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【摘 要】经济的飞速发展带来供电紧张，为解决供电紧张，一方面要建设许多新的电厂和输电线路，另一方面要高效利用现有的电力资源，减少电力损耗。谐波是导致电力损耗增加，供电质量下降的重要因素。本文对配网中谐波的来源和危害进行了分析，总结和提出了治理谐波的若干方法。
【关键词】谐波危害；谐波治理
1.何为谐波
国际上通行的谐波定义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。电力系统理想的电压、电流波形是正弦波。但由于电力系统中存在各种非线性元件，使电压和电流波形发生畸变产生谐波。当电流流经非线性负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。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。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大，因为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。
2.谐波危害
2.1增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率
由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频率电流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗，使导体的发热严重。
2.1.1对旋转电机的影响
谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁带、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。
谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大。但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴震动的问题。这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振，并使汽轮机叶产生疲劳循环。
2.1.2对变压器的影响
谐波电流使变压器的损耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角连接的变压器会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。
2.1.3对输电线路的影响
由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容。它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。
2.2影响继电和自动装置工作的可靠性
谐波对电力系统中以负序（基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这负序（基波）量整定的保护装置整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰（如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源）则會引起发电机负序电流保护误动（若误动引起跳闸则后果严重），变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压保护误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全进行。
2.3使测量和计量仪器的指示和计量不准确
由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。
2.4干扰通信系统的工作
电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度。
2.5对用电设备的影响
谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。
3.谐波的治理
对电力谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：
3.1降低谐波源的谐波含量
也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：
3.1.1增加整流器的脉动数
整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：n=kp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而In≈I1/n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波 形，减少谐波。电力电子装置常将6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波变流器，以减少交流侧的谐波电流含量。理论上，脉波越多，对谐波的抑制效果越好，但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂，体积越大，变流器的控制和保护变得困难，成本增加。
3.1.2脉宽调制法
脉宽调制技术的基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性。根据输出波形的傅立叶级数展开式，使需要消除的谐波幅值为零、基波幅值为给定量，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的，目前采用的PWM技术有最优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、Δ调制、跟踪型PWM调制和自适应PWM控制等。
3.1.3三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线
三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线形式，这样可以消除3的整数倍次的电力谐波，从而使注入电网的谐波电流只有5、7、11...等次谐波。
3.1.4改变谐波源的配置或工作方式 具有谐波互补性的装置应集中，否则适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。
3.1.5采用多重化技术
将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高。
3.1.6设计或采用高功率因数变流器
比如采用矩阵式变频器，四象限变流器等，可以使变流器产生的谐波非常少，但功率因数可控制为1。
3.2在諧波源处吸收谐波电流
这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种：
3.2.1无源滤波器
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LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。
3.2.2有源滤波器
早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF（Active Power Filter）的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。
3.2.3加装静止无功补偿装置
快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处，并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。
4.结论
目前，电力消费的趋势是高效率用电与高质量用电相接合。进行谐波治理，提高电力品质是第一位的，其次是节能。谐波治理是个综合治理过程，是改善供电品质的重要手段。一方面要从源头抓起，加强设备的管理防止谐波的产生，更重要的一方面是提高认识，积极进行谐波治理，防止灾害产生，减少能耗，提高电能利用率。这样才能够改善整个网络的电力品质，同时也能延长设备使用寿命，提高产品质量，让电能更好的为人类服务。
【参考文献】
[1]许遐.公用电网谐波的评估和调控出版.中国电力出版社，2008，09.
[2]张选正，徐智林，张金远.谐波治理与无功补偿技术问答.化学工业出版社，2009，09.
【关键词】谐波危害；谐波治理
1.何为谐波
国际上通行的谐波定义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。电力系统理想的电压、电流波形是正弦波。但由于电力系统中存在各种非线性元件，使电压和电流波形发生畸变产生谐波。当电流流经非线性负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。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。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大，因为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。
2.谐波危害
2.1增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率
由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频率电流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗，使导体的发热严重。
2.1.1对旋转电机的影响
谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁带、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。
谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大。但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴震动的问题。这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振，并使汽轮机叶产生疲劳循环。
2.1.2对变压器的影响
谐波电流使变压器的损耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角连接的变压器会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。
2.1.3对输电线路的影响
由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容。它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。
2.2影响继电和自动装置工作的可靠性
谐波对电力系统中以负序（基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这负序（基波）量整定的保护装置整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰（如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源）则會引起发电机负序电流保护误动（若误动引起跳闸则后果严重），变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压保护误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全进行。
2.3使测量和计量仪器的指示和计量不准确
由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。
2.4干扰通信系统的工作
电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度。
2.5对用电设备的影响
谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。
3.谐波的治理
对电力谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：
3.1降低谐波源的谐波含量
也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：
3.1.1增加整流器的脉动数
整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：n=kp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而In≈I1/n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波 形，减少谐波。电力电子装置常将6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波变流器，以减少交流侧的谐波电流含量。理论上，脉波越多，对谐波的抑制效果越好，但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂，体积越大，变流器的控制和保护变得困难，成本增加。
3.1.2脉宽调制法
脉宽调制技术的基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性。根据输出波形的傅立叶级数展开式，使需要消除的谐波幅值为零、基波幅值为给定量，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的，目前采用的PWM技术有最优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、Δ调制、跟踪型PWM调制和自适应PWM控制等。
3.1.3三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线
三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线形式，这样可以消除3的整数倍次的电力谐波，从而使注入电网的谐波电流只有5、7、11...等次谐波。
3.1.4改变谐波源的配置或工作方式 具有谐波互补性的装置应集中，否则适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。
3.1.5采用多重化技术
将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高。
3.1.6设计或采用高功率因数变流器
比如采用矩阵式变频器，四象限变流器等，可以使变流器产生的谐波非常少，但功率因数可控制为1。
3.2在諧波源处吸收谐波电流
这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种：
3.2.1无源滤波器
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LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。
3.2.2有源滤波器
早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF（Active Power Filter）的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。
3.2.3加装静止无功补偿装置
快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处，并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。
4.结论
目前，电力消费的趋势是高效率用电与高质量用电相接合。进行谐波治理，提高电力品质是第一位的，其次是节能。谐波治理是个综合治理过程，是改善供电品质的重要手段。一方面要从源头抓起，加强设备的管理防止谐波的产生，更重要的一方面是提高认识，积极进行谐波治理，防止灾害产生，减少能耗，提高电能利用率。这样才能够改善整个网络的电力品质，同时也能延长设备使用寿命，提高产品质量，让电能更好的为人类服务。
【参考文献】
[1]许遐.公用电网谐波的评估和调控出版.中国电力出版社，2008，09.
[2]张选正，徐智林，张金远.谐波治理与无功补偿技术问答.化学工业出版社，2009，09.