在供電系統(tǒng)中，諧波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。諧波實際上是一種干擾量，使電網受到“污染”。

一、諧波的成因

電網諧波來自于3個方面：

1.發(fā)電源質量不高產生諧波：發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，發(fā)電源多少也會產生一些諧波，但一般來說很少。

2.是輸配電系統(tǒng)產生諧波：輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。

3.是用電設備產生的諧波：晶閘管整流設備。由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用，給電網造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%;接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經統(tǒng)計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

變頻裝置。變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分數(shù)次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調速的發(fā)展，對電網造成的諧波也越來越多。

電弧爐、電石爐。由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負荷不平衡，產生諧波電流，經變壓器的三角形連接線圈而注入電網。其中主要是27次的諧波，平均可達基波的8%～20%，最大可達45%。

氣體放電類電光源。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏·安特性，可知其非線性十分嚴重，有的還含有負的伏·安特性，它們會給電網造成奇次諧波電流。

家用電器。電視機、錄像機、計算機、調光燈具、調溫炊具等，因具有調壓整流裝置，會產生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風扇、空調器等有繞組的設備中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數(shù)量巨大，也是諧波的主要來源之一。

二、諧波對電網的危害

諧波污染對電網的影響主要表現(xiàn)在：

1.造成電網的功率損耗增加、設備壽命縮短、接地保護功能失常、遙控功能失常、線路和設備過熱燈，特別是三次諧波會產生非常大的中性線電流，使得配電變壓器的零線電流甚至超過相線電流值，造成設備的不安全運行。諧波對電網的安全性、穩(wěn)定性、可靠性的影響還表現(xiàn)在可能引起電網發(fā)生諧振、使正常的供電中斷、事故擴大、電網解裂等。

2.引起變電站局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成電壓互感器等設備損壞;造成變電站系統(tǒng)中的設備和元件產生附加的諧波損耗，引起電力變壓器、電力電纜、電動機等設備發(fā)熱，電容器損壞，并加速絕緣材料的老化;造成斷路器電弧熄滅時間的延長，影響斷路器的開斷容器;造成電子元器件的繼電保護或自動裝置誤動作;影響電子儀表和通信系統(tǒng)的正常工作，降低通信質量;增大附加磁場的干擾等。

(一)對電力電容器的影響

當配電系統(tǒng)非線性用電負荷比重較大，并聯(lián)電容器組投入時，一方面由于電容器組的諧波阻抗小，注入電容器組的諧波電流大，使電容器過負荷而嚴重影響其使用壽命，另一方面當電容器組的諧波容抗與系統(tǒng)等效諧波感抗相等而發(fā)生諧振時，引起電容器諧波電流嚴重放大使電容器過熱而導致?lián)p壞。因此，電壓諧波和電流諧波超標，都會使電容器的工作電流增大和出現(xiàn)異常，例如，對于常用自愈式并聯(lián)電容器，其允許過電流倍數(shù)是1.3倍額定電流，當電容器的電流超過這一限制時，將會造成電容器的損壞增加、發(fā)熱異常、絕緣加速老化而導致使用壽命降低，甚至造成損壞事故。同時，諧波使工頻正弦波形發(fā)生畸變，產生鋸齒狀尖頂波，易在絕緣介質中引發(fā)局部放電，長時間的局部放電也會加速絕緣介質的老化、自愈性能下降，而容易導致電容器損壞。

按照電力系統(tǒng)諧波管理規(guī)定，電網中任何一點電壓正弦波的畸變率(各次諧波電壓有效值的均方根與基波電壓有效值的百分比)，均不得超過表1規(guī)定。

表1 電網電壓正弦波形畸變極限值

用戶供電電壓(kV)總電壓正弦波形畸變率極限值各奇、偶次諧波電壓正弦波形畸變率極限值(%)

0.38542

6或10431.75

35或66321

1101.510.5

(二)對電力變壓器的影響

1.諧波電流使變壓器的銅耗增加，引起局部過熱，振動，噪聲增大，繞組附加發(fā)熱等。

2.諧波電壓引起的附加損耗使變壓器的磁滯及渦流損耗增加，當系統(tǒng)運行電壓偏高或三相不對稱時，勵磁電流中的諧波分量增加，絕緣材料承受的電氣應力增大，影響絕緣的局部放電和介質增大。對三角形連接的繞組，零序性諧波在繞組內形成換流，使繞組溫度升高。

3.變壓器勵磁電流中含諧波電流，引起合閘涌流中諧波電流過大，這種諧波電流在發(fā)生諧振時的條件下對變壓器的安全運行將造成威脅。

(三)對電力避雷器的影響

變電站大容量、高電壓的變壓器由于合閘涌流的過程時間比較長，能夠延續(xù)數(shù)秒或更長的時間，有時還會引起諧振過電壓，并使相關避雷器的放電時間過長而受到損壞。這一問題對選擇保護高壓濾波器中電感或電容元件用的避雷器參數(shù)帶來較大的困難。

