諧波電流危害影響

（1）無功功率的增加，會導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，從而使發(fā)電機、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線容量增加。同時，電力用戶的起動及控制設(shè)備、測量儀表的尺寸和規(guī)格也要加大。

（2）無功功率的增加，使總電流增大，因而使設(shè)備及線路的損耗增加，這是顯而易見的。

（3）使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電壓產(chǎn)生劇烈波動，使供電質(zhì)量嚴重降低。

理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，也對周圍的用電設(shè)備造成影響。電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研究，并有一定認識，但那時諧波污染還沒有引起足夠的重視。近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速發(fā)展使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生，諧波危害的嚴重性才引起人們高度的關(guān)注。諧波對公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個方面。

（1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

（2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。 諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

（3）諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。

（4）諧波會導(dǎo)致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。

（5）諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致住處丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。

對該問題的介紹基于以下幾個方面：基本原理，主要現(xiàn)象和防止諧波故障的建議。 由于功率轉(zhuǎn)換（整流和逆變）而導(dǎo)致配電系統(tǒng)污染的問題早在1960年代初就被許多專家意識到了。直到1980年代初，日益增長的設(shè)備故障和配電系統(tǒng)異?，F(xiàn)象，使得解決這一問題成為迫在眉睫的事情。 今天，許多生產(chǎn)過程中沒有電力電子裝置是不可想象的。至少以下用電設(shè)備在每個工廠都得到了應(yīng)用： - 照明控制系統(tǒng)（亮度調(diào)節(jié)） - 開關(guān)電源（計算機，電視機） - 電動機調(diào)速設(shè)備 - 自感飽和鐵芯 - 不間斷電源 - 整流器 - 電焊設(shè)備 - 電弧爐 - 機床（CNC） - 電子控制機構(gòu) - EDM機械 所有這些非線性用電設(shè)備產(chǎn)生諧波，它可導(dǎo)致配電系統(tǒng)本身或聯(lián)接在該系統(tǒng)上的設(shè)備故障。 僅考慮導(dǎo)致設(shè)備故障的根源就在發(fā)生故障現(xiàn)象的用電工廠內(nèi)可能是錯誤的。故障也可能是由于相鄰工廠產(chǎn)生的諧波影響到公用配電網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生的。 在您安裝一套功率因數(shù)補償系統(tǒng)之前，如下工作是非常重要的：對配電系統(tǒng)進行測試以確定什么樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對您是合適的。 可調(diào)諧的濾波電路和組合濾波器已經(jīng)是眾所周知的針對諧波問題的解決方案。另外的方法就是使用動態(tài)有源濾波器。本報告將詳細講解各種濾波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并分析它們的優(yōu)缺點。 1.基本術(shù)語 載波 (AF) 是附加在電網(wǎng)電壓上的一個高頻信號，用于控制路燈、 HT/NT 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和夜間儲能加熱器。 載波 (AF) 檢出電路 由一個初級扼流線圈和一個并聯(lián)諧振電路（次級扼流線圈和電容）并聯(lián)組成的元件。 AF 鎖相電路用于檢出供電部門加載的 AF 信號。 電抗 在電容器回路串聯(lián)扼流線圈。 電抗系數(shù) 扼流線圈的電感 X L 相對于電容電感 X C 的百分比。 標準的電抗系數(shù)是：例如 5.5% 、 7% 和 14% 。 組合濾波器 兩個不同電抗系數(shù)回路并聯(lián)以檢出雜波信號，用于低成本地清潔電網(wǎng)質(zhì)量。 Cos Φ 功率因數(shù)代表了電流和電壓之間的相位差。電感性的和電容性的 cosΦ 說明了電源的質(zhì)量特性。用 cosΦ 可以表述電網(wǎng)中的無功功率分量。 傅立葉分析 通過傅立葉分析使得將非正弦函數(shù)分解為它的諧波分量成為可能。在正弦頻率 ω 0 上的波形已知為基波分量。在頻率 n ω 0 上的波形被稱為諧波分量。

諧波吸收器，調(diào)諧的

由一個扼流線圈和一個電容器串聯(lián)組成的諧振電路并調(diào)諧為對諧波電流具有極小的阻抗。該調(diào)諧的諧振電路用于精確地清除配電網(wǎng)絡(luò)中的主要諧波成分。

諧波吸收器，非調(diào)諧的

由一個扼流線圈和一個電容器串聯(lián)組成的諧振電路并調(diào)諧為低于最低次諧波的頻率以防止諧振。

諧波電流

諧波電流是由設(shè)備或系統(tǒng)引入的非正弦特性電流。諧波電流疊加在主電源上。

諧波

其頻率為配電系統(tǒng)工作頻率倍數(shù)的波形。按其倍數(shù)稱為 n 次（ 3 、 5 、 7 等）諧波分量。

諧波電壓

諧波電壓是由諧波電流和配電系統(tǒng)上產(chǎn)生的阻抗導(dǎo)致的電壓降。

阻抗

阻抗是在特定頻率下配電系統(tǒng)某一點產(chǎn)生的電阻。阻抗取決于變壓器和連在系統(tǒng)上的用電設(shè)備，以及所采用導(dǎo)體的截面積和長度。

