谐波的危害与治理方案

知识点：间谐波次数

谐波的概念:

谐波 (harmonic wave)，从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了 “分数谐波”、“间谐波”、“次谐波” 等等说法。

谐波产生的原因主要有：由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。

泛音是物理学上的谐波，但次数的定义稍许有些不同，基波频率2倍的音频称之为一次泛音，基波频率3倍的音频称之为二次泛音，以此类推。

谐波的频率必然也等于基波的频率的整数倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推。不管几次谐波，他们都是正弦波。

谐波的分类:

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。

根据谐波频率的不同，可以分为：

• 奇次谐波

  额定频率为基波频率奇数倍的谐波，被称为“奇次谐波”，如3、5、7次谐波

• 偶次谐波

  额定频率为基波频率偶数倍的谐波，被称为“偶次谐波”，如2、4、6、8次谐波。

  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。

• 分数次谐波

  频率为基波非整数倍的分量称为间谐波（interharmonics），有时候也将低于基波的间谐波称为次谐波（sub-harmonics),次谐波可看成直流与工频之间的间谐波。

谐波的产生:

电网谐波主要由发电设备(电源端)、输配电设备以及电力系统非线性负载等三个方面引起的。

• 电源端产生的谐波

  发电机的三相绕组在制作上很难做到绝对对称，由于制作工艺影响，其铁心也很难做到绝对的均匀一致，加上发电机的稳定性等其他一些原因，会产生一些谐波，但一般来说相对较少。

• 输配电过程产生的谐波

  电力变压器是输配电过程中主要的谐波来源，由于变压器的设计需要考虑经济性，其铁心的磁化曲线处于非线性的饱和状态，使得工作时的磁化电流为尖顶型的波形，因而产生奇次谐波。较高的变压器铁心饱和程度使得其工作点偏离了线性曲线，产生了较大的谐波电流，其奇次谐波电流的比例可以达到变压器额定电流的0．5%以上。

• 电力设备产生的谐波

  1、整流晶闸管设备。由于整流晶闸管广泛应用在开关电源、机电控制、充电装置等许多方面，给电网带来了相当多的谐波。据统计，由整流设备引起的谐波将近达到全部谐波的40%，是谐波的一个主要来源。

  2、变频设备。电动机、电梯、水泵、风机等机电设备中常用的变频设备，因为大部分是相位控制，其谐波成分比较复杂，除了整数次的谐波成分外，还含有一定分数次的谐波成分，变频设备的功率一般较大，其广泛应用对电网造成的谐波也越来越多。

  3、以电弧为工作介质的设备，如交流弧焊机、炼钢电弧炉、气体放电类电光源。气体放电类电光源如高压钠灯、高压汞灯、荧光灯以及金属卤化物灯等，其伏安特性的非线性相当严重，有的电光源还具有负伏安特性，这些都会给输电网带来奇次谐波成分。

  4、家用电器设备。在空调器、冰箱、洗衣机、电风扇等含有绕组的用电设备中，由于不平衡电流的变化也能使电源波形发生改变。另外，计算机、电视机、温控炊具、调光灯具等，因其具有一定的调压整流功能，也会产生高次的奇次谐波成分。这些家用电器设备也成为谐波的一个主要来源。

  5、其他用电设备。

  

  

谐波的危害:

• 对旋转的发电机、电动机而言，由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁心中产生附加损耗，从而降低发电、输电及用电设备的效率。更为严重的是，谐波振荡容易使汽轮发电机产生振荡力矩，可能引起机械共振，造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳破坏。

• 谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖，不仅导致电机、变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加，而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加，所以电机、变压器在严重的谐波负载下将产生局部过热、振动和噪声增大、温升增加，从而加速绝缘老化、缩短变压器等电气设备的使用寿命、浪费日趋宝贵的能源、降低供电可靠性。

• 由于电机、变压器、电力电容器、电缆等负载处于经常的变动之中，极易与电网中含有的大量谐波源构成串联或并联的谐振条件，形成谐波振荡，产生过电压或过电流，危及电机、变压器等负载及电力系统的安全运行，引发输配电事故的发生。

