擾問題，除了上述措施外，還可以考慮使用隔離變壓器來應(yīng)對電源傳導(dǎo)干擾。隔離變壓器具有阻隔傳導(dǎo)干擾的作用，同時也能進(jìn)行電源電壓變換。它常用于控制系統(tǒng)中的儀表、PLC等低壓小功率設(shè)備的抗干擾保護(hù)。另外，濾波模塊或組件也是提高設(shè)備抗干擾能力的重要手段。

為了進(jìn)一步減少信號線上的干擾，特別是來自空間的電磁輻射，還可以在輸入回路添加RC濾波器或雙T濾波器，以抑制常態(tài)干擾。同時，盡量縮短輸入線路的長度，并避免信號線與動力線近距離接觸，以防止信號失真。

綜上所述，在抗干擾過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)拇胧?。既要考慮抗干擾效果，也要兼顧成本和現(xiàn)場條件。過多的抗干擾措施可能引發(fā)新的干擾問題，因此需根據(jù)具體情況靈活應(yīng)對。

供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。

諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1) 稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波(Non-harmonics)或分?jǐn)?shù)諧波。

對于我國使用的50Hz電源來說基波為50Hz，3次諧波為150Hz，5次諧波為250Hz，以此類推。

為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條：一條是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波，這對各種諧波源都是適用的;另一條是對電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，這當(dāng)然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。

裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC調(diào)諧濾波器。這種方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不甚理想。

諧波的產(chǎn)生

1、發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波

由于發(fā)電機(jī)三相繞組在制造過程中很難做到完全對稱，鐵芯也很難做到絕對均勻一致等原因，發(fā)電時多少會產(chǎn)生一些諧波，總體來說數(shù)量較小。

2、變電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波

由于電力變壓器鐵芯飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)時要考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線上接近于飽和段，就使磁化電流呈現(xiàn)尖頂波形，從而含有了奇次諧波。其大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵芯飽和度相關(guān)。飽和度越高，變壓器的工作點(diǎn)就會越遠(yuǎn)地偏離線性，造成的諧波電流越大。

3、供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波

由于供電系統(tǒng)中存在著非線性負(fù)荷，當(dāng)電流流過和所加的電壓不是線性關(guān)系時，就會發(fā)生非正弦電流，這就是諧波電流。非線性負(fù)荷設(shè)備有開關(guān)電源、不間斷電源、變頻調(diào)速裝置、電子熒光燈鎮(zhèn)流器、包含磁性鐵芯設(shè)備以及部分家用電器如電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等。

1)半導(dǎo)體整流設(shè)備

由于半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、不間斷電源等許多方面，由其產(chǎn)生的諧波給電網(wǎng)造成大量的電污染。半導(dǎo)體整流裝置是采用移相控制，從電網(wǎng)吸收了缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)剩下的是另一部分缺角正弦波，在剩下部分中就會含有大量諧波。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由整流裝置所產(chǎn)生的諧波占電網(wǎng)所有諧波的40%左右，是最大的諧波源。

2)變頻調(diào)速裝置

由于變頻調(diào)速裝置的逆變電路開關(guān)特性，對所供電電源形成一個典型的非線性負(fù)載。更由于采用相位控制，諧波成分復(fù)雜，除含有較多整數(shù)次諧波，還有分?jǐn)?shù)次諧波，這類裝置功率一般較大，隨著變頻調(diào)速廣泛的應(yīng)用，對電網(wǎng)造成諧波也會越來越多。變頻器產(chǎn)生諧波主要是5次、7次諧波。

3)非線性照明裝置

非線性照明裝置主要有熒光燈、高壓氣體放電燈、金屬鹵化物燈等。通過測量和分析這些裝置的伏安特性，可知其非線性十分嚴(yán)重，個別還具有負(fù)的伏安特性，它們都會給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。

4)家用電器

電磁爐、電視機(jī)、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)等設(shè)備，因內(nèi)部有調(diào)壓整流裝置，就會產(chǎn)生較多的奇次諧波。在這些有繞組的設(shè)備中，不平衡電流的變化也可能造成波形改變。這些家用電器盡管功率較小，但數(shù)量較大，也是諧波的主要來源。

諧波的危害

在非正弦交流中，除含有角頻率為ω的基波以外，其它不同角頻率的諧波分量均為高次諧波。這些高次諧波如不采取措施加以抑制，將竄入系統(tǒng)和其它用戶，引起許多不良后果。

1、使電網(wǎng)的電壓和電流波形發(fā)生畸變，致使電能品質(zhì)變壞，甚至使某些精密儀器無法使用。

2、使電器設(shè)備如變壓器、電動機(jī)的鐵耗、銅耗增加，造成電器設(shè)備在運(yùn)行期間過熱，降低正常出力，引起噪音變大。

3、影響控制、保護(hù)及檢測裝置的工作精度和可靠性，電磁式繼電器、晶體管繼電器和感應(yīng)式繼電器非常容易受到諧波影響，會產(chǎn)生相應(yīng)誤動或拒動。

4、使某些具有容性的電氣設(shè)備如電容器和電氣材料如電纜的絕緣層發(fā)生過熱而燒毀，諧波會使電容器后端電壓增大，電容器電流增幅更大，電容器損耗的功率增加，從而異常發(fā)熱，加速絕緣介質(zhì)老化，在諧波嚴(yán)重情況時會發(fā)生電容器被擊穿甚至爆炸。

5、對弱電系統(tǒng)如通訊線路及控制電路造成嚴(yán)重干擾，使信號失真，甚至使弱電系統(tǒng)無法正常工作。相線和中性線之間非線性負(fù)荷會形成三次諧波電流，并在中性線上疊加。因?yàn)槿沃C波電流和其倍數(shù)次諧波是呈零序特征的，所以在中性線上的三次諧波電流是三相中所有三次諧波電流的總和，會引起電流和電壓畸變，并產(chǎn)生150HZ的電磁場，對周圍通信設(shè)備及通信系統(tǒng)、電子控制、保護(hù)設(shè)備產(chǎn)生干擾。

6、更為嚴(yán)重的是可能在某一高次諧波的條件下引起網(wǎng)路并聯(lián)或串聯(lián)諧振，產(chǎn)生諧振過電壓或過電流，則破壞性更大，后果極為嚴(yán)重。