阻抗系數(shù)

阻抗系數(shù)是 AF （載波）阻抗相對于 50Hz （基波）阻抗的比率。

并聯(lián)諧振頻率

網(wǎng)絡(luò)阻抗達到最大值的頻率。在并聯(lián)諧振電路中，電流分量 I L 和 I C 大于總電流 I 。

無功功率

電動機和變壓器的磁能部分，以及用于能量交換目的的功率轉(zhuǎn)換器等處需要無功功率 Q 。與有功功率不同，無功功率并不做功。計量無功功率的單位是 Var 或 kvar 。

無功功率補償

供電部門規(guī)定一個最小功率因數(shù)以避免電能浪費。如果一個工廠的功率因數(shù)小于這個最小值，它要為無功功率的部分付費。否則它就應(yīng)該用電容器提高功率因數(shù)，這就必須在用電設(shè)備上并聯(lián)安裝電容器。

諧振：

在配電系統(tǒng)里的設(shè)備，與它們存在的電容 ( 電纜，補償電容器等 ) 和電感 ( 變壓器，電抗線圈等 ) 形成共振電路。后者能夠被系統(tǒng)諧波激勵而成為諧振。配電系統(tǒng)諧波的一個原因是變壓器鐵芯非線性磁化的特性。在這種情況下主要的諧波是 3 次的；它在全部 導(dǎo)體內(nèi)與單相分量具有相同的長度，因而在星形點上不能消除。

諧振頻率：

每個電感和電容的連接形成一個具有特定共振頻率的諧振電路。一個網(wǎng)絡(luò)有幾個電感和電容就有幾個諧振頻率。

串聯(lián)諧振諧電路：

由電感（電抗器）和電容 ( 電容器 ) 串聯(lián)的電路。

串聯(lián)諧振頻率：

網(wǎng)絡(luò)的阻抗水平達到最小的頻率。在串聯(lián)諧振電路內(nèi)分路電壓 U L 和 U C 大于總電壓 U 。

分量諧波

頻率不是基波分量倍數(shù)的正弦曲線波。

諧波是主電網(wǎng)頻率的倍數(shù)。 術(shù)語“電網(wǎng)諧波 也被使用。

電網(wǎng)頻率 f = 50 赫茲

3 次諧波 f = 150 赫茲

5 次諧波 f = 250 赫茲

7 次諧波 f = 350 赫茲

等

用傅立葉分析能夠把非正弦曲線信號分解成基本部分和它的倍數(shù)。

由于半導(dǎo)體晶閘管的開關(guān)操作和二極管、半導(dǎo)體晶閘管的非線性特性，電力系統(tǒng)的某些設(shè)備如功率轉(zhuǎn)換器比較大的背離正弦曲線波形。

諧波電流的產(chǎn)生是與功率轉(zhuǎn)換器的脈沖數(shù)相關(guān)的。6脈沖設(shè)備僅有5、7、11、13、17、19 ….n倍于電網(wǎng)頻率。 功率變換器的脈沖數(shù)越高，最低次的諧波分量的頻率的次數(shù)就越高。

其他功率消耗裝置，例如熒光燈的電子控制調(diào)節(jié)器產(chǎn)生大強度的3 次諧波( 150 赫茲)。

在供電網(wǎng)絡(luò)阻抗( 電阻) 下這樣的非正弦曲線電流導(dǎo)致一個非正弦曲線的電壓降。 在供電網(wǎng)絡(luò)阻抗下產(chǎn)生諧波電壓的振幅等于相應(yīng)諧波電流和對應(yīng)于該電流頻率的供電網(wǎng)絡(luò)阻抗Z的乘積。 次數(shù)越高，諧波分量的振幅越低。

只要哪里有諧波源( 參看介紹) 那里就有諧波產(chǎn)生。也有可能，諧波分量通過供電網(wǎng)絡(luò)到達用戶網(wǎng)絡(luò)。 例如，供電網(wǎng)絡(luò)中一個用戶工廠的運轉(zhuǎn)可能被相鄰的另一個用戶設(shè)備產(chǎn)生的諧波所干擾。

MKP 和 MPP 技術(shù)之間的區(qū)別在于電力電容器在補償系統(tǒng)中的連接方式。

MKP( MKK ， MKF) 電容器：

這項技術(shù)是在聚丙烯薄膜上直接鍍金屬。其尺寸小于用 MPP 技術(shù)的電容器。因為對生產(chǎn)過程較低的要求，其制造和原料成本比 MPP 技術(shù)要相對地低很多。 MKP 是最普遍的電容器技術(shù)，并且由于小型化設(shè)計和電介質(zhì)的能力，它具有更多的優(yōu)點。