• 电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差，达不到正确指示及计量。断路器开断谐波含量较高的电流时，断路器的开断能力将大大降低，造成电弧重燃，发生短路，甚至断路器爆炸。

• 另外，由于谐波的存在，易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动以及在通信系统内产生声频干扰，严重时将威胁通信设备及人身安全等。

谐波的治理方法：

对于公用电网中的谐波电压和谐波电流，在世界上和我国均有相关的标准规范，例如国际上IEEEstd519要求商业和工业用户向公共电源系统反馈的最大THD应小于5%。

近年来，我国的通信电源行业也逐渐对谐波电流有了一定的认识，在通信行业的最新标准中，也已增加了对UPS设备输入电流谐波含量的要求，规定根据UPS容量的大小和使用场所的重要性等情况将谐波含量指标分为3个等级，即5%、15%和25%（通信上由于经常使用容量较大的UPS系统，系统要求的供电可靠性又高，所以应按照5%的指标要求）。在通讯领域，为了使谐波尽量不对油机等设备的运行产生干扰，为了使整个供电系统更安全可靠，将整个系统中各点的电流谐波含量均控制在5%以内是最佳的选择。因此，在新建系统时，应对各种设备专门提出谐波指标相关的要求，以保证系统中的谐波在建设时就得到控制。对于现有系统，由于其正在运行，改造的难度和投资都相对大一些，因此，可以考虑在能够保证整个系统基本安全的前提下，适当降低谐波治理的要求。

一、无源滤波

无源滤波的主要结构是用电抗器与电容器串联起来，组成LC 串联回路，并联于系统中，LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，例如5次、7次、11次谐振点上，达到滤除这3次谐波的目的。

无源滤波的优点：

1）其结构简单，电压和容量可以做的很大。

2）在吸收谐波的基础上还可以补偿无功，改善功率因素。

3）设计制造经验成熟，维护方便，造价低，运行费用也低。

4）对某一次高次谐波的吸收效果明显。

无源滤波的缺点

1）滤波器一旦制成，性能参数难以变动，滤波特性受系统参数的影响较大。当系统参数改变，则滤波装置有可能失效甚至会引起谐振。因此当电网谐波阻抗降低时，滤波效果将随之降低；当电网参数不变而谐波电流增加时，可能使滤波器过载。此外，滤波器的电抗电容值通常也会有容差，也会降低滤波效果。

2）只能消除特定的几次谐波，由于无源元件本身的特性，会与电网阻抗一起作用引起谐振，而对某些次谐波会产生放大作用。当电网短路容量大（即电源阻抗小）时，则要求滤波器阻抗还要更小，即要求滤波器是精确调谐（锐调谐），但由于部件性能的容差和变动使滤波器的设计有很大困难。

3）谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载。另一方面，由于滤波支路表现出电容特性，会产生超前的无功电流，如果系统原有的无功含量不大，就会出现无功功率过补偿，功率因数可能因此下降，而且会提升电网电压，这对某些设备也是不安全。

二、有源滤波

有源谐波滤除装置是在无源滤波的基础上发展起来的，它的滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。它主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。

有源滤波的优点如下：

1）实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。

2）可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要储能元件容量也不大，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。

3）即使补偿电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用。

4）受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振，并能正常发挥补偿作用。

5）能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。

6）既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。

三、避免谐振

普通电容器对谐波有放大作用，串联一定的电抗器既可以保护电容器，又可以有效地防止系统谐波被放大。根据GB50053－94《10kV及以下变电所设计规范》规定，“当电容器装置附近有高次谐波含量超过规定允许值时，应在回路中设置抑制谐波的串联电抗器。”GB50227－95《并联电容器装置设计规范》规定，“用于抑制谐波，当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为5次及以上时，宜取6%；当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为3次及以上时，宜取12%”。

综上所述，在建设数据通信用供电系统时，应在电路解谐的基础上，首先考虑使用有源滤波器进行治理。最好在建设初期就考虑解决。如在建设UPS系统时，直接配置有源滤波器等，这样不但可以保证建设的系统更加安全可靠，同时由于可以很方便的实现末端治理，使供电可靠性及节能效率都有所增加。

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