在供電系統(tǒng)中，諧波是對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)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(wǎng)中有時(shí)也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波(Non-harmonics)或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實(shí)際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。

一、諧波的成因

電網(wǎng)諧波來自于3個(gè)方面：

1.發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波：發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致和其他一些原因，發(fā)電源多少也會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。

2.是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波：輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流0.5%。

3.是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波：晶閘管整流設(shè)備。由于晶閘管整流在電力機(jī)車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)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(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)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(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%;接容性負(fù)載時(shí)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(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置產(chǎn)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(fēng)機(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分?jǐn)?shù)次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)造成的諧波也越來越多。

電弧爐、電石爐。由于加熱原料時(shí)電爐的三相電極很難同時(shí)接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。其中主要是27次的諧波，平均可達(dá)基波的8%～20%，最大可達(dá)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(cè)量這類電光源的伏·安特性，可知其非線性十分嚴(yán)重，有的還含有負(fù)的伏·安特性，它們會(huì)給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。

家用電器。電視機(jī)、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因具有調(diào)壓整流裝置，會(huì)產(chǎn)生較深的奇次諧波。在洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)器等有繞組的設(shè)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(duì)電網(wǎng)的危害

諧波污染對(duì)電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在：

1.造成電網(wǎng)的功率損耗增加、設(shè)備壽命縮短、接地保護(hù)功能失常、遙控功能失常、線路和設(shè)備過熱燈，特別是三次諧波會(huì)產(chǎn)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(shè)備的不安全運(yùn)行。諧波對(duì)電網(wǎng)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(wǎng)發(fā)生諧振、使正常的供電中斷、事故擴(kuò)大、電網(wǎng)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(shè)備損壞;造成變電站系統(tǒng)中的設(shè)備和元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，引起電力變壓器、電力電纜、電動(dòng)機(jī)等設(shè)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(shí)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(hù)或自動(dòng)裝置誤動(dòng)作;影響電子儀表和通信系統(tǒng)的正常工作，降低通信質(zhì)量;增大附加磁場(chǎng)的干擾等。

(一)對(duì)電力電容器的影響

當(dāng)配電系統(tǒng)非線性用電負(fù)荷比重較大，并聯(lián)電容器組投入時(shí)，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(fù)荷而嚴(yán)重影響其使用壽命，另一方面當(dāng)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(shí)，引起電容器諧波電流嚴(yán)重放大使電容器過熱而導(dǎo)致?lián)p壞。因此，電壓諧波和電流諧波超標(biāo)，都會(huì)使電容器的工作電流增大和出現(xiàn)異常，例如，對(duì)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(dāng)電容器的電流超過這一限制時(shí)，將會(huì)造成電容器的損壞增加、發(fā)熱異常、絕緣加速老化而導(dǎo)致使用壽命降低，甚至造成損壞事故。同時(shí)，諧波使工頻正弦波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生鋸齒狀尖頂波，易在絕緣介質(zhì)中引發(fā)局部放電，長時(shí)間的局部放電也會(huì)加速絕緣介質(zhì)的老化、自愈性能下降，而容易導(dǎo)致電容器損壞。

按照電力系統(tǒng)諧波管理規(guī)定，電網(wǎng)中任何一點(diǎn)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(wǎng)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(duì)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(dòng)，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(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓偏高或三相不對(duì)稱時(shí)，勵(lì)磁電流中的諧波分量增加，絕緣材料承受的電氣應(yīng)力增大，影響絕緣的局部放電和介質(zhì)增大。對(duì)三角形連接的繞組，零序性諧波在繞組內(nèi)形成換流，使繞組溫度升高。

3.變壓器勵(lì)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(shí)的條件下對(duì)變壓器的安全運(yùn)行將造成威脅。

(三)對(duì)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(shí)間比較長，能夠延續(xù)數(shù)秒或更長的時(shí)間，有時(shí)還會(huì)引起諧振過電壓，并使相關(guān)避雷器的放電時(shí)間過長而受到損壞。這一問題對(duì)選擇保護(hù)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(duì)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(yīng)的影響，將產(chǎn)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(duì)稱運(yùn)行時(shí)，對(duì)中性點(diǎn)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(diǎn)漂移。在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中，零序電流和零序性的諧波電流(3次，6次、9次……)不僅會(huì)引起中性線電流大大增加，造成過負(fù)荷發(fā)熱，使損耗增加，而且產(chǎn)生壓降，引起零電位漂移，降低了供電的電能質(zhì)量。