MPP( MKV) 電容器：

MPP 技術(shù)是用兩面鍍金屬的紙板作為電極，用聚丙烯薄膜作為介質(zhì)。這使得它的尺寸大于采用 MKP 技術(shù)的電容器。生產(chǎn)是非常高精密的，因為必須采用真空干燥技術(shù)從電容器繞組中除去全部殘余水分而且空腔內(nèi)必須填注絕緣油。這項技術(shù)的主要優(yōu)勢是它對高溫的耐受性能。

自愈：

兩種類型的電容器都是自愈式的。在自愈的過程中電容器儲存的能量在故障穿孔點會產(chǎn)生一個小電弧。電弧會蒸發(fā)穿孔點臨近位置的細小金屬，這樣恢復(fù)介質(zhì)的充分隔離。電容器的有效面積在自愈過程中不會有任何實際程度的減少。每只電容都裝有一個過壓分斷裝置以保護電氣或熱過載。測試是符合 VDE 560 和 IEC 70 以及 70A 標準的。

直到大約1978年，制造電力電容器仍然使用包含PCB的介質(zhì)注入技術(shù)。后來人們發(fā)現(xiàn)，PCB 是有毒的，這種有毒的氣體在燃燒時會釋放出來。這些電容器不再被允許使用并且必須處理，它們必須被送到處理特殊廢料的焚化裝置里或者深埋到安全的地方。

包含PCB 的電容器有大約30 W/kvar的功率損耗值。 電容器本身由鍍金屬紙板做成。

由于這種電容被禁止使用，一種新的電容技術(shù)被開發(fā)出來。為了滿足節(jié)能趨勢的要求，發(fā)展低功耗電容器成為努力的目標。

新的電容器是用干燥工藝或是用充入少量油( 植物油)的技術(shù)來生產(chǎn)的。現(xiàn)在用鍍金屬塑料薄膜代替鍍金屬紙板。因此新電容充分顯示出了其環(huán)保的特性，并且功耗僅為0.3 W/kvar。這表明改進后使功耗降至原來的1/100。 這些電容器是根據(jù)常規(guī)電網(wǎng)條件而開發(fā)的。在能源危機的過程中，人們開始相控技術(shù)的研究。相位控制的結(jié)果是導(dǎo)致電網(wǎng)的污染和許多到現(xiàn)在才搞清楚的故障。

由于前一代電容器存在一個很高的自電感（所以功耗情況很差，達到現(xiàn)在的100倍），高頻的電流和電壓(諧波) 不能被吸收，而新的電容器則會更多地吸收諧波。

因此存在這種可能，即，新、舊電容器工作在相同的母線上時會表現(xiàn)出運行狀況和壽命預(yù)期的很大差異， 由于上述原因有可能新電容器將在更短的時間內(nèi)損壞。

我們向市場提供的電力電容器是專門為用于補償系統(tǒng)中而開發(fā)的。電網(wǎng)條件已經(jīng)發(fā)生急劇的變化，選擇正確的電容器技術(shù)越來越重要。 電容器的使用壽命會受到如下因素的影響而縮短： -諧波負載 -較高的電網(wǎng)電壓 -高的環(huán)境溫度 我們配電系統(tǒng)中的諧波負載在持續(xù)增長。在可預(yù)知的將來，可能只有組合電抗類型的補償系統(tǒng)會適合使用。 很多供電公司已經(jīng)規(guī)定只能安裝帶電抗的補償系統(tǒng)。其它公司必須遵循他們的規(guī)定。 如果一個用戶決定繼續(xù)使用無電抗的補償系統(tǒng)，他起碼應(yīng)該選用更高額定電壓的電容器。這種電容器能夠耐受較高的諧波負載，但是不能避免諧振事故。

在工業(yè)和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例。異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的性質(zhì)所決定的。

電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率，特別是各種相控裝置。 如相控整流器、相控交流功率調(diào)整電路和周波變流器，在工作時基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無功功率。但是它也產(chǎn)生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無功功率。

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。在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。目前，常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負載的整流電路所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟悉。直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴懲的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數(shù)接近1。 但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網(wǎng)造成嚴重污染，也使得總的功率因數(shù)很低。另外，采用相控方式的交流電力調(diào)整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流。

（1）發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波

發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，發(fā)電源多少也會產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。

（2）輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波

輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計變壓器時考慮經(jīng)濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。

（3）用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波：

晶閘管整流設(shè)備。由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%；接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

變頻裝置。變頻裝置常用于風(fēng)機、水泵、電梯等設(shè)備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分數(shù)次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對電網(wǎng)造成的諧波也越來越多。

