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谐波是怎么产生的 什么是谐波？供电系统的谐波是怎么定 谐波一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。 到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1） 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波。谐波实际上是一种 干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般 为2n 谐波是怎么产生的？ 电网谐波来自于3个方面 一是发电源质量不高产生谐波： 发电机由于三相绕组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 二是输配电系统产生谐波： 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。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。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0.5%。 三是用电设备产生的谐波： 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。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。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。 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。 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2 7次的谐波，平均可达基波的8% 20%，最大可达45%。 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。 家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，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。 谐波有什么危害？ 电网谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障，情况日趋严重。谐波的危害电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面： 1. 对供配电线路的危害 （1） 影响线路的稳定运行 供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对10%以下含量高达40%时又导致继电保护误动作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。 （2） 影响电网的质量 电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，可达40%；三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。 2. 对电力设备的危害 当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍;对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍,但如果谐波含量较高,超出电容器允许条件,就会使电容器过电流和过负荷,损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2左右。再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。 对电力变压器的危害 谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量，或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。 对电力电缆的危害 由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。 对用电设备的危害 对电动机的危害 谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。 对低压开关设备的危害 对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。 对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。 对弱电系统设备的干扰 对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。 影响电力测量的准确性 目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。 谐波对人体有影响 从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场1、什么是谐波 电力系统中有非线性（时变或时不变）负载时，即使电源都以工频50HZ供电，当工频电压或电流作用于非线性负载时，就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流，这些不同于工频频率的正弦电压或电流，用富氏级数展开，就是人们称的电力谐波。