諧波，作為一種電力系統(tǒng)中常見的現(xiàn)象，指的是電壓或電流波形偏離正弦波的畸形部分。其產生源于電力系統(tǒng)中非線性負荷的存在，這些負荷在運行過程中會引發(fā)電流或電壓波形的畸變。諧波的特性包括頻率為基波頻率的整數(shù)倍、正負序性以及幅值與相位的不確定性。了解諧波的定義與特性，對于我們深入探討其產生原因、危害以及解決方法具有重要意義。

在配電管理中，“諧波”是一個經常被提及的術語，但很多人對其了解并不深入。本文將從“諧波的定義、諧波的危害、以及諧波的治理方法”這三個方面，為讀者提供全面而詳細的介紹。

1、基本概念

交流電網中，由于許多非線性電氣設備的投入運行，其電壓、電流波形實際上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸變的非正弦波。對周期性交流量進行傅里葉級數(shù)分解，得到的頻率與工頻相同的分量稱為基波(fundamental)，得到的頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量稱為諧波(harmonic，HR)，得到的頻率不等于基波頻率整數(shù)倍的分量稱為間歇波(interharmonic，IHR)。任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。

諧波，作為電流中的一種特殊成分，其頻率通常是基波的整數(shù)倍。在周期性的非正弦電量經過傅里葉級數(shù)分解后，我們會發(fā)現(xiàn)除了基波頻率的電量外，還存在其他大于基波頻率的電流分量，這些分量所產生的電量即被稱為諧波。通過傅里葉變換，我們可以觀察到周期性非正弦波是由基波及其整數(shù)倍頻率的正弦波疊加而成的。諧波是電流中的高頻率成分，其頻率為基波的整數(shù)倍，通過傅里葉變換可以分解出這些高頻成分。

在工業(yè)生產中，我們期望從電網獲取的是純凈的工頻電量。然而，實際情況是在電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)——發(fā)電、變電、輸電、配電以及用電，只要電流經過非線性負載，就會產生諧波。在電力系統(tǒng)中，非線性負載會導致諧波的產生，影響電網的電能質量。這些諧波對電力系統(tǒng)的影響深遠，其危害不容忽視。

基波頻率為電網頻率(工頻50Hz)，諧波次數(shù)(h)是諧波頻率與基波頻率的整數(shù)比，間歇波次數(shù)(ih)是間歇波頻率與基波頻率的比值。如基波為50Hz時，2次諧波為100Hz，3次諧波則是150Hz。

諧波按照相序，分為正序諧波(第4、7、10、...、3h+1次)，負序諧波(第2、5、8、...、3h-1次)、零序諧波(第3、6、9、...、3h次)。按照諧波次數(shù)，分為偶次諧波、奇次諧波、間歇波(非整數(shù)次諧波)。

一般來說，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在，對于三相整流負載，出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、11、13等，變頻器主要產生5、7次諧波。

2、諧波源及常用設備產生的諧波電流值

近30年來，電力電子裝置的應用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。

用戶向公用電網注入諧波電流的電氣設備或在公用電網中產生諧波電壓的電氣設備，統(tǒng)稱為諧波源。常見諧波源主要有換流設備、電弧爐、鐵芯設備、照明設備、某些生活日用電器等非線性電氣設備。

3、諧波的危害

理想的公網電網應當提供單一且穩(wěn)定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。然而，諧波對公用電網和其他系統(tǒng)造成的危害不容忽視，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