電弧爐、電石爐。由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。其中主要是2 7次的諧波，平均可達基波的8% 20%，最大可達45%。

氣體放電類電光源。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏安特性，可知其非線性十分嚴重，有的還含有負的伏安特性，它們會給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。

家用電器。電視機、錄像機、計算機、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因具有調(diào)壓整流裝置，會產(chǎn)生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風(fēng)扇、空調(diào)器等有繞組的設(shè)備中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數(shù)量巨大，也是諧波的主要來源之一。

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)諧波補償裝置來補償諧波，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行改造，使期不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，這當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。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(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，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。

人們對有功功率的理解非常容易，而要深刻認識無功功率卻并不是輕而易舉的。在正弦電路中，無功功率的概念是清楚的，而在含有諧波時，至今尚無獲得公認的無功功率定義。但是，對無功功率這一概念的重要性，對無功補償重要性的認識，卻是一致的。無功補償應(yīng)包含對基波無功功率補償和對諧波無功功率的補償。

無功功率對供電系統(tǒng)和負荷的運行都是十分重要的。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略地說，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當寬的范圍內(nèi)可以實現(xiàn)；而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內(nèi)實現(xiàn)。不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件消耗無功功率，大多數(shù)負載也需要消耗無功功率。網(wǎng)絡(luò)元件和負載所需要的無功功率必須從網(wǎng)絡(luò)中某個地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發(fā)電機提供并經(jīng)過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應(yīng)是在需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功率，這就是無功補償。

無功補償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c：

（1） 提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗。

（2） 穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線中合適的地點設(shè)置動態(tài)無功補償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力。

（3） 在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當?shù)臒o功襝可以平衡三相的有功及無功負載。

是因為諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴重干擾。

諧波”一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18世紀和19世紀已經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)諧波問題的大量論文。70年代以來，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分和關(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會議，不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標準和規(guī)定。

供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數(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）或分數(shù)諧波。諧波實際上是一種 干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制，其頻率范圍一般 為2≤n≤40。

諧波電流就是將非正弦周期性電流函數(shù)按傅立葉級數(shù)展開時，其頻率為原周期電流頻率整數(shù)倍的各正弦分量的統(tǒng)稱。頻率等于原周期電流頻率k倍的諧波電流稱為k次諧波電流，k大于1的各諧波電流也統(tǒng)稱為高次諧波電流。

諧波電流也是其頻率為原周期電流頻率整數(shù)倍的各正弦分量的統(tǒng)稱。

一般來說, 理想的交流電源應(yīng)是純正弦波形, 但因現(xiàn)實世界中的輸出阻抗及非線性負載的原因, 導(dǎo)致電源波形失真, 如(圖一). 若電壓頻率是60Hz, 將失真的電壓經(jīng)傅立葉轉(zhuǎn)換分析后, 可將其電壓組成分解為除了基頻(60Hz)外, 倍頻(120Hz, 180Hz,…..)成份的組合. 其倍頻的成份就稱為諧波: harmonic. 而近年來整流性負載的大量使用, 造成大量的諧波電流, 也間接污染了市電, 產(chǎn)生電壓的諧波成份. 另外一些市售的發(fā)電機或UPS本身輸出電壓就非純正弦波, 甚至有方波的情形, 失真情形更嚴重, 所含諧波成份占了很大的比

諧波簡單地說，就是一定頻率的電壓或電流作用于非線性負載時,會產(chǎn)生不同于原頻率的其它頻率的正弦電壓或電流的現(xiàn)象。

紋波是指在直流電壓或電流中，疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。

它們雖然在概念上不是一回事，但它們之間有聯(lián)系。如電源上附加的紋波在用電器上很容易產(chǎn)生各頻率的諧波；電源中各頻率諧波的存在無疑導(dǎo)致電源中紋波成分的增加。

除了在電路中我們所需要產(chǎn)生諧波的情況以外，它主要有以下主要危害：

1、使電網(wǎng)中發(fā)生諧振而造成過電流或過電壓而引發(fā)事故；

2、增加附加損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率和設(shè)備利用率；

3、使電氣設(shè)備（如旋轉(zhuǎn)電機、電容器、變壓器等）運行不正常，加速絕緣老化，從而縮短它們的使用壽命；

4、使繼電保護、自動裝置、計算機系統(tǒng)及許多用電設(shè)備運轉(zhuǎn)不正?；虿荒苷幼骰虿僮?；

5、使測量和計量儀器、儀表不能正確指示或計量；

6、干擾通信系統(tǒng)，降低信號的傳輸質(zhì)量，破壞信號的正常傳遞，甚至損壞通信設(shè)備。

紋波的害處：

1、容易在用電器上產(chǎn)生諧波，而諧波會產(chǎn)生較多的危害；

2、降低了電源的效率；

3、較強的紋波會造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用電器；

4、會干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作；

5、會帶來噪音干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作。

總之，它們在我們不需要的地方出現(xiàn)都是有害的，需要我們避免的。對于如何抑制和去除諧波和紋波的方式方法有很多，但想完全消除，似乎是很難辦到的，我們只有將其控制在一個允許的范圍之內(nèi)，不對環(huán)境和設(shè)備產(chǎn)生影響就算達到了我們的目的。

