谐波

 

什么是谐波

当电网中的电压或电流波形非理想的正弦波时，即说明其中含有频率高于50Hz的电压或电流成分，我们将频率高于50Hz的电流或电压成分称之为谐波。

　　当谐波频率为工频频率的整数倍时，我们将其称之为整数次谐波，这类谐波通常用次数来表示。例如：将频率为工频频率5倍（250Hz）的谐波称之为5次谐波，将频率为工频频率7倍（350Hz）的谐波称之为7次谐波，依此类推。

　　当谐波频率不是工频频率的整数倍时，我们将其称之为分数谐波。这类谐波通常直接使用谐波频率来表示。例如：频率为1627Hz的谐波。

　　谐波产生的原因多种多样。比较常见的有两类：

　　第一类是由于非线性负荷而产生谐波，例如可控硅（晶闸管）整流器、开关电源等，这一类负荷产生的谐波频率均为工频频率的整数倍。例如三相六脉波整流器所产生的主要是5次和7次谐波，而三相12脉波整流器所产生的主要是11次和13次谐波。

　　第二类是由于逆变负荷而产生谐波，例如中频炉、变频器，这一类负荷不仅产生整数次谐波，还产生频率为逆变频率2倍的分数谐波。例如：使用三相六脉波整流器而工作频率为820Hz的中频炉则不仅产生5次和7次谐波，还产生频率为1640Hz的分数谐波。

　　谐波在电网诞生的同时就是存在的，因为发电机和变压器都会产生少量的谐波。现在由于产生大量谐波的用电设备不断增加，并且电网中大量使用的并联电容器对谐波非常敏感甚至会产生谐波放大，使得谐波的影响越来越严重，从而逐渐引起人们的重视。

　　当电网中的谐波电流较大，以至于电压波形也产生畸变时，我们将其称之为电网被污染。电网的污染程度用电压波形畸变率来表示，简称THDu。按照国家标准GB/T14549—93《电能质量 公用电网谐波》的规定：10KV电网的THDu应小于4%，400V电网的THDu应小于5%。

　　谐波与无功电流不同。无功电流只影响电网的电压，并增加供电系统的铜损，通常不会影响用户，也不会影响计量精度。而谐波的影响可以用“无孔不入”来形容。在电网被污染的情况下，所有电网中的设备与负荷均会受到影响。谐波与无功还有一点不同：无功电流在没有补偿的情况下会一直传送到发电机，而谐波电流通常全部被电网中的设备与负荷吸收掉。

　　谐波造成的危害大致列举如下：

　　1，由于谐波的频率较高，使导线的趋肤效应加重，因此铜损急剧增加。同时变压器铁心由于不能适应急剧变化的磁通而导致铁损急剧增加。

　　2，谐波会影响表计的计量精度。从原理上进行分析：谐波源将其吸收的一部分电网电能转变为谐波发送到电网中去，因此电能表会将谐波能量当作发电来进行计算，从而导致计量误差。对于机械式电能表还会由于高频率谐波所产生的高频涡流阻力而变慢。在高次谐波严重的情况下（例如中频炉）会严重影响电能表的计量精度，导致莫名其妙的丢电现象。

　　3，精密电子设备（包括电子式电能表）会被严重干扰，导致不能正常工作，甚至烧毁。

　　4，所有接于电网中的设备的损耗都会增加，温升增加。含有电容器的设备受影响最为严重，甚至可能导致设备损坏以及电容器爆炸等事故。

　　5，电机类负荷由于谐波的逆序作用而导致输出扭矩下降。

　　6，继电保护机构可能会由于谐波而产生误动或拒动故障。

　　当电网的谐波污染程度小于国家标准的规定时，通常不会对系统造成影响。随着污染程度的增加，谐波的影响就逐渐显现出来。在谐波严重超标的情况下，如果不进行谐波治理，往往会产生很严重的后果。

1、什么是谐波

　　 电力系统中有非线性（时变或时不变）负载时，即使电源都以工频50HZ供电，当工频电压或电流作用于非线性负载时，就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流，这些不同于工频频率的正弦电压或电流，用富氏级数展开，就是人们称的电力谐波。

　　随着经济发展，大功率可控硅的广泛应用，大量非线性负荷增加，特别是电子技术、节能技术和控制技术的进步，在化工、冶金、钢铁、煤矿和交通等部门大量使用各种整流设备、交直流换流设备和电子电压调整设备，电熔炼设备、电化学设备、矿井起重设备、露天采掘设备、电气机车等与日俱增，同时种类繁多的照明器具、娱乐设施和家用电器等普及使用，使得电力系统波形严重畸变。