(四)對輸電線路的影響

1.諧波污染增加了輸電線路的損耗。輸電線路中的諧波電流加上集膚效應的影響，將產生附加損耗，使得輸電線路損耗增加。特別是在電力系統(tǒng)三相不對稱運行時，對中性點直接接地的供電系統(tǒng)線損的增加尤為顯著。

2.諧波污染增大了中性線電流，引起中性點漂移。在低壓配電網絡中，零序電流和零序性的諧波電流(3次，6次、9次……)不僅會引起中性線電流大大增加，造成過負荷發(fā)熱，使損耗增加，而且產生壓降，引起零電位漂移，降低了供電的電能質量。

(五)對電力電纜的影響

諧波污染將會使電纜的介質損耗、輸電損耗增大，泄漏電流上升，溫升增大及干式電纜的局部放電增加，引發(fā)單相接地故障的可能性增加。

由于電力電纜的分布電容對諧波電流有放大作用，在系統(tǒng)負荷低谷時，系統(tǒng)電壓上升，諧波電壓也相應升高。電纜的額定電壓等級越高，諧波引起電纜介質不穩(wěn)定的危險性越大，更容易發(fā)生故障。

(六)對繼電保護及自動裝置的影響

1.對繼電保護及自動裝置運行環(huán)境的影響

(1)在諧波嚴重超標的電弧爐負荷、電氣化鐵路等諧波含量大的局部電網中會受到影響。

(2)頻繁出現(xiàn)變壓器嚴重涌流且涌流衰減緩慢的變電站受到涌流產生諧波的干擾。

(3)在系統(tǒng)因短路容量太小而可能出現(xiàn)較大諧波電壓影響的場所會受到影響。

(4)在易發(fā)生諧波諧振的配電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、變電站網架近會受到影響。

(5)在諧波受到電容器組或其他原因而被放大嚴重的網絡附近會受到影響。

2.繼電保護及自動裝置利用的啟動量小

利用負序電流或電壓、零序電流或電壓、差動電流或電壓啟動會受到諧波的影響。其中利用負序量啟動的對諧波的敏感性最大。

3.繼電器或啟動元件本身對諧波敏感

(1)晶體管或集成電路保護裝置的動作量非常小和動作時間非常少，因此它的啟動判據(jù)容易受到諧波影響而出現(xiàn)較大的誤差。

(2)利用信號過零取樣的控制系統(tǒng)及利用數(shù)據(jù)過零點的數(shù)字式繼電器或微機保護，都會受到諧波的影響和干擾。

(七)對繼電保護整定的影響

繼電保護正常運行中，當電源諧波分量較高時，可能會引起過電壓保護、過電流保護的誤動作。當三相嚴重不對稱時，在正序性諧波或負序性諧波含量較高的情況下，可能對以負序濾過器為啟動元件的保護裝置產生干擾，而引起誤動。如某地電氣化鐵路通車后，曾發(fā)生過由于牽引變電所注入系統(tǒng)大量的諧波和負序電流，引起供電系統(tǒng)電能質量指標嚴重惡化，多次造成發(fā)電機的負序電流保護誤動，主變壓器的過電流保護裝置誤動，線路的距離保護振蕩閉鎖裝置誤動，高頻保護收發(fā)訊機誤動，母線差動保護誤動和故障錄波器誤動的事故。

近年來，微機保護裝置的大規(guī)模使用，使信號中的諧波干擾既可能引起測量誤差，又可能對裝置關鍵處理模塊的正常工作產生干擾，從而引起保護裝置的誤動或拒動。如上海寶鋼就發(fā)生過因電弧爐產生諧波的影響，造成諧波電流對數(shù)字型差動保護產生干擾，使差動保護動作跳閘的事故。

(八)對電力系統(tǒng)其他運行設備的影響

1.對同步發(fā)電機的影響。用戶的負序電流和諧波電流注入系統(tǒng)內的同步發(fā)電機，將產生附加損耗，引起發(fā)電機局部發(fā)熱，降低絕緣強度。同時，由于輸出的電壓波形中產生附加諧波分量，使負載的同步發(fā)電機轉子發(fā)生扭振，降低其工作壽命。

2.對斷路器的影響。諧波會使某些斷路器的磁吹線圈不能正常工作，斷路器的遮斷能力降低，不能遮斷波形畸變率超過一定限值的故障電流，對中壓斷路器截斷電感電流時可能發(fā)生諧頻涌波電壓和重燃現(xiàn)象，導致斷路器觸頭燒損。

3.對消弧線圈的影響。當電網諧波成分較大時，發(fā)生單相接地故障，消弧線圈對諧波電流將可能不起作用，在接地點得不到的補償，從而引發(fā)系統(tǒng)的故障擴大。