近年來, 電力網(wǎng)中非線性負載的逐漸增加是全世界共同的趨勢，如變頻驅(qū)動或晶閘管整流直流驅(qū)動設(shè)備、計算機、重要負載所用的不間斷電源(UPS) 、節(jié)能熒光燈系統(tǒng)等，這些非線性負載將導(dǎo)致電網(wǎng)污染，電力品質(zhì)下降，引起供用電設(shè)備故障, 甚至引發(fā)嚴重火災(zāi)事故等。

電力污染及電力品質(zhì)惡化主要表現(xiàn)在以下方面：電壓波動、浪涌沖擊、諧 波、三相不平衡等。

1.電源 污染的危害

電源污染會對用電設(shè)備造成嚴重危害，主要有：

? 干擾通訊設(shè)備、計算機系統(tǒng)等電子設(shè)備的正常工作，造成數(shù)據(jù)丟失或死機。

? 影響無線電發(fā)射系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、核磁共振等設(shè)備的工作性能, 造成噪聲干擾和圖像紊亂。

? 引起電氣自動裝置誤動作，甚至發(fā)生嚴重事故。

? 使電氣設(shè)備過熱，振動和噪聲加大，加速絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。

? 造成燈光亮度的波動（閃變），影響工作效益。

? 導(dǎo)致供電系統(tǒng)功率損耗增加。

電壓波動是指多個正弦波的峰值，在一段時間內(nèi)超過(低于)標準電壓值，大約從半周波到幾百個周波，即從10MS到2.5秒, 包括過壓波動和欠壓波動。普通避雷器和過電壓保護器，完全不能消除過壓波動，因為它們是用來消除瞬態(tài)脈沖的。普通避雷器在限壓動作時有相當大的電阻值，考慮到其額定熱容量（焦爾），這些裝置很容易被燒毀，而無法提供以后的保護功能。這種情況往往很容易忽視掉，這是導(dǎo)致計算機、控制系統(tǒng)和敏感設(shè)備故障或停機的主要原因。

另一個相反的情況是欠壓波動，它是指多個正弦波的峰值，在一段時間內(nèi)低于標準電壓值，或如通常所說：晃動或降落。長時間的低電壓情況可能是由供電公司造成或由于用戶過負載造成，這種情況可能是事故現(xiàn)象或計劃安排。更為嚴重的是失壓，它大多是由于配電網(wǎng)內(nèi)重負載的分合造成，例如大型電動機、中央空調(diào)系統(tǒng)、電弧爐等的啟停以及開關(guān)電弧、保險絲燒斷、斷路器跳閘等，這些都是通常導(dǎo)致電壓畸變的原因。

大型用電設(shè)備的頻繁啟動導(dǎo)致電壓的周期性波動,如電焊機、沖壓機、吊機、電梯等,這些設(shè)備需要短時沖擊功率,主要是無功功率。電壓波動導(dǎo)致設(shè)備功率不穩(wěn)，產(chǎn)品質(zhì)量下降；燈光的閃變引致眼睛疲勞,降低工作效率。

浪涌沖擊是指系統(tǒng)發(fā)生短時過（低）電壓,即時間不超過1毫秒的電壓瞬時脈沖，這種脈沖可以是正極性或負極性，可以具有連串或振蕩性質(zhì)。它們通常也被叫作：尖峰、缺口、干擾、毛刺或突變。

電網(wǎng)中的浪涌沖擊既可由電網(wǎng)內(nèi)部大型設(shè)備（電機、電容器等）的投切或大型晶閘管的開斷引起，也可由外部雷電波的侵入造成。浪涌沖擊容易引起電子設(shè)備部件損壞，引起電氣設(shè)備絕緣擊穿；同時也容易導(dǎo)致計算機等設(shè)備數(shù)據(jù)出錯或死機。

線性負載，例如純電阻負載，其工作電流的波形與輸入電壓的正弦波形完全相同，非線性負載，例如斬波直流負載，其工作電流是非正弦波形。傳統(tǒng)的線性負載的電流/電壓只含有基波(50Hz)，沒有或只有極小的諧波成分，而非線性負載會在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生可觀的諧波。

諧波與電力系統(tǒng)中基波疊加，造成波形的畸變，畸變的程度取決于諧波電流的頻率和幅值。非線性負載產(chǎn)生陡峭的脈沖型電流，而不是平滑的正弦波電流，這種脈沖中的諧波電流引起電網(wǎng)電壓畸變，形成諧波分量，進而導(dǎo)致與電網(wǎng)相聯(lián)的其它負載產(chǎn)生更多的諧波電流。

