浅论谐波治理

摘要：随着现代电力电子技术（如整流设备、变频器等大量的非线性、不对称以及冲击性负荷）的广泛应用，致使线路中谐波分量激增。而电网中大量谐波会直接导致电压不稳、损耗增加、电能质量恶化，进而使运行设备存在一定的安全隐患，以致经济效率下降等现象发生。本文针对谐波产生的一系列问题，试从理论上简单地阐述一下谐波产生的原因，并提出解决办法；同时，通过案例分析，对谐波治理方案的有效性和可行性进行论证。

关键词：谐波 谐波源 谐波危害 谐波治理 案例分析

中图分类号： U223.6+3 文献标识码： A 文章编号：

一、引言

谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，它是在工频用电过程中，非线性特征的电气原件和用电电路使交流波形发生畸变产生的。通过仪器，畸变的波形在示波屏上可以看出其畸变形态，而用数学方法可以分解出其组成的基波和一系列的谐波份量。大量的谐波会给电网带来严重污染，并对用电设备产生不同程度的损害，所以，抑制谐波对于保证电能质量与电网安全至关重要。那么，谐波应该如何治理呢？

二、谐波源介绍

一般来讲，电气原件及用电电路按照其电压对电流的比例关系，分为线性特征和非线性特征两种。对于用电设备凡属线性比例关系的称线性特征负荷，如白炽灯、电炉丝、马达等；相反地，凡属非线性比例关系的称非线性特征负荷，如气体放电灯、电子元件、电弧电路，变频马达等。而非线性特征的电器用电，必然会产生谐波。严格意义上讲，电力网络的每个环节，包括发电、输电、配电、用电都可能产生谐波。那么，对于产生谐波的电器设备就称为谐波源。在上世纪中、前期，能产生谐波的设备不多，诸如发电机、变压器、电动机、铁芯电焊机等，而且谐波含量不算大。但随着现代电子技术的发展及应用，产生谐波的设备越来越多，谐波的含量越来越大。除了电阻加热设备、白炽灯外其他电器设备可以说都会产生谐波，差别在于谐波含量大小而已。

电力系统中谐波源可以分为两大类，一是含有非线性元件的电力电子装置，二是含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源。此外，谐波源产生谐波的次数及大小因电路结构的不同会产生很大的差异。现将谐波源具体分类如下：

1、磁性铁芯设备（变压器、电动机、电抗器、电焊机、感应加热设备）。

2、电子控制传动设备（变频调速、晶闸管调压控制、电梯或提升机）。

3、电子整流设备、逆变装置。

4、电弧炉、电石炉、电子整流直流调速轧钢机、中频炉、高频加热炉。

5、电气化铁路、电力机车。

6、开关电源、不停电电源。

7、电子办公设备（计算机、复印机、打印机、传真机）。

8、医疗电子设备（X射线机、螺旋CT、核磁共振仪(MRI)、直线加速器、心血管造影(DSA)、数字造影仪(DSI)）。

9、家用电器（电视机、变频空调、微波炉、荧光灯、高压钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯）。

10、超高压输电电线的电晕放电。

其中大功率的换流设备、变频设备、轧机、电弧炉、电力机车、铁芯磁饱和的变压器等是主要的谐波源，而设置不当的并联电容器无功补偿设备可能会放大电网中的某次谐波。

三、谐波的危害和隐患

谐波在电路中，不像工频电流那样消耗有用功和无用功，它只能使导体发热、震动，使电器绝缘更易损坏，对各种电讯信号进行骚扰。谐波电流会通过传导和电磁感应的方式扩散干扰，沿着电网到处乱窜，危害电网中设备的使用安全，因此已成了公害。