諧波電流流經變壓器時，會顯著增加鐵芯損耗，導致變壓器過熱，進而縮短其使用壽命。

當諧波電流通過交流電動機時，不僅使電動機鐵芯損耗增大，還會引發(fā)轉子振動，對機械加工產品的質量產生嚴重影響。

電容器對高次諧波的阻抗非常小，因此當含有高次諧波的電壓施加在電容器兩端時，電容器很容易過負荷而損壞。

諧波電流會導致電力線路的電能損耗增加。

諧波可能引起電力系統(tǒng)的電壓諧振，產生過電壓，有可能擊穿線路設備的絕緣。當大量的3次諧波流過中性線時，線路可能過熱，甚至引發(fā)火災。

諧波會使系統(tǒng)的繼電保護和自動裝置發(fā)生誤動作，同時導致電氣測量儀表的計量不準確。

諧波產生的附加磁場干擾會影響電子儀表和通訊系統(tǒng)的正常工作，從而降低通訊質量。

01諧波與干擾問題總覽

◆ 前言與諧波產生

隨著變頻器在電動機系統(tǒng)中的廣泛應用，其帶來的干擾問題也逐漸凸顯。變頻器因其非線性整流器件和開關器件，導致諧波產生，影響電網和周圍設備。變頻器的工作特性，如非線性整流器件的使用，導致諧波的產生，對電網造成傳導干擾，引發(fā)電壓畸變，進而影響供電質量。同時，其輸出部分采用的開關器件在輸出能量的同時，也會產生電磁輻射干擾，對周邊電器造成影響。

◆ 諧波和電磁輻射的危害

諧波的存在對電網及其他系統(tǒng)帶來了多方面的危害。首先，它會導致電器元件的附加諧波損耗增加，導致設備效率下降，可能干擾甚至損壞設備，并影響計量和控制系統(tǒng)的準確性。其次，諧波通過電網傳導至其他用電器，干擾其正常運行，甚至可能損壞變壓器等關鍵設備。此外，諧波還可能引起電網中的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，使諧波進一步放大。更嚴重的是，諧波或電磁輻射干擾可能導致繼電器保護裝置誤動作，影響電氣儀表計量的準確性，甚至導致控制系統(tǒng)紊亂。

◆ 諧波標準及國內外標準

現(xiàn)行的相關標準包括IEC、EN、IEEE標準和中國國家標準GB/T14549-93，為諧波治理提供指導。主要有：國際標準IEC61000-2-2和IEC61000-2-4，歐洲標準EN61000-3-2和EN61000-3-12，以及國際電工學會的建議標準IEEE519-1992。國內標準GB/T14549-93也針對諧波問題做出了明確規(guī)定，這些標準不僅為諧波治理提供了依據(jù)，也為我們理解變頻器諧波干擾問題提供了重要的參考。

#FormatImgID_1#

◆ 諧波干擾應對策略

為了減少變頻器諧波對其他設備的影響，我們可以采取多種措施。其中，增加交流/直流電抗器是一種有效的方法。通過在變頻器進線處增加電抗器，可以顯著降低進線電流的THDv，從而減少諧波對電網和其他設備的影響。可采用電抗器、無源濾波器、隔離變壓器等方法減少諧波，同時加強信號線的抗干擾措施。無源濾波器也是一種有效的解決方案，使用后，滿載時進線中的THDv可降低至5%~10%。此外，變頻器與電動機之間增加交流電抗器也可減少電磁輻射。

針對變頻器諧波及電磁輻射對設備的干擾問題，除了上述措施外，還可以考慮使用隔離變壓器來應對電源傳導干擾。隔離變壓器具有阻隔傳導干擾的作用，同時也能進行電源電壓變換。它常用于控制系統(tǒng)中的儀表、PLC等低壓小功率設備的抗干擾保護。另外，濾波模塊或組件也是提高設備抗干擾能力的重要手段。

為了進一步減少信號線上的干擾，特別是來自空間的電磁輻射，還可以在輸入回路添加RC濾波器或雙T濾波器，以抑制常態(tài)干擾。同時，盡量縮短輸入線路的長度，并避免信號線與動力線近距離接觸，以防止信號失真。

綜上所述，在抗干擾過程中，應根據(jù)實際情況選擇適當?shù)拇胧＜纫紤]抗干擾效果，也要兼顧成本和現(xiàn)場條件。過多的抗干擾措施可能引發(fā)新的干擾問題，因此需根據(jù)具體情況靈活應對。

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，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，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。

對于我國使用的50Hz電源來說基波為50Hz，3次諧波為150Hz，5次諧波為250Hz，以此類推。

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，使其不產生諧波，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。

裝設諧波補償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC調諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大，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。