計算機是此類非線性負載之一，象絕大多數(shù)辦公室電子設(shè)備一樣，計算機裝有一個二極管/電容型的供電電源，這類供電電源僅在交流正弦波電壓的峰值處產(chǎn)生電流，因此產(chǎn)生大量的三次諧波電流（150Hz）。其它產(chǎn)生諧波電流的設(shè)備主要有：電動機變頻調(diào)速器，固態(tài)加熱器，和其他一些產(chǎn)生非正弦波變化電流的設(shè)備。

熒光燈照明系統(tǒng)也是一個重要的諧波源，在普通的電磁整流器燈光電路中，三次諧波的典型值約為基波（50Hz）值的13%-20%。而在電子整流器燈光電路中，諧波分量甚至高達80%。

非線性負載所產(chǎn)生的諧波電流會影響電力系統(tǒng)的多個工作環(huán)節(jié)，包括變壓器，中性線，還有電動機，發(fā)電機和電容器等。諧波電流會導(dǎo)致變壓器，電動機和備用發(fā)電機的運行溫度(K參數(shù))嚴重升高。中性線上的過電流（由諧波和不平衡引起）不僅會使導(dǎo)線溫度升高，造成絕緣損壞，而且會在三相變壓器線圈中產(chǎn)生環(huán)流，導(dǎo)致變壓器過熱。無功補償電容器會因電網(wǎng)電壓諧波畸變而產(chǎn)生過熱，諧波將導(dǎo)致嚴重過流；

另外，電容器還會與電力系統(tǒng)中的電感性元件形成諧振電路，這將導(dǎo)致電容器兩端的電壓明顯升高，引致嚴重故障。照明裝置的啟輝電容器對于由高頻電流引起的過熱也是十分敏感的，啟輝電容器的頻繁損壞顯示了電網(wǎng)中存在諧波的影響。諧波還會引起配電線路的傳輸效率下降，損耗增大，并干擾電力載波通訊系統(tǒng)的工作，如電能管理系統(tǒng)（EMS）和時鐘系統(tǒng)。而且，諧波還會使電力測量表計，有功需量表和電度表的計量誤差增大。

三相不平衡會在中性線上產(chǎn)生過電流(由諧波和不平衡引起)不僅會使導(dǎo)線溫度升高，造成絕緣損壞，而且會在三相變壓器線圈中產(chǎn)生環(huán)流，導(dǎo)致變壓器過熱, 甚至引發(fā)嚴重火災(zāi)事故等。

對于現(xiàn)有供電網(wǎng)絡(luò)或待建電網(wǎng)中的電力污染情況，要進行仔細分析，通常解決的方法有兩個：一是局部重組電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分離或隔離產(chǎn)生電力污染的設(shè)備；二是使用電源凈化濾波設(shè)備進行治理，通常電壓諧波是由電流諧波產(chǎn)生的，有效地抑制電流諧波就會使電壓畸變達到要求的范圍。國內(nèi)外很多單位已開始重視電源污染的治理, 投資安裝電源凈化濾波裝置, 取得了提高電源品質(zhì)和節(jié)能的雙重效果。

電源污染的治理主要有以下幾種方法：

? 串聯(lián)電抗器

? 有源濾波補償

? 無源濾波補償

? 增加整流設(shè)備的相數(shù)

? 安裝各種突波吸收保護裝置,如避雷器等

目前，無源濾波補償是實際應(yīng)用最多、效果較好、價格較低的解決方案，它包括三種基本形式：串聯(lián)濾波、并聯(lián)濾波和低通濾波（串并混合）。其中串聯(lián)濾波主要適用于三次諧波的治理；低通濾波主要適用于高次諧波的治理；并聯(lián)濾波是一種綜合裝置，它可濾除多次諧波，同時提供系統(tǒng)的無功功率，是應(yīng)用最廣泛的電源凈化濾波裝置。

近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源濾波補償技術(shù)日益成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。較傳統(tǒng)的無源濾波補償系統(tǒng)，它具有功能多，適應(yīng)性好及響應(yīng)速度快等優(yōu)點，隨著價格的不斷下降，應(yīng)用將日益普遍。有源濾波補償系統(tǒng)在很多重要場所應(yīng)用效果非常好。

不平衡電流的危害

電網(wǎng)中三相間的不平衡電流是普遍存在的，在城市民用電網(wǎng)及農(nóng)用電網(wǎng)中由于大量單相負荷的存在，三相間的電流不平衡現(xiàn)象尤為嚴重。對于三相不平衡電流，除

了盡量合理地分配負荷之外幾乎沒有什么行之有效的解決辦法。正因為找不到解決問題的有效辦法，因此反而不被人們所重視，也很少有人進行研究。

電網(wǎng)中的不平衡電流會增加線路及變壓器的銅損，增加變壓器的鐵損，降低變壓器的出力甚至?xí)绊懽儔浩鞯陌踩\行，會造成三相電壓不平衡因而降低供電質(zhì)量