(五)對(duì)電力電纜的影響

諧波污染將會(huì)使電纜的介質(zhì)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(duì)諧波電流有放大作用，在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)，系統(tǒng)電壓上升，諧波電壓也相應(yīng)升高。電纜的額定電壓等級(jí)越高，諧波引起電纜介質(zhì)不穩(wěn)定的危險(xiǎn)性越大，更容易發(fā)生故障。

(六)對(duì)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的影響

1.對(duì)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置運(yùn)行環(huán)境的影響

(1)在諧波嚴(yán)重超標(biāo)的電弧爐負(fù)荷、電氣化鐵路等諧波含量大的局部電網(wǎng)中會(huì)受到影響。

(2)頻繁出現(xiàn)變壓器嚴(yán)重涌流且涌流衰減緩慢的變電站受到涌流產(chǎn)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(chǎng)所會(huì)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(wǎng)架近會(huì)受到影響。

(5)在諧波受到電容器組或其他原因而被放大嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)附近會(huì)受到影響。

2.繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置利用的啟動(dòng)量小

利用負(fù)序電流或電壓、零序電流或電壓、差動(dòng)電流或電壓啟動(dòng)會(huì)受到諧波的影響。其中利用負(fù)序量啟動(dòng)的對(duì)諧波的敏感性最大。

3.繼電器或啟動(dòng)元件本身對(duì)諧波敏感

(1)晶體管或集成電路保護(hù)裝置的動(dòng)作量非常小和動(dòng)作時(shí)間非常少，因此它的啟動(dòng)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(hào)過零取樣的控制系統(tǒng)及利用數(shù)據(jù)過零點(diǎn)的數(shù)字式繼電器或微機(jī)保護(hù)，都會(huì)受到諧波的影響和干擾。

(七)對(duì)繼電保護(hù)整定的影響

繼電保護(hù)正常運(yùn)行中，當(dāng)電源諧波分量較高時(shí)，可能會(huì)引起過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)的誤動(dòng)作。當(dāng)三相嚴(yán)重不對(duì)稱時(shí)，在正序性諧波或負(fù)序性諧波含量較高的情況下，可能對(duì)以負(fù)序?yàn)V過器為啟動(dòng)元件的保護(hù)裝置產(chǎn)生干擾，而引起誤動(dòng)。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(fù)序電流，引起供電系統(tǒng)電能質(zhì)量指標(biāo)嚴(yán)重惡化，多次造成發(fā)電機(jī)的負(fù)序電流保護(hù)誤動(dòng)，主變壓器的過電流保護(hù)裝置誤動(dòng)，線路的距離保護(hù)振蕩閉鎖裝置誤動(dòng)，高頻保護(hù)收發(fā)訊機(jī)誤動(dòng)，母線差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)和故障錄波器誤動(dòng)的事故。

近年來，微機(jī)保護(hù)裝置的大規(guī)模使用，使信號(hào)中的諧波干擾既可能引起測(cè)量誤差，又可能對(duì)裝置關(guān)鍵處理模塊的正常工作產(chǎn)生干擾，從而引起保護(hù)裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)。如上海寶鋼就發(fā)生過因電弧爐產(chǎn)生諧波的影響，造成諧波電流對(duì)數(shù)字型差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生干擾，使差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘的事故。

(八)對(duì)電力系統(tǒng)其他運(yùn)行設(shè)備的影響

1.對(duì)同步發(fā)電機(jī)的影響。用戶的負(fù)序電流和諧波電流注入系統(tǒng)內(nèi)的同步發(fā)電機(jī)，將產(chǎn)生附加損耗，引起發(fā)電機(jī)局部發(fā)熱，降低絕緣強(qiáng)度。同時(shí)，由于輸出的電壓波形中產(chǎn)生附加諧波分量，使負(fù)載的同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生扭振，降低其工作壽命。

2.對(duì)斷路器的影響。諧波會(huì)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(duì)中壓斷路器截?cái)嚯姼须娏鲿r(shí)可能發(fā)生諧頻涌波電壓和重燃現(xiàn)象，導(dǎo)致斷路器觸頭燒損。

3.對(duì)消弧線圈的影響。當(dāng)電網(wǎng)諧波成分較大時(shí)，發(fā)生單相接地故障，消弧線圈對(duì)諧波電流將可能不起作用，在接地點(diǎn)得不到的補(bǔ)償，從而引發(fā)系統(tǒng)的故障擴(kuò)大。