諧波的產生

1、發(fā)電系統(tǒng)產生的諧波

由于發(fā)電機三相繞組在制造過程中很難做到完全對稱，鐵芯也很難做到絕對均勻一致等原因，發(fā)電時多少會產生一些諧波，總體來說數(shù)量較小。

2、變電系統(tǒng)產生的諧波

由于電力變壓器鐵芯飽和，磁化曲線的非線性，加上設計時要考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線上接近于飽和段，就使磁化電流呈現(xiàn)尖頂波形，從而含有了奇次諧波。其大小與磁路的結構形式、鐵芯飽和度相關。飽和度越高，變壓器的工作點就會越遠地偏離線性，造成的諧波電流越大。

3、供電系統(tǒng)產生的諧波

由于供電系統(tǒng)中存在著非線性負荷，當電流流過和所加的電壓不是線性關系時，就會發(fā)生非正弦電流，這就是諧波電流。非線性負荷設備有開關電源、不間斷電源、變頻調速裝置、電子熒光燈鎮(zhèn)流器、包含磁性鐵芯設備以及部分家用電器如電視機、計算機等。

1)半導體整流設備

由于半導體廣泛應用于開關電源、不間斷電源等許多方面，由其產生的諧波給電網造成大量的電污染。半導體整流裝置是采用移相控制，從電網吸收了缺角的正弦波，從而給電網剩下的是另一部分缺角正弦波，在剩下部分中就會含有大量諧波。據(jù)統(tǒng)計，由整流裝置所產生的諧波占電網所有諧波的40%左右，是最大的諧波源。

2)變頻調速裝置

由于變頻調速裝置的逆變電路開關特性，對所供電電源形成一個典型的非線性負載。更由于采用相位控制，諧波成分復雜，除含有較多整數(shù)次諧波，還有分數(shù)次諧波，這類裝置功率一般較大，隨著變頻調速廣泛的應用，對電網造成諧波也會越來越多。變頻器產生諧波主要是5次、7次諧波。

3)非線性照明裝置

非線性照明裝置主要有熒光燈、高壓氣體放電燈、金屬鹵化物燈等。通過測量和分析這些裝置的伏安特性，可知其非線性十分嚴重，個別還具有負的伏安特性，它們都會給電網造成奇次諧波電流。

4)家用電器

電磁爐、電視機、錄像機、計算機等設備，因內部有調壓整流裝置，就會產生較多的奇次諧波。在這些有繞組的設備中，不平衡電流的變化也可能造成波形改變。這些家用電器盡管功率較小，但數(shù)量較大，也是諧波的主要來源。

諧波的危害

在非正弦交流中，除含有角頻率為ω的基波以外，其它不同角頻率的諧波分量均為高次諧波。這些高次諧波如不采取措施加以抑制，將竄入系統(tǒng)和其它用戶，引起許多不良后果。

1、使電網的電壓和電流波形發(fā)生畸變，致使電能品質變壞，甚至使某些精密儀器無法使用。

2、使電器設備如變壓器、電動機的鐵耗、銅耗增加，造成電器設備在運行期間過熱，降低正常出力，引起噪音變大。

3、影響控制、保護及檢測裝置的工作精度和可靠性，電磁式繼電器、晶體管繼電器和感應式繼電器非常容易受到諧波影響，會產生相應誤動或拒動。

4、使某些具有容性的電氣設備如電容器和電氣材料如電纜的絕緣層發(fā)生過熱而燒毀，諧波會使電容器后端電壓增大，電容器電流增幅更大，電容器損耗的功率增加，從而異常發(fā)熱，加速絕緣介質老化，在諧波嚴重情況時會發(fā)生電容器被擊穿甚至爆炸。

5、對弱電系統(tǒng)如通訊線路及控制電路造成嚴重干擾，使信號失真，甚至使弱電系統(tǒng)無法正常工作。相線和中性線之間非線性負荷會形成三次諧波電流，并在中性線上疊加。因為三次諧波電流和其倍數(shù)次諧波是呈零序特征的，所以在中性線上的三次諧波電流是三相中所有三次諧波電流的總和，會引起電流和電壓畸變，并產生150HZ的電磁場，對周圍通信設備及通信系統(tǒng)、電子控制、保護設備產生干擾。

6、更為嚴重的是可能在某一高次諧波的條件下引起網路并聯(lián)或串聯(lián)諧振，產生諧振過電壓或過電流，則破壞性更大，后果極為嚴重。