随着经济发展，大功率可控硅的广泛应用，大量非线性负荷增加，特别是电子技术、节能技术和控制技术的进步，在化工、冶金、钢铁、煤矿和交通等部门大量使用各种整流设备、交直流换流设备和电子电压调整设备，电熔炼设备、电化学设备、矿井起重设备、露天采掘设备、电气机车等与日俱增，同时种类繁多的照明器具、娱乐设施和家用电器等普及使用，使得电力系统波形严重畸变。2、谐波的危害电力谐波的主要危害有：a、引起串联谐振及并联谐振，放大谐波，造成危险的过电压或过电流；b、产生谐波损耗，使发、变电和用电设备效率降低；c、加速电气设备绝缘老化，使其容易击穿，从而缩短它们的使用寿命；d、使设备（如电机、继电保护、自动装置、测量仪表、电力电子器件、计算机系统、精密仪器等）运转不正常或不能正确操作；e、干扰通讯系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正确传递，甚至损坏通信设备。3、谐波的治理1）谐波治理标准GB/T 1454993 电能质量 公用电网谐波该标准对不同电压等级各次谐波允许注入值都作了具体规定（略），其规定公用电网谐波电压（相电压）限值2）谐波治理谐波治理就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电流，现在广泛采用的滤波器为无源滤波器，另外有利用时域补偿原理的有源滤波器，这种滤波器的优点是能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，但造价较高。无源滤波装置，吸收高次谐波，而所有滤波支路对基波呈现容性，正好满足无功补偿要求，不必另装并联电容器补偿装置，这种方法经济、简便，国内外广泛采用。滤波器的种类。滤波器大致分为以下六种类型，如图:(a)单调谐波滤波器；(b)双调谐滤波器；(c)一阶高通滤波器；(d)二阶高通滤波器；(e)三阶高通滤波器；(f)“c”式高通滤波器。单调谐滤波器通频带窄，滤波效果好，损耗小，调谐容易，是使用最多的一种类型。双调谐滤波器可替代两个单调谐滤波器，只有一个电抗器（L1）承受全部冲击电压，但接线复杂，调谐困难，仅在超高压系统中使用。一阶高通滤波器因基波损耗大，一般不采用。二阶高通滤波器通频带很宽，滤波效果好，既可调谐振点，又可调谐曲线锐度，并可防意外共振与放大，因此也有以二阶宽通带做低次滤波器。三阶高通滤波器一般用电弧炉滤波。“C”式高通滤波器，用于电弧炉滤波，对二次谐波特别有效。4、补偿 企业中由于大量的电力负荷是感性负荷，因此企业的自然功率因数较低，如不采用人工补偿，提高功率因数，将造成如下不良影响：a、降低发电机的输出功率，当发电机需提高无功输出，低于额定功率因数运行时，将使发电机有功输出降低；b、降低了变电、输电设备的供电能力；c、使网络电力损耗增加（网络中的电能损失与功率因数平方数成反比）；d、功率因数愈低，线路的电压降愈大，使得用电设备的运行条件恶化；e、月均功率因数低于0.9（小型低压用户或农业用电为0.8），将受到“电力罚款”。上述可见，提高功率因数不仅对电力系统，而且对企业经济运行有着重大意义。在考虑提高功率因数时，应首先提高企业用电设备的自然功率因数，当采取措施后还达不到供电部门要求时，采用人工补偿装置。一般除在容量较大、经常运行的恒速机械（如水泵、空压机、鼓风机、电动发电机组等）上采用同步电动机补偿外，其它的应安装并联电容器进行补偿。1）并联电容器补偿容量的计算QC = P30 qc：需要补偿的无功容量，kvar；P30:全企业有功计算负荷，；：平均负荷系数，取0.70.8；qc:补偿率，kvar/KW 可在有关手则查得，也可按下式计算：2）并联电容器的装设地点a、集中补偿方式。将高压电容器集中安装在总降压变电所或功率因数较低、负荷较大的配电所高压母线上。b、分散补偿。对用电负荷分散和功率因数较低的车间变电所，采用低压并联电容器安装在低压配电室。C、就地补偿。对距供电点较远的大、中容量连续工作制的电动机（如风机、水泵、压缩机、球磨机等），应采用电动机无功功率就地补偿装置。它不仅提高功率因数，且减少线路损失，减小总电流，提高变压器负载率有明显效果。但单机补偿容量不宜过大，应保证电动机断电时不致因自激磁出现过激磁，否则易损坏电动机。就地补偿装置与电动机共用一台断路器，同时投切。3）对高次谐波的抑制措施 为了减少和避免高次谐波对并联补偿装置的危害。为减少谐波电流流入电容器和合闸涌流，可串适当的电抗器。其感抗值应在可能产生的任何谐波下，均使电容器回路的总电抗为感抗，从而消除谐振的可能。如对6脉冲整流线路，有5次以上谐波，XL=4.5%6%XC；对有3次谐波的线路XL=（12%13%）XC。为了防止可能出现铁磁谐振，一般应采用无铁芯电抗器。什么是谐波？供电系统的谐波是怎么定义的？ A:谐波一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。 到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1） 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波。谐波实际上是一种 干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般 为2n40。1.前 言十多年以前，世界上建筑物中配电系统的大多数负载是传统的照明或是简单的非阻性负载的交流马达等线性负载。而当今，世界上仅仅是正弦波基波频率的时代已经过去。现代的建筑物中，几乎都是电子设备：电视机、计算机、复印机、传真机、UPS系统，电子控制照明装置、电梯、空调等变频装置、微波炉等等，这些装置的负载绝大多数都是非线性负载。因此，它们都是谐波发生源，这些谐波电流注入公用电网就会污染电网，引起电网电源的电压畸变、波形失真，从而使电网中的其他电气设备无法正常地运行。 随着知识经济与信息时代的到来，谐波对供电电源的质量影响，对电网的污染越来越大，所造成的危害与后果日益严重，对经济效益造成的损失也愈来愈惊人。目前，经济技术发达的国家均早已制定了对谐波限定的标准与规范等一系列法规。国际电工委员会IEC也已于1988年开始明确对谐波限定的要求。