近年來，產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型及數(shù)量均已日劇增，并將繼續(xù)增長。本文主要介紹諧波產(chǎn)生的原因和它的危害，以及抑制供電系統(tǒng)諧波的一般對策。
一、概 述
在理想情況下，優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)應(yīng)該提供有正弦波的電壓。但在實(shí)際中供電電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形，即產(chǎn)生諧波。我們所說的供電系統(tǒng)中的諧波之一是一些諧波為基波頻率(在我國取工業(yè)用電頻率50HZ為基波頻率)整數(shù)倍的正弦波分量，又稱為高次諧波。這些非線性負(fù)荷在工作時向電源反饋高次諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓，電流波形畸變，使電力變壞。諧波還會引起電氣設(shè)備附加損耗和發(fā)熱,縮短使用壽命，甚至損壞。諧波注入電網(wǎng)后使無功加大，功率因數(shù)降低，甚至有可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振，損壞電氣設(shè)備以及干擾通信線路的正常工作。因此，諧波是電力質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。所以諧波問題引起各界的廣泛關(guān)注，為保證供電系統(tǒng)中所有的電氣、電子設(shè)備能在電磁兼容意義的基礎(chǔ)上進(jìn)行正常諧波的工作，必須采取有力的措施，抑制并防止電網(wǎng)因諧波危害所造成的嚴(yán)重后果。
二、什么是諧波?供電系統(tǒng)的諧波是怎么定義的?
“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(jì)和19世紀(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。傅利葉等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(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)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 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)表了有變流電力系統(tǒng)、工業(yè)、交流及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行傅利葉級數(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。諧波實(shí)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。
三、諧波的產(chǎn)生
在理想的干凈供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。再致函線性元件(電阻、電感及電容)的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。
在實(shí)際的供電系統(tǒng)中，由于有線性非負(fù)荷的存在，當(dāng)電流流過與所加電壓不成線性關(guān)系的負(fù)荷時，就形成非正弦波電流。任何周期頂波形均可分解為一個基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波。諧波頻率是基頻的整數(shù)倍，例如基頻為50Hz，二次諧波為100Hz，三次諧波則為150Hz。因此畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……可能直到第三十次諧波組成。
供電網(wǎng)諧波來自三方面：
1.發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生的諧波
發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕緣對稱，鐵心也很難做到絕對平均抑制和其他一些原因，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，由于變壓器鐵芯的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計變壓器是考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密度選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電力城尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵芯的飽和程度有關(guān)。鐵芯的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流的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(jī)車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源大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，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單向整流電路，在接感性負(fù)載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%;接容性負(fù)載時則有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值得增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈沖整流器，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，也有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計表明：有整流裝置產(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(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中，由于采用了相位控制，諧波成分很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有份數(shù)次諧波，這類裝置的功率他、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地不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負(fù)荷比平衡，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(dá)基波的8%、20%，最大可達(dá)45%。
