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摘要：供电系统，用电设备都在不同程度上产生谐波，不光增加系统，设备的能耗，同时在很大程度上会造成设备的故障。谐波电流早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意，随着21世纪电力电子技术及设备的迅速发展，谐波的危害也与日俱增。通过对各类谐波产生的渠道及原理分析，寻找有效的控制办法，能够很好的解决谐波的危害，从而为电力系统，用电设备等的可靠运行提供保障。
关键词：谐波电流、电力、危害、控制
中图分类号：U223.6+3文献标识码： A 文章编号：
近年来由于电力系统增加了大量大容量非线性设备,产生大量电磁谐波,不仅使正弦电压波形畸变、电力系统的发、供用电设备出现许多异常现象和故障。而且造成严重的环境电磁污染。含量较多、危害性较大的3次谐波主要分布于低压配电网中,谐波对电网的危害日渐严重,谐波治理已不容忽视。
一、谐波的产生的原理及渠道
1.发电机由于三相绕組在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。
2.晶闸管整流设备。
由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。
3.变频装置。
变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。 4.电弧炉、电石炉。
由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是27次的谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达45%。
5.气体放电类电光源。
荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。
6.家用电器。
家用电器因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。
二、谐波对公用电网和其他系统的危害主要体现在以下几个方面
1.谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电以及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中线时会使线路过热，甚至发生火灾。
2.谐波影响各种电气设备的正常工作，谐波对电机的影响初引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪音和过电压，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.谐波可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.谐波可导致继电保护和自动装置误动或拒动，造成不必要的损失，谐波会使电气测量仪表测量不准确，造成计量误差。
5.在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时，通过电磁耦合，会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作，使通话清晰度降低，甚至会引起通信线路的破坏。
6.电力谐波会使电视机、计算机的显示亮度发生波动，图像或图形发生畸变，甚至会使机器内部元件损坏，导致机器无法使用或系统无法运行。
7.当一定频率的谐波对用电设备有影响时，会使设备工作不稳定，导致产品质量下降。严重时会产生批性产品报废。
三、谐波的抑制方法
1.改善供电系统 对于供电系统来说，谐波的产生不可避免，但通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施都可以提高电网抗谐波的能力。
2.谐波源治理器
随着各种电力电子装置的大量应用，可控和不可控整流在电力系统中的应用越来越普遍，这类整流器在带大电感（RL）负载时电流近似为方波，带大电容（RC）负载时电流为尖脉冲，使电力系统中的电流严重畸变，成为电力系统中的主要谐波源，也是治理的重点。针对这一类整流器减少谐波、提高功率因数的方法和措施，开发低谐波整流器仍然是研究的热点之一。不同容量下高功率因数变流器主要采用如下技术：
大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术，即多相整流技术，如采用12相及以上的多相整流技术。它将对各方法叠加，以得到接近正弦波的阶梯波，重数越多，效果越好。
中等容量的单位功率因数变流器主要采用PWM整流技术。一般需要使用自开断器件。对电流型整流器，可直接对各个电力半导体器件的通断进行PWM调制。对电压型整流器，需要将整流器通过电抗器与电源相连。有两类控制方法，一是直接对整流器进行PWM调制，使流过电抗器的电流为与电源电压同相的正弦波；二是检测输入电流，通过电流反馈信号对整流器进行跟踪型PWM调制，达到控制输入电流波形和相位的目的。
小容量整流器，目前一般采用二极管整流加PWM斩波技术。它是在整流器与负载之间接一个DC-DC变换器，控制输入电流为与输入电压同相的正弦波。使电力电子装置本身不产生谐波是一种积极的谐波治理措施，可以有效地减少电力系统中的谐波。但由于电力系统的复杂性以及谐波源本身的工作机理，要完全消除电力系统的谐波是不可能的。因此，对电网谐波进行有效滤波或补偿是非常必要的。
3.在谐波源处吸收谐波电流 这是目前应用最广泛的谐波抑制方法。主要有以下几种：3.1采用无源滤波器加以抑制 无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、R、C元件构成谐振回路，当谐振回路的谐振频率与某一谐波频率相同或相近时，即可阻止该频率的谐波进入电网。
3.2采用有源滤波器加以抑制
利用可控的功率半导体，输入相等相位相反的电流，使电网中的总谐波电流趋向于零，达到实时补偿谐波的目的。3.3通过加装静止无功补偿装置加以抑制 在谐波源处并联加装静止无功补偿装置，可以有效减少波动的谐波量，也可以抑制电压波动，还可以补偿功率因数。3.4防止电容器组对谐波的放大
在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用，当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起到放大作用，危及电容器本身和其他电气设备的安全，可以采取串联电抗器或将电容器组的某一支路改为滤波器的方法来限制对谐波的放大，也可以通过限制电容器组的投入容量来避免谐波的放大。