一般来讲，我们所用的交流电其频率为50HZ，谐波是频率为50HZ的2倍以上整数倍的交流电，倍频次数被称为谐波次数，谐波主要以3、5、7次为主，跟着是11、13次[1]，而更高次的谐波就很小了，因为谐波的幅值基本上是与其次数成反比的。不同的设备其产生的谐波含量以及次数差异很大。大功率的换流设备、变频设备，主要是5、7次谐波；电力机车主要是5次谐波；电弧炉主要是5次谐波；商场、商务楼、居民楼配电系统是3、5次（以3次为主）谐波。谐波的危害与隐患具体如下：

1、谐波使电力系统中的设备和元件产生附加的谐波能量损耗，降低发电、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运行，降低使用寿命。

对异步电动机的影响：由于集肤效应，谐波电流使转子电阻增加，引起附加损耗。还会产生机械振动、噪声和过电压，对电动机的寿命有严重影响。

对变压器的影响：在高次谐波的作用下，变压器内将产生集肤效应和邻近效应，绕组中、铁芯内的损耗均要增加，谐波电压使变压器励磁电流增大，效率下降，并降低其功率因数。

对电流线路绝缘的影响：对架空输电线路，谐波电流通过时，可能产生串联谐振，导致出现危险的过电压。对于电缆线路，在谐波电压作用下，绝缘介质会加速绝缘老化，降低绝缘强度，加大泄露电流，缩短寿命。当出现高频高振幅的谐波电压分量时，还可能引起放电并击穿电缆。

对电力电容器的影响：电容器容抗与频率成反比，故电力电容器在电网中如同谐波吸收器，各处产生的高次谐波电流都汇集到电容器组，造成严重过电流，出现不允许的温升。如果与电网构成谐振回路，其谐振频率等于或接近于电网中某次谐波分量的频率时，就会产生振荡，使谐波电流放大，造成突发性电气故障。

3、谐波会引起电力系统中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使谐波危害进一步扩大，威胁电容器和电抗器的工作安全，甚至引起严重事故。

4、谐波降低供电系统的功率因数。谐波电流会增加具有无功性质的畸变功率，因此，同样功率的变流装置与线性负荷相比，其功率因数低，系统的能量损耗也必然增加。

5、谐波会影响计量仪表的测量准确性。用于工矿、企业的有功和无功电度表多是按照50HZ标准正弦波设计的，因而供电电压中或负荷电流中具有谐波分量都会影响这些仪表的正常工作，谐波频率越高，造成的误差越大。

6、谐波影响继电保护和自动装置的正常工作。当谐波电压较高时，对各类继电器的工作特征造成较大的影响。导致继电保护、自动化装置动作不稳定，甚至发生误动作或拒动。

7、谐波会对邻近的通信系统产生干扰。由于供电系统的电力输电线和邻行的通信线路之间会发生静电感应和电磁感应，将在通信系统内产生声频干扰。轻者产生噪声，影响通信质量；重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

四、谐波防范与治理

我国于1984年颁布了《电力系统谐波管理暂行规定SD126-84》（于2005年经过了复审），在此基础上，陆续颁布并实施了《电能质量.电压允许波动和闪变GB/T 12326-90》、《电能质量.公用电网谐波GB/T14549-93》，对IEC 61000标准也等同使用。这些规范规定了公共电网谐波电压限制和注入公共电网谐波的允许值，这些标准的实施，为电子设备产品的生产和检测，供配电设计以及供用电的监督管理提供了依据。那么，对于治理谐波的问题，大体上可以采用的方法分类如下：

（一）改善供配电结构

1、尽量使用谐波含量较低的用电设备。

2、应尽量将产生大量谐波的非线性负荷与基本上不产生谐波的用电设备分在不同供电母线上。谐波产生的根本原因是由于使用了非线性负载，因此，解决的根本办法是把产生谐波的负载的供电线路和对谐波敏感的负载的供电线路分开，既将线性负载与非线性负载从同一电源接口点就开始分开，分别对各路负载供电，这样可以使由非线性负载产生的畸变电压不会传导到线性负载上去。此外，将多个谐波源接于同一段母线上，利用谐波的相互补偿作用可降低电网谐波含量。这是目前治理谐波问题较为理想的解决方案。