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

(九)對(duì)電力用戶的影響

用電設(shè)備對(duì)系統(tǒng)電源的污染會(huì)影響用電設(shè)備自身的可靠性。使用電能質(zhì)量污染的電源，用電設(shè)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(shè)備?？赡墚a(chǎn)生的影響包括：對(duì)用戶電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生影響;對(duì)用戶補(bǔ)償電容器產(chǎn)生影響;對(duì)用戶自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生影響;對(duì)居民生活用電產(chǎn)生影響;對(duì)用電安全造成威脅。另外，還包括對(duì)電信通信造成影響，對(duì)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(duì)地電位發(fā)生變化的干擾，是造成微機(jī)控制單元工作不正常的主要原因。

(十)對(duì)用戶電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行影響

諧波電流通過交流電動(dòng)機(jī)，使諧波附加損耗明顯增加，引起電動(dòng)機(jī)過熱，機(jī)械振動(dòng)和噪聲增大。當(dāng)三相電壓不對(duì)稱時(shí)，定子繞組上產(chǎn)生負(fù)序電流，并勵(lì)磁產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該制動(dòng)磁場(chǎng)降低了電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和過載能力，增加銅損，并且負(fù)序過電流可以將電機(jī)定子繞組燒毀。負(fù)序性的諧波分量(5次、11次等)對(duì)電機(jī)的影響與負(fù)序電壓的效果一樣。當(dāng)產(chǎn)生電壓波動(dòng)的主要低頻分量與電機(jī)機(jī)械振動(dòng)的固有頻率一致時(shí)，誘發(fā)諧振，會(huì)使電動(dòng)機(jī)造成損壞。

(十一)對(duì)用戶補(bǔ)償電容器的影響

電網(wǎng)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(shè)計(jì)大多只考慮無功補(bǔ)償量，不考慮裝設(shè)點(diǎn)電能質(zhì)量的實(shí)際污染情況，因此，運(yùn)行點(diǎn)電能質(zhì)量指標(biāo)低時(shí)，常造成一些事故，如補(bǔ)償裝置投不上、電容器使用壽命降低、電容器保護(hù)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(dǎo)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(jìn)行考核，電容器很少按電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況投切，甚至只投不切，無形中使電網(wǎng)電壓失去了應(yīng)有的調(diào)節(jié)裕度，使電壓偏差等電能質(zhì)量指標(biāo)難以控制。

(十二)對(duì)用戶自動(dòng)控制裝置的影響

隨著數(shù)字控制技術(shù)的大規(guī)模使用，很多精密負(fù)載對(duì)受電電能質(zhì)量指標(biāo)提出了更高的要求。電能質(zhì)量污染對(duì)這類設(shè)備的危害主要有三個(gè)方面，即在設(shè)備的檢測(cè)模塊中引入畸變量、干擾正常的分析計(jì)算、導(dǎo)致錯(cuò)誤的輸出結(jié)果。另外還會(huì)對(duì)設(shè)備的硬件，如精密電機(jī)、開關(guān)電源等造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。干擾負(fù)載的保護(hù)回路，造成誤動(dòng)作等。

三、諧波的抑制方法

諧波問題是關(guān)系到供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量的一個(gè)重要問題，在供電系統(tǒng)中對(duì)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(nèi)，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(chǎn)生。這就需要在設(shè)計(jì)、制造和使用諧波源設(shè)備時(shí)，要注意諧波對(duì)供電系統(tǒng)及其供用電設(shè)備的影響，采取切實(shí)可行的治理措施。用電業(yè)務(wù)管理部門要嚴(yán)格把關(guān)，對(duì)于沒有采取治理措施的諧波源用戶，要禁止其入網(wǎng)運(yùn)行。

(二)在諧波源處吸收諧波電流

這種方法是對(duì)已有諧波進(jìn)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(shè)備的交流側(cè)，由L、C、R元件構(gòu)成諧振回路，當(dāng)LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí)，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。這種方法由于具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前采用的抑制諧波及無功補(bǔ)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(dǎo)體器件向電網(wǎng)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(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。

3.防止并聯(lián)電容器組對(duì)諧波的放大

在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。當(dāng)諧波存在時(shí)，在一定的參數(shù)下電容器組會(huì)對(duì)諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全?？刹扇〈?lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M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(duì)諧波的放大。

4.加裝靜止無功補(bǔ)償裝置

快速變化的諧波源，如電弧爐、電力機(jī)車和卷揚(yáng)機(jī)等，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會(huì)引起供電電壓的波動(dòng)和閃變，有的還會(huì)造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置，可有效減小波動(dòng)的諧波量，同時(shí)，可以抑制電壓波動(dòng)、電壓閃變、三相不平衡，還可補(bǔ)償功率因數(shù)。