氣體放電光源：熒光燈、高壓汞燈、高壓納燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分與測量也累電源的伏安特性，可知其非線性十分嚴(yán)重，有的還含有負(fù)的伏安特性，他們會給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。
家用電器：電視機(jī)、錄像機(jī)、計算機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因具有跳崖整流裝置，會生產(chǎn)較深的奇次諧波。在洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)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。
隨著電力電子設(shè)備使用的不斷增加，同時這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波又具有較大的振幅，所以目前它們是供電系統(tǒng)中的主要諧波源。
四、諧波的危害
以前由于接入供電系統(tǒng)的非線性設(shè)備較小，綁在系統(tǒng)中引起的諧波電流也很小，所以對電力質(zhì)量的影響不大。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展人們的生活水平日益提高，使用大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件以及此類開關(guān)電源的產(chǎn)品，如電視機(jī)、空調(diào)器、節(jié)能燈、調(diào)光器、洗衣機(jī)、微波爐，信息技術(shù)設(shè)備等雖屬涌入居民家庭，雖然每臺設(shè)備向電網(wǎng)注入的諧波電流不大，但這些設(shè)備數(shù)量大、分布廣。有些家用電器如電視機(jī)、空調(diào)器等在使用時具有集中的特點(diǎn)，在某些時段會使注入到電網(wǎng)的諧波電流對公用造成諧波問題特別突出，這不但使接入該電網(wǎng)的設(shè)備無法正常工作，甚至造成故障，而且還會使供電系統(tǒng)中性線承受的電流超載，影響供電系統(tǒng)的電力輸送。因此諧波問題得到各有關(guān)方面的高度重視。
供電系統(tǒng)中的諧波危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
(一)增加了發(fā)、輸、供和用電設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備發(fā)熱，降低設(shè)備的效率和利用率。
由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過導(dǎo)體時，因集膚效率的作用，使導(dǎo)體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備功率損耗、電能損耗、使導(dǎo)體的發(fā)熱嚴(yán)重。
1.對電動機(jī)的影響
諧波對電動機(jī)的危害主要是產(chǎn)生附加損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應(yīng)、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在電動機(jī)的鐵芯和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加.諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對電動機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩的影響不大，但諧波會產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲振動的問題。這種振蕩力矩是電機(jī)的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振,會縮短電動機(jī)使用壽命，甚至損壞。
2.對變壓器的影響
諧波電流式變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱;對全星形連接的變壓器。當(dāng)繞組中性點(diǎn)接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時?？赡艹?次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。
3.對輸出電線路的影響
諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時，對輸電線路和電力電纜線路會造成絕緣擊穿。
4.對電力電容器的影響
含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負(fù)荷甚至爆炸，同時諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇。
(二)影響繼電保護(hù)和自動裝置的工作和可靠性
特別對于電磁式繼電器來說，電力諧波常會引起繼電保護(hù)及自動裝置誤動或拒動，使其動作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
(三)影響電力測量和計量儀器的指示和計量準(zhǔn)確性
在有諧波源的情況下，諧波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能并扣除一小部分諧波電能，從而諧波源雖然污染了電網(wǎng)，卻反而少交電費(fèi);而與此同時，在線性負(fù)荷用戶處，電能表記錄的該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能，這部分電能不但使線性負(fù)荷性能變壞，而且還要多交電費(fèi)。電子式表更不利于供電部門而有利于非線性負(fù)荷用戶。
(四)干擾通訊信息通的工作
電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時，會在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端的情況下，還會威脅著通信設(shè)備和人員的安全。
(五)對用電設(shè)備的危害