，甚至?xí)绊戨娔鼙淼木榷斐捎嬃繐p失。

理論研究證明：在輸出同樣功率的情況下，三相電流平衡時變壓器及線路的銅損最小，也就是說：三相不平衡現(xiàn)象增加了變壓器及線路的銅損。

不平衡電流對系統(tǒng)銅損的影響

設(shè)某系統(tǒng)的三相線路及變壓器繞組的總電阻為R。如果三相電流平衡，IA=100A，IB=100A，IC=100A，則總銅損=1002R+1002R+1002R=30000R。

如果三相電流不平衡，IA=50A，IB=100A，IC=150A，則總銅損=502R+1002R+1502R=35000R，比平衡狀態(tài)的銅損增加了17%。

在更為嚴重的狀態(tài)下，如果IA=0A，IB=150A，IC=150A，則總銅損=1502R+1502R=45000R，比平衡狀態(tài)的銅損增加了50%。

在最嚴重的狀態(tài)下，如果IA=0A，IB=0A，IC=300A，則總銅損=3002R=90000R，比平衡狀態(tài)的銅損增加了3倍。

對變壓器的影響

現(xiàn)有的10/0.4KV的低壓配電變壓器多為Yyn0接法三相三柱鐵心的變壓器。這種類型的變壓器，當二次側(cè)負荷不平衡且有零線電流時，零線電流即為零序電流，而在

一次側(cè)由于無中點引出線因此零序電流無法流通，故零序電流不能安匝平衡，對鐵心而言，有一個激磁零序電流，它受零序激磁阻抗控制，根據(jù)磁路的設(shè)計，這一零序

激磁阻抗較大，零序電流使相電壓的對稱受到影響，中性點會偏移。由計算得知，當零線電流為額定電流的25%時，中性點移位約為額定電壓的7%。國家標準GB50052-

95第6.08條規(guī)定: “當選用Yyn0結(jié)線組別的三相變壓器，其由單相不平衡負荷引起的電流不得超過低壓繞組額定電流的25%，且其中一相的電流在滿載時不得超過額定電

流值?！庇捎谏鲜鲆?guī)定，限制了Yyn0結(jié)線配電變壓器接用單相負荷的容量，也影響了變壓器設(shè)備能力的充分利用。

并且，對三相三柱的磁路而言，零序磁通不能在磁路內(nèi)成回路，必須在油箱壁及緊固件內(nèi)形成回路，而油箱壁及緊固件內(nèi)的磁通會產(chǎn)生較大的渦流損耗，因而使變

壓器的鐵損增加。當零序電流過大導(dǎo)致零序磁通過大時，由于中性點漂移過大會引起某些相電壓過高而導(dǎo)致鐵心磁飽和，使鐵損急劇增加，加上緊固件過熱等因素，可

能會發(fā)生任何一相電流均未過載而變壓器卻因局部過熱而損壞的事故。

由于Yyn0結(jié)線組的配電變壓器與的零序激磁阻抗較大，因此零線電流會造成較大的電壓變化，形成比較嚴重的三相電壓不平衡現(xiàn)象，不但影響單相用戶，對三相用戶的影響更大 。

（1）三相負荷不平衡將增加變壓器的損耗：

變壓器的損耗包括空載損耗和負荷損耗。正常情況下變壓器運行電壓基本不變，即空載損耗是一個恒量。而負荷損耗則隨變壓器運行負荷的變化而變化，且與負荷電流的平方成正比。當三相負荷不平衡運行時，變壓器的負荷損耗可看成三只單相變壓器的負荷損耗之和。

從數(shù)學(xué)定理中我們知道：假設(shè)a、b、c 3個數(shù)都大于或等于零，那么a+b+c≥33√abc 。

當a=b=c時，代數(shù)和a+b+c取得最小值：a+b+c=33√abc 。

因此我們可以假設(shè)變壓器的三相損耗分別為：Qa=Ia2 R、Qb= Ib2 R 、Qc =Ic2 R，式中Ia、Ib、Ic分別為變壓器二次負荷相電流，R為變壓器的相電阻。則變壓器的損耗表達式如下：

Qa+Qb+Qc≥33√〔（Ia2 R）（Ib2 R）（Ic2 R）〕

由此可知，變壓器的在負荷不變的情況下，當Ia=Ib=Ic時，即三相負荷達到平衡時，變壓器的損耗最小。

則變壓器損耗：

當變壓器三相平衡運行時，即Ia=Ib=Ic=I時，Qa+Qb+Qc=3I2R；

當變壓器運行在最大不平衡時，即Ia=3I，Ib=Ic=0時，Qa=(3I)2R=9I2R=3(3I2R)；

即最大不平衡時的變損是平衡時的3倍。

（2）三相負荷不平衡可能造成燒毀變壓器的嚴重后果：

上述不平衡時重負荷相電流過大（增為3倍），超載過多，可能造成繞組和變壓器油的過熱。繞組過熱，絕緣老化加快；變壓器油過熱，引起油質(zhì)劣化，迅速降低變壓器的絕緣性能，減少變壓器壽命（溫度每升高8℃，使用年限將減少一半），甚至燒毀繞組。