结语：电气设计中应消除具有破坏性的高次谐波、高频噪声、浪涌、尖峰瞬变等，防止高次谐波引发的问题，确保数字通信网络的正常运行，提高电力系统的功率因数，防止保护装置的误跳闸；同时，保证精密设备生产场合的用电设备正常、可靠、高效地运行，这样才能有效地延长了用电设备的使用寿命。
关键词：谐波电流、电力、危害、控制
中图分类号：U223.6+3文献标识码： A 文章编号：
近年来由于电力系统增加了大量大容量非线性设备,产生大量电磁谐波,不仅使正弦电压波形畸变、电力系统的发、供用电设备出现许多异常现象和故障。而且造成严重的环境电磁污染。含量较多、危害性较大的3次谐波主要分布于低压配电网中,谐波对电网的危害日渐严重,谐波治理已不容忽视。
一、谐波的产生的原理及渠道
1.发电机由于三相绕組在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。
2.晶闸管整流设备。
由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。
3.变频装置。
变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。 4.电弧炉、电石炉。
由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是27次的谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达45%。
5.气体放电类电光源。
荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。
6.家用电器。
家用电器因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。
二、谐波对公用电网和其他系统的危害主要体现在以下几个方面
1.谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电以及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中线时会使线路过热，甚至发生火灾。
2.谐波影响各种电气设备的正常工作，谐波对电机的影响初引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪音和过电压，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.谐波可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.谐波可导致继电保护和自动装置误动或拒动，造成不必要的损失，谐波会使电气测量仪表测量不准确，造成计量误差。
5.在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时，通过电磁耦合，会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作，使通话清晰度降低，甚至会引起通信线路的破坏。
6.电力谐波会使电视机、计算机的显示亮度发生波动，图像或图形发生畸变，甚至会使机器内部元件损坏，导致机器无法使用或系统无法运行。
7.当一定频率的谐波对用电设备有影响时，会使设备工作不稳定，导致产品质量下降。严重时会产生批性产品报废。
三、谐波的抑制方法
1.改善供电系统 对于供电系统来说，谐波的产生不可避免，但通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施都可以提高电网抗谐波的能力。
2.谐波源治理器
随着各种电力电子装置的大量应用，可控和不可控整流在电力系统中的应用越来越普遍，这类整流器在带大电感（RL）负载时电流近似为方波，带大电容（RC）负载时电流为尖脉冲，使电力系统中的电流严重畸变，成为电力系统中的主要谐波源，也是治理的重点。针对这一类整流器减少谐波、提高功率因数的方法和措施，开发低谐波整流器仍然是研究的热点之一。不同容量下高功率因数变流器主要采用如下技术：
大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术，即多相整流技术，如采用12相及以上的多相整流技术。它将对各方法叠加，以得到接近正弦波的阶梯波，重数越多，效果越好。
中等容量的单位功率因数变流器主要采用PWM整流技术。一般需要使用自开断器件。对电流型整流器，可直接对各个电力半导体器件的通断进行PWM调制。对电压型整流器，需要将整流器通过电抗器与电源相连。有两类控制方法，一是直接对整流器进行PWM调制，使流过电抗器的电流为与电源电压同相的正弦波；二是检测输入电流，通过电流反馈信号对整流器进行跟踪型PWM调制，达到控制输入电流波形和相位的目的。
小容量整流器，目前一般采用二极管整流加PWM斩波技术。它是在整流器与负载之间接一个DC-DC变换器，控制输入电流为与输入电压同相的正弦波。使电力电子装置本身不产生谐波是一种积极的谐波治理措施，可以有效地减少电力系统中的谐波。但由于电力系统的复杂性以及谐波源本身的工作机理，要完全消除电力系统的谐波是不可能的。因此，对电网谐波进行有效滤波或补偿是非常必要的。
3.在谐波源处吸收谐波电流 这是目前应用最广泛的谐波抑制方法。主要有以下几种：3.1采用无源滤波器加以抑制 无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、R、C元件构成谐振回路，当谐振回路的谐振频率与某一谐波频率相同或相近时，即可阻止该频率的谐波进入电网。
3.2采用有源滤波器加以抑制
利用可控的功率半导体，输入相等相位相反的电流，使电网中的总谐波电流趋向于零，达到实时补偿谐波的目的。3.3通过加装静止无功补偿装置加以抑制 在谐波源处并联加装静止无功补偿装置，可以有效减少波动的谐波量，也可以抑制电压波动，还可以补偿功率因数。3.4防止电容器组对谐波的放大
在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用，当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起到放大作用，危及电容器本身和其他电气设备的安全，可以采取串联电抗器或将电容器组的某一支路改为滤波器的方法来限制对谐波的放大，也可以通过限制电容器组的投入容量来避免谐波的放大。
结语：电气设计中应消除具有破坏性的高次谐波、高频噪声、浪涌、尖峰瞬变等，防止高次谐波引发的问题，确保数字通信网络的正常运行，提高电力系统的功率因数，防止保护装置的误跳闸；同时，保证精密设备生产场合的用电设备正常、可靠、高效地运行，这样才能有效地延长了用电设备的使用寿命。