諧波會使電視機(jī)、計算機(jī)的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機(jī)內(nèi)的元件出現(xiàn)過熱，使計算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。對于帶有啟動鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)用電容器的熒光燈及汞燈來說，會因?yàn)樵谝欢▍?shù)的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮(zhèn)流器或電容器因過熱而損壞。對于采用晶閘管的變頻裝置，諧波可能使晶閘管誤動作，或使控制回路誤觸發(fā)。
(六)諧波對人體的影響
從人體生理學(xué)來說，人體細(xì)胞在受刺激興奮時，會在細(xì)胞膜靜息點(diǎn)為基礎(chǔ)上發(fā)生快速電波動可逆翻轉(zhuǎn)，其頻率如果與諧波頻率相近，電網(wǎng)諧波的電磁輻射就會直接影響人的腦磁場與心磁場。
五、抑制供電系統(tǒng)諧波的一般對策
諧波問題是關(guān)系到供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量的一個重要問題，它不但于供電部門有關(guān)，而且還關(guān)系到廣大電力用戶扣電氣設(shè)備制造廠的切身利益。為減少供電系統(tǒng)的諧波問題，一般從管理上和技術(shù)措施上采取以上幾種方面的對策：
1.貫徹性有關(guān)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)諧波管理
我國于1998年12月14日發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB17625.1-1998 《低壓電器及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值(設(shè)備沒想輸入電流小于等于16A)》，等于采用IEC6100-3-2：1995，但在技術(shù)內(nèi)容上與該國際標(biāo)準(zhǔn)完全一致。GB17625.1規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)接入公用低壓配電系統(tǒng)中的電氣、電子設(shè)備(每相輸出電流小于等于16A)可能產(chǎn)生的諧波的限值。只有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)該電子產(chǎn)品注入系統(tǒng)的總體諧波電流水平加以限制。
該標(biāo)準(zhǔn)對一線四類設(shè)備確定諧波電流時流時發(fā)射限值：A類設(shè)備：平衡的三項設(shè)備以及除B、C和D類設(shè)備;B類設(shè)備：便攜式電動工具;C類設(shè)備;包括調(diào)光裝置的照明設(shè)備：D類設(shè)備：輸入電流具有標(biāo)準(zhǔn)所定義的“特殊波形”且其有功功率步大于600W的設(shè)備。
該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)驗(yàn)電源的要求、對測量設(shè)備的要求和實(shí)驗(yàn)條件的內(nèi)容。
目前，全國電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)委員會正在組織有關(guān)專家對GB17625。1進(jìn)行修訂，使該標(biāo)準(zhǔn)更加適應(yīng)市場的需求和操作更容易、簡便。
此外，1993年頒發(fā)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1454
9-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，該標(biāo)準(zhǔn)考慮了不同諧波源疊加計算的方法，規(guī)定了各級電網(wǎng)電壓諧波總畸變率和用戶諸如電網(wǎng)的諧波電流容許值，對限制公用電網(wǎng)中的諧波起到了積極的工作。
認(rèn)真貫徹執(zhí)行有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于限制諧波的規(guī)定，就能從總體上控制供電系統(tǒng)中的諧波水平，保證供電系統(tǒng)供給優(yōu)質(zhì)的電力質(zhì)量。
2.三相整流變壓器采用Y/△或△/Y的接線形式，這樣可以消除3的整數(shù)倍次的電力諧波，從而使注入電網(wǎng)的諧波電流只有5、7、11……等次諧波。
3.裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置，對大型電弧爐及晶閘管控制的軋鋼機(jī)等非線性設(shè)備，由于其負(fù)荷是沖擊性的，而且是隨機(jī)的，因此宜裝設(shè)能吸收動態(tài)諧波電流的靜止無功補(bǔ)償裝置，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。
4.對于大容量的電力設(shè)備，特別是大容量的電容器組，回路內(nèi)增設(shè)限流裝置或串聯(lián)電抗器，以抑制電力諧波的產(chǎn)生。
5.對容量在100kVA及以上整流裝置和非線性設(shè)備的用戶，必須增設(shè)分流濾波裝置，就近吸收電力諧波。
6.增加整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)。
7.選擇合理的供電電壓，并盡可能保持三相電壓平衡。
8.換流裝置是供電系統(tǒng)的主要諧波源之一，可以采用增加換流裝置的相數(shù)，有效的消除幅值較大的低頻項，從而大大地降低了諧波電流的有效值。
總之，一方面要嚴(yán)格限制諧波的發(fā)射水平。另一方面還要設(shè)法提高設(shè)備自身的抗諧波干擾的能力，改善諧波保護(hù)性能，做到真正意義上的電磁兼容。
六、結(jié)束語
解決供電系統(tǒng)中的諧波問題，必須要供電部門、電力用戶和設(shè)備制造商三方面都已電磁兼容的理想為基本出發(fā)點(diǎn)。一方面，產(chǎn)生諧波的部門和單位要盡量限制諧波的發(fā)射水平;另一方面，供電部門和電力用戶都要想方設(shè)法提高設(shè)備抗御諧波騷擾的能力。只有這樣供、用、造三方才能搞好治理諧波這項系統(tǒng)工程的工作。
參考文獻(xiàn)
[1]郎維川，供電系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生、危害及其防護(hù)對策《高電壓技術(shù)》，2006.2
[2]GB 17625.1-1998 低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值(設(shè)備每相輸入電流<=16A) (EQV61000-3-2:1995)
[3]吳競昌，《供電系統(tǒng)諧波》[M]，中國電力出版社，1998.5
（轉(zhuǎn)載）