4.對載波通信的影響。高諧波含量對電力載波通信的干擾主要表現(xiàn)在語音通信過程中產生噪聲，數(shù)據(jù)傳輸失真，降低EMS、DAS實時數(shù)據(jù)的真實可靠性，造成集中抄表系統(tǒng)中數(shù)據(jù)出錯等故障。

(九)對電力用戶的影響

用電設備對系統(tǒng)電源的污染會影響用電設備自身的可靠性。使用電能質量污染的電源，用電設備又可能成為新的污染源，而危害電力系統(tǒng)和其他用戶設備?？赡墚a生的影響包括：對用戶電動機產生影響;對用戶補償電容器產生影響;對用戶自動控制裝置產生影響;對居民生活用電產生影響;對用電安全造成威脅。另外，還包括對電信通信造成影響，對廣播、電視及精密制造工業(yè)造成干擾和影響，這類干擾和影響有些表現(xiàn)在差模干擾和共模干擾，差模干擾是工頻及長線傳輸分布電容的相互干擾，共模干擾是引起回路對地電位發(fā)生變化的干擾，是造成微機控制單元工作不正常的主要原因。

(十)對用戶電動機的運行影響

諧波電流通過交流電動機，使諧波附加損耗明顯增加，引起電動機過熱，機械振動和噪聲增大。當三相電壓不對稱時，定子繞組上產生負序電流，并勵磁產生負序旋轉磁場，該制動磁場降低了電機的最大轉矩和過載能力，增加銅損，并且負序過電流可以將電機定子繞組燒毀。負序性的諧波分量(5次、11次等)對電機的影響與負序電壓的效果一樣。當產生電壓波動的主要低頻分量與電機機械振動的固有頻率一致時，誘發(fā)諧振，會使電動機造成損壞。

(十一)對用戶補償電容器的影響

電網無功配置容量中電容器所占比例最大，其中用戶電容器約占全部電容器的2/3。這部分電容器的設計大多只考慮無功補償量，不考慮裝設點電能質量的實際污染情況，因此，運行點電能質量指標低時，常造成一些事故，如補償裝置投不上、電容器使用壽命降低、電容器保護熔絲熔斷，甚至發(fā)生串并聯(lián)諧振，引發(fā)電容器的諧波過電壓與過電流，導致電容器爆炸等。另外，用戶電容器的管理目前仍按平均功率因數(shù)進行考核，電容器很少按電網實際運行情況投切，甚至只投不切，無形中使電網電壓失去了應有的調節(jié)裕度，使電壓偏差等電能質量指標難以控制。

(十二)對用戶自動控制裝置的影響

隨著數(shù)字控制技術的大規(guī)模使用，很多精密負載對受電電能質量指標提出了更高的要求。電能質量污染對這類設備的危害主要有三個方面，即在設備的檢測模塊中引入畸變量、干擾正常的分析計算、導致錯誤的輸出結果。另外還會對設備的硬件，如精密電機、開關電源等造成不可逆轉的損壞。干擾負載的保護回路，造成誤動作等。

三、諧波的抑制方法

諧波問題是關系到供電系統(tǒng)的供電質量的一個重要問題，在供電系統(tǒng)中對諧波的抑制即為如何減少或消除注入系統(tǒng)的諧波電流，以便把諧波電壓控制在限定值之內，抑制諧波電流主要有以下三方面的措施。

(一)降低諧波源的諧波含量

在諧波源上采取治理措施，從源頭上最大限度地避免諧波的產生。這就需要在設計、制造和使用諧波源設備時，要注意諧波對供電系統(tǒng)及其供用電設備的影響，采取切實可行的治理措施。用電業(yè)務管理部門要嚴格把關，對于沒有采取治理措施的諧波源用戶，要禁止其入網運行。

(二)在諧波源處吸收諧波電流

這種方法是對已有諧波進行有效抑制的方法，也是目前電力系統(tǒng)使用最為廣泛地抑制諧波的方法。其主要方法有以下幾種：

1.無源濾波器

無源濾波器安裝在電力電子設備的交流側，由L、C、R元件構成諧振回路，當LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時，即可阻止該次諧波流入電網。這種方法由于具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點，是目前采用的抑制諧波及無功補償?shù)闹饕侄巍?/p>

2.有源濾波器

有源濾波器即利用可控的功率半導體器件向電網注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。

3.防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大

在電網中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調節(jié)電壓的作用。當諧波存在時，在一定的參數(shù)下電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設備的安全?？刹扇〈?lián)電抗器，或將電容器組的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對諧波的放大。

4.加裝靜止無功補償裝置

快速變化的諧波源，如電弧爐、電力機車和卷揚機等，除了產生諧波外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴重影響公用電網的電能質量。在諧波源處并聯(lián)裝設靜止無功補償裝置，可有效減小波動的諧波量，同時，可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡，還可補償功率因數(shù)。