原创 什么是谐波？电力系统中谐波产生的原因和危害

一、谐波

1. 何为谐波？

在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。

“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。

到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。

谐波研究的意义，道德是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。 

2. 谐波抑制

为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。

3. 无功补偿

人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举的。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得公认的无功功率定义。但是，对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要性的认识，却是一致的。无功补偿应包含对基波无功功率补偿和对谐波无功功率的补偿。

无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。因此，粗略地说，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。

无功补偿的作用主要有以下几点：

（1）提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。

（2）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。

（3）在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功裣可以平衡三相的有功及无功负载。

二、谐波和无功功率的产生

在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。

电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，所以基本不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率。

近30年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严惩的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数很低。另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。 

三、无功功率的影响和谐波的危害

1.无功功率的影响

（1）无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。

（2）无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。

（3）使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。

2.谐波的危害

理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。

（1）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3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。

（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。

3 谐波知识对该问题的介绍基于以下几个方面：基本原理，主要现象和防止谐波故障的建议。

由于功率转换（整流和逆变）而导致配电系统污染的问题早在1960年代初就被许多专家意识到了。直到1980年代初，日益增长的设备故障和配电系统异常现象，使得解决这一问题成为迫在眉睫的事情。今天，许多生产过程中没有电力电子装置是不可想象的。至少以下用电设备在每个工厂都得到了应用： - 照明控制系统（亮度调节） - 开关电源（计算机，电视机） - 电动机调速设备 - 自感饱和铁芯 - 不间断电源 - 整流器 - 电焊设备 - 电弧炉 - 机床（CNC） - 电子控制机构 - EDM机械所有这些非线性用电设备产生谐波，它可导致配电系统本身或联接在该系统上的设备故障。仅考虑导致设备故障的根源就在发生故障现象的用电工厂内可能是错误的。故障也可能是由于相邻工厂产生的谐波影响到公用配电网络而产生的。在您安装一套功率因数补偿系统之前，如下工作是非常重要的：对配电系统进行测试以确定什么样的系统结构对您是合适的。可调谐的滤波电路和组合滤波器已经是众所周知的针对谐波问题的解决方案。另外的方法就是使用动态有源滤波器。本报告将详细讲解各种滤波系统的结构并分析它们的优缺点。 1.基本术语 载波 (AF) 是附加在电网电压上的一个高频信号，用于控制路灯、 HT/NT 转换系统和夜间储能加热器。 载波 (AF) 检出电路 由一个初级扼流线圈和一个并联谐振电路（次级扼流线圈和电容）并联组成的元件。 AF 锁相电路用于检出供电部门加载的 AF 信号。 电抗 在电容器回路串联扼流线圈。 电抗系数 扼流线圈的电感 X L 相对于电容电感 X C 的百分比。 标准的电抗系数是：例如 5.5% 、 7% 和 14% 。 组合滤波器 两个不同电抗系数回路并联以检出杂波信号，用于低成本地清洁电网质量。 Cos Φ 功率因数代表了电流和电压之间的相位差。电感性的和电容性的 cosΦ 说明了电源的质量特性。用 cosΦ 可以表述电网中的无功功率分量。傅立叶分析 通过傅立叶分析使得将非正弦函数分解为它的谐波分量成为可能。在正弦频率 ω 0 上的波形已知为基波分量。在频率 n × ω 0 上的波形被称为谐波分量。 

谐波吸收器，调谐的

由一个扼流线圈和一个电容器串联组成的谐振电路并调谐为对谐波电流具有极小的阻抗。该调谐的谐振电路用于精确地清除配电网络中的主要谐波成分。

谐波吸收器，非调谐的

由一个扼流线圈和一个电容器串联组成的谐振电路并调谐为低于最低次谐波的频率以防止谐振。

谐波电流

谐波电流是由设备或系统引入的非正弦特性电流。谐波电流叠加在主电源上。

谐波

其频率为配电系统工作频率倍数的波形。按其倍数称为 n 次（ 3 、 5 、 7 等）谐波分量。

谐波电压

谐波电压是由谐波电流和配电系统上产生的阻抗导致的电压降。

阻抗

阻抗是在特定频率下配电系统某一点产生的电阻。阻抗取决于变压器和连在系统上的用电设备，以及所采用导体的截面积和长度。

阻抗系数

阻抗系数是 AF （载波）阻抗相对于 50Hz （基波）阻抗的比率。

并联谐振频率

网络阻抗达到最大值的频率。在并联谐振电路中，电流分量 I L 和 I C 大于总电流 I 。

无功功率

电动机和变压器的磁能部分，以及用于能量交换目的的功率转换器等处需要无功功率 Q 。与有功功率不同，无功功率并不做功。计量无功功率的单位是 Var 或 kvar 。

无功功率补偿

供电部门规定一个最小功率因数以避免电能浪费。如果一个工厂的功率因数小于这个最小值，它要为无功功率的部分付费。否则它就应该用电容器提高功率因数，这就必须在用电设备上并联安装电容器。