2、谐波的危害

电力谐波的主要危害有：

a、引起串联谐振及并联谐振，放大谐波，造成危险的过电压或过电流；

b、产生谐波损耗，使发、变电和用电设备效率降低；

c、加速电气设备绝缘老化，使其容易击穿，从而缩短它们的使用寿命；

d、使设备（如电机、继电保护、自动装置、测量仪表、电力电子器件、计算机系统、精密仪器等）运转不正常或不能正确操作；

e、干扰通讯系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正确传递，甚至损坏通信设备。

3、谐波的治理

1）谐波治理标准

　　GB/T 14549—93 《电能质量 公用电网谐波》

该标准对不同电压等级各次谐波允许注入值都作了具体规定（略），其规定公用电网谐波电压（相电压）限值

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2）谐波治理

　　谐波治理就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电流，现在广泛采用的滤波器为无源滤波器，另外有利用时域补偿原理的有源滤波器，这种滤波器的优点是能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，但造价较高。无源滤波装置，吸收高次谐波，而所有滤波支路对基波呈现容性，正好满足无功补偿要求，不必另装并联电容器补偿装置，这种方法经济、简便，国内外广泛采用。

　　滤波器的种类。滤波器大致分为以下六种类型，如图:

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(a)—单调谐波滤波器；(b)—双调谐滤波器；

(c)—一阶高通滤波器；(d)—二阶高通滤波器；

(e)—三阶高通滤波器；(f)—“c”式高通滤波器。

　　单调谐滤波器通频带窄，滤波效果好，损耗小，调谐容易，是使用最多的一种类型。

　　双调谐滤波器可替代两个单调谐滤波器，只有一个电抗器（L1）承受全部冲击电压，但接线复杂，调谐困难，仅在超高压系统中使用。

　　一阶高通滤波器因基波损耗大，一般不采用。

　　二阶高通滤波器通频带很宽，滤波效果好，既可调谐振点，又可调谐曲线锐度，并可防意外共振与放大，因此也有以二阶宽通带做低次滤波器。

　　三阶高通滤波器一般用电弧炉滤波。

　　“C”式高通滤波器，用于电弧炉滤波，对二次谐波特别有效。

4、补偿

　　 企业中由于大量的电力负荷是感性负荷，因此企业的自然功率因数较低，如不采用人工补偿，提高功率因数，将造成如下不良影响：

a、降低发电机的输出功率，当发电机需提高无功输出，低于额定功率因数运行时，将使发电机有功输出降低；

b、降低了变电、输电设备的供电能力；

c、使网络电力损耗增加（网络中的电能损失与功率因数平方数成反比）；

d、功率因数愈低，线路的电压降愈大，使得用电设备的运行条件恶化；

e、月均功率因数低于0.9（小型低压用户或农业用电为0.8），将受到“电力罚款”。

　　上述可见，提高功率因数不仅对电力系统，而且对企业经济运行有着重大意义。

　　在考虑提高功率因数时，应首先提高企业用电设备的自然功率因数，当采取措施后还达不到供电部门要求时，采用人工补偿装置。一般除在容量较大、经常运行的恒速机械（如水泵、空压机、鼓风机、电动发电机组等）上采用同步电动机补偿外，其它的应安装并联电容器进行补偿。

1）并联电容器补偿容量的计算

QC = α P30 qc

ＱＣ：需要补偿的无功容量，kvar；

P30:全企业有功计算负荷，ＫＷ；

α：平均负荷系数，取0.7～0.8；

qc:补偿率，kvar/KW 可在有关手则查得，也可按下式计算：

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2）并联电容器的装设地点

a、集中补偿方式。将高压电容器集中安装在总降压变电所或功率因数较低、负荷较大的配电所高压母线上。

b、分散补偿。对用电负荷分散和功率因数较低的车间变电所，采用低压并联电容器安装在低压配电室。

C、就地补偿。对距供电点较远的大、中容量连续工作制的电动机（如风机、水泵、压缩机、球磨机等），应采用电动机无功功率就地补偿装置。它不仅提高功率因数，且减少线路损失，减小总电流，提高变压器负载率有明显效果。但单机补偿容量不宜过大，应保证电动机断电时不致因自激磁出现过激磁，否则易损坏电动机。就地补偿装置与电动机共用一台断路器，同时投切。

3）对高次谐波的抑制措施

　　 为了减少和避免高次谐波对并联补偿装置的危害。为减少谐波电流流入电容器和合闸涌流，可串适当的电抗器。其感抗值应在可能产生的任何谐波下，均使电容器回路的总电抗为感抗，从而消除谐振的可能。

　　如对6脉冲整流线路，有5次以上谐波，XL=4.5%～6%XC；对有3次谐波的线路XL=（12%～13%）XC。

　　为了防止可能出现铁磁谐振，一般应采用无铁芯电抗器。