（3）三相負荷不平衡運行會造成變壓器零序電流過大，局部金屬件溫升增高：

在三相負荷不平衡運行下的變壓器，必然會產(chǎn)生零序電流，而變壓器內(nèi)部零序電流的存在，會在鐵芯中產(chǎn)生零序磁通，這些零序磁通就會在變壓器的油箱壁或其他金屬構(gòu)件中構(gòu)成回路。但配電變壓器設(shè)計時不考慮這些金屬構(gòu)件為導(dǎo)磁部件，則由此引起的磁滯和渦流損耗使這些部件發(fā)熱，致使變壓器局部金屬件溫度異常升高，嚴重時將導(dǎo)致變壓器運行事故。

（1）增加高壓線路損耗：

低壓側(cè)三相負荷平衡時，6～10k V高壓側(cè)也平衡，設(shè)高壓線路每相的電流為I，其功率損耗為： ΔP1 = 3I2R

低壓電網(wǎng)三相負荷不平衡將反映到高壓側(cè)，在最大不平衡時，高壓對應(yīng)相為1.5I，另外兩相都為0.75 I，功率損耗為：

ΔP2 = 2（0.75I）2R+（1.5I）2R = 3.375I2R =1.125（3I2R）；

即高壓線路上電能損耗增加12.5%。

（2）增加高壓線路跳閘次數(shù)、降低開關(guān)設(shè)備使用壽命：

我們知道高壓線路過流故障占相當比例，其原因是電流過大。低壓電網(wǎng)三相負荷不平衡可能引起高壓某相電流過大，從而引起高壓線路過流跳閘停電，引發(fā)大面積停電事故，同時變電站的開關(guān)設(shè)備頻繁跳閘將降低使用壽命。

（1）三相負荷不平衡將增加線路損耗：

三相四線制供電線路，把負荷平均分配到三相上，設(shè)每相的電流為I，中性線電流為零，其功率損耗為： ΔP1 = 3I2R

在最大不平衡時，即某相為3I，另外兩相為零，中性線電流也為3I，功率損耗為：

ΔP2 = 2（3I)2R = 18I2R = 6（3I2R)；

即最大不平衡時的電能損耗是平衡時的6倍，換句話說，若最大不平衡時每月?lián)p失1200 kWh，則平衡時只損失200 kWh，由此可知調(diào)整三相負荷的降損潛力。

（2）三相負荷不平衡可能造成燒斷線路、燒毀開關(guān)設(shè)備的嚴重后果：

上述不平衡時重負荷相電流過大（增為3倍），超載過多。由于發(fā)熱量Q=0.24I2Rt，電流增為3倍，則發(fā)熱量增為9倍，可能造成該相導(dǎo)線溫度直線上升，以致燒斷。且由于中性線導(dǎo)線截面一般應(yīng)是相線截面的50%，但在選擇時，有的往往偏小，加上接頭質(zhì)量不好，使導(dǎo)線電阻增大。中性線燒斷的幾率更高。

同理在配電屏上，造成開關(guān)重負荷相燒壞、接觸器重負荷相燒壞，因而整機損壞等嚴重后果。

供電企業(yè)直管到戶，低壓電網(wǎng)損耗大，將降低供電企業(yè)的經(jīng)濟效益，甚至造成供電企業(yè)虧損經(jīng)營。農(nóng)電工承包臺區(qū)線損，線損高農(nóng)電工獎金被扣發(fā)，甚至連工資也得不到，必然影響農(nóng)電工情緒，輕則工作消極，重則為了得到錢違法犯罪。

變壓器燒毀、線路燒斷、開關(guān)設(shè)備燒壞，一方面增大供電企業(yè)的供電成本，另一方面停電檢修、購貨更換造成長時間停電，少供電量，既降低供電企業(yè)的經(jīng)濟效益，又影響供電企業(yè)的聲譽。

三相負荷不平衡，一相或兩相畸重，必將增大線路中的電壓降，降低電能質(zhì)量，影響用戶的電器使用。

變壓器燒毀、線路燒斷、開關(guān)設(shè)備燒壞，影響用戶供電，輕則帶來不便，重則造成較大的經(jīng)濟損失，如停電造成養(yǎng)殖的動植物死亡，或不能按合同供貨被懲罰等。中性線燒斷還可能造成用戶大量低壓電器被燒毀的事故。