谐振：

在配电系统里的设备，与它们存在的电容 ( 电缆，补偿电容器等 ) 和电感 ( 变压器，电抗线圈等 ) 形成共振电路。后者能够被系统谐波激励而成为谐振。配电系统谐波的一个原因是变压器铁芯非线性磁化的特性。在这种情况下主要的谐波是 3 次的；它在全部 导体内与单相分量具有相同的长度，因而在星形点上不能消除。

谐振频率：

每个电感和电容的连接形成一个具有特定共振频率的谐振电路。一个网络有几个电感和电容就有几个谐振频率。

串联谐振谐电路：

由电感（电抗器）和电容 ( 电容器 ) 串联的电路。

串联谐振频率：

网络的阻抗水平达到最小的频率。在串联谐振电路内分路电压 U L 和 U C 大于总电压 U 。

分量谐波

频率不是基波分量倍数的正弦曲线波。

2. 谐波是什么？

谐波是主电网频率的倍数。术语“电网谐波也被使用。

电网频率 f = 50 赫兹

3 次谐波 f = 150 赫兹

5 次谐波 f = 250 赫兹

7 次谐波 f = 350 赫兹

等

用傅立叶分析能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。

3.谐波分量是如何产生的？

由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。

谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19 ….n倍于电网频率。 功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。

其他功率消耗装置，例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3 次谐波( 150 赫兹)。

在供电网络阻抗( 电阻) 下这样的非正弦曲线电流导致一个非正弦曲线的电压降。在供电网络阻抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流频率的供电网络阻抗Z的乘积。次数越高，谐波分量的振幅越低。

4.谐波分量在哪里发生的？

只要哪里有谐波源( 参看介绍) 那里就有谐波产生。也有可能，谐波分量通过供电网络到达用户网络。例如，供电网络中一个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设备产生的谐波所干扰。5.电容器的技术

MKP 和 MPP 技术之间的区别在于电力电容器在补偿系统中的连接方式。

MKP( MKK ， MKF) 电容器：

这项技术是在聚丙烯薄膜上直接镀金属。其尺寸小于用 MPP 技术的电容器。因为对生产过程较低的要求，其制造和原料成本比 MPP 技术要相对地低很多。 MKP 是最普遍的电容器技术，并且由于小型化设计和电介质的能力，它具有更多的优点。

MPP( MKV) 电容器：

MPP 技术是用两面镀金属的纸板作为电极，用聚丙烯薄膜作为介质。这使得它的尺寸大于采用 MKP 技术的电容器。生产是非常高精密的，因为必须采用真空干燥技术从电容器绕组中除去全部残余水分而且空腔内必须填注绝缘油。这项技术的主要优势是它对高温的耐受性能。

自愈：

两种类型的电容器都是自愈式的。在自愈的过程中电容器储存的能量在故障穿孔点会产生一个小电弧。电弧会蒸发穿孔点临近位置的细小金属，这样恢复介质的充分隔离。电容器的有效面积在自愈过程中不会有任何实际程度的减少。每只电容都装有一个过压分断装置以保护电气或热过载。测试是符合 VDE 560 和 IEC 70 以及 70A 标准的。

6. 电容器的发展

直到大约1978年，制造电力电容器仍然使用包含PCB的介质注入技术。后来人们发现，PCB 是有毒的，这种有毒的气体在燃烧时会释放出来。这些电容器不再被允许使用并且必须处理，它们必须被送到处理特殊废料的焚化装置里或者深埋到安全的地方。

包含PCB 的电容器有大约30 W/kvar的功率损耗值。 电容器本身由镀金属纸板做成。

由于这种电容被禁止使用，一种新的电容技术被开发出来。为了满足节能趋势的要求，发展低功耗电容器成为努力的目标。

新的电容器是用干燥工艺或是用充入少量油( 植物油)的技术来生产的。现在用镀金属塑料薄膜代替镀金属纸板。因此新电容充分显示出了其环保的特性，并且功耗仅为0.3 W/kvar。这表明改进后使功耗降至原来的1/100。这些电容器是根据常规电网条件而开发的。在能源危机的过程中，人们开始相控技术的研究。相位控制的结果是导致电网的污染和许多到现在才搞清楚的故障。

由于前一代电容器存在一个很高的自电感（所以功耗情况很差，达到现在的100倍），高频的电流和电压(谐波) 不能被吸收，而新的电容器则会更多地吸收谐波。

因此存在这种可能，即，新、旧电容器工作在相同的母线上时会表现出运行状况和寿命预期的很大差异，由于上述原因有可能新电容器将在更短的时间内损坏。

我们向市场提供的电力电容器是专门为用于补偿系统中而开发的。电网条件已经发生急剧的变化，选择正确的电容器技术越来越重要。电容器的使用寿命会受到如下因素的影响而缩短： -谐波负载 -较高的电网电压 -高的环境温度我们配电系统中的谐波负载在持续增长。在可预知的将来，可能只有组合电抗类型的补偿系统会适合使用。很多供电公司已经规定只能安装带电抗的补偿系统。其它公司必须遵循他们的规定。如果一个用户决定继续使用无电抗的补偿系统，他起码应该选用更高额定电压的电容器。这种电容器能够耐受较高的谐波负载，但是不能避免谐振事故。