我国已于1993年颁布了GB/T1454993国家标准。这就应引起我们，特别是主管部门的高度重视，现就谐波有关问题做些介绍，以供参考。2.什么是谐波请参见图1所示。谐波的定义如下：2.1谐波是正弦波，每个谐波都有不同的频率、幅度与相角；2.2谐波频率是基波频率的整倍数；例如：基波是50赫兹时，二次谐波为100赫兹，三次谐波则为150赫兹；2.3谐波既呈现出电压，又呈现出电流；2.4根据法国数学家傅里叶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；2.5谐波可以区分为偶次与奇次性；第3、5、7次编号的谐波为奇次谐波；而第2、4、6、8等为偶次谐波，一般地讲，奇次谐波引起的危害较偶次谐波更多更大。3.谐波产生的原因谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。例如：在只含线性元件电阻、电感及电容的简单电路里，流过的电流与施加电压成正比。所以如果所加电源电压是正弦的话，流过的电流就是正弦的。例如图2所示，线性负载下的电流与电压波形。应当指出：在有电感、电容等无功元件的场合，在电压与电流波形间有一相位移，功率因数低了，但线路仍然是线性的，而又如图3所示，简单的全波整流器及电容器的情况。在这种情况下，只有在电流电压超过存储电容器上存在的电压里，亦即接近正弦波电压峰值附近时电流才流通，如负载线的形状所示的非线性负载特性。实际应用中负载线比图3更复杂，谐波成份更严重。全波整流器电源如图4所示。谐波电流起初在电气化铁路和工业直流调速传动装置上所用的交流变换为直流电的水银整流器所产生的。因此说，所有非线性负载都能产生谐波电流。当今世界产生谐波的装置主要如下：3.1整流器和整流设备；3.2影视设备；TV、TV监视器等；3.3计算机；3.4复印机；含图像复印机；3.5打印机；3.6传真机；3.7UPS电源系统；3.8电子控制照明装置如调光、电子荧光灯镇流器等；3.9电梯；3.10空调尤其是变频调速装置；3.11焊机设备；3.12微波炉；3.13开关模式电源SMPS；3.14磁性铁芯设备；3.15电弧炼钢炉等等。计算机产生以3次、5次和7次谐波为主的谐波，而笔记本便携式计算机则产生的谐波频谱更加广泛。复印机产生以3、5、7、9、11、13次谐波为主的谐波。可变频驱动装置则产生以5、7次谐波最为显著。三相供电有六个脉冲桥式可控硅整流器的UPS电源，则没有3次谐波，而5、7次谐波则最为显著。三相供电有十二个脉冲可控硅整流器时，那么11、13次谐波则最为显著。而单相供电的UPS电源则以3次谐波为主。4.谐波的危害与影响4.1造成电网电压的严重畸变；4.2电缆电线过热，绝缘老化加速，易损坏并导致线间短路和接地故障引起电气火灾和人身电击事故；4.3变压器和马达的过热，损坏甚至于烧毁；4.4补偿功率因数的电容器过热，易损坏，寿命短；4.5供电系统损耗增加；4.6系统的功率因数降低；4.7断路器及漏电保护装置、接触器、热继电器等电气保护元件过热，失灵，误动作，接地保护装置功能失常；4.8中性线过负荷、发热，甚至于烧损、着火；4.9过零噪音；4.10集肤效应显著；4.11计算机死机，锁住；4.12浪费系统容量，降低保护作用；4.13通讯与影像设备失误；4.14给供电系统带来难题；4.15对多租户大型商用办公楼配电系统的谐波问题纠纷越来越突出。其原因有二：其一，办公设备效率，节能以及调速能驱动ASD，高效荧光照明和电子设备等，引起系统的谐波畸变水平不断升高；其二，由于这种系统的多用户特点和谐波源的小功率，分散性特征带来责任区分上的困难，因此，当谐波问题发生时，容易引起供用电各方之间的纠纷。4.16医疗设备误动作，带来医疗事故，甚至于电源系统遭到破坏。4.17机场难以正常运行，国防设施受到影响；4.18金融、证券交易中心，电源误动作，失灵，停电，将会造成重大经济损失；4.19地铁、轻轨、电气机车、停电、停运造成交通事故。英国电源质量问题出现的频率统计：高：一年造成的停机事故在12次以上；中：一年造成的停机事故在112次之间；低：一年造成的停机事故1次以下；从表中可以看出谐波造成的停车事故频率很高，在所有三个方面每年事故的报告在12次以上的均在60以上，而每年至少1次事故的报告为80以上。5.谐波的标准要求与检测诊断鉴别世界上发达的国家与地区对谐波标准限定要求制定大约八十年代开始，其中国际电工委员会IEC于1982年制定的IEC9552，后又于1994年修订为IEC100033额定电流不小于16A的设备在低电压系统中电压波动及闪烁的限值以及1995年修订的IEC100032每相电流小于等于16A的设备谐波电流的发射限值。美国IEEEInstitute of ElectricalElcctronicx Engingeers“电子电气工程师协会”1992年制定了谐波限定标准IEEE1100，1992中指出，当供电非线性负载大于50时，其变压器应在通常容量的50下运行。另外IEEE std.5191992标准中明确提出对计算机和类似设备，其谐波电压畸变因数THD应在5以下，而对于关键性使用场所如医院和机场等类似场所则要求THD应更低于3以下。英国在1988年供电规程中就明确指出：“不允许任何用户非法地干扰其它人的电力供应”。我国国家技术监督局于1993年发布了GB/T1454993电能质量、公用电网谐波的国家标准，例如，标准中明确规定了电网标称电压380V，电压总谐波畸变率THD限值5以下。为了治理谐波总题，需首先对谐波进行准确地检测，诊断与鉴别。在交流电路中给出电压和电流数值时，一般总是用方均根值RMS给出的。交流电流的方均根值是指一具有同样发热效应的直流电流的电流值。若以数学方式表示，它是一个周波内瞬间值平方的积分后平均值的平方根。因此名为方均根值。真实的方均根值测量曾是非常困难的，大多数便携式测量仪表是不能测量出来，它需要一个宽频带响应和精确的乘法运算功能。目前，便携式谐波综合数据处理分析仪已经较广泛应用。它可以在供电现场带电高速操作，并实地进行数据采集，分析处理，并打印记录，提供可靠的准确信息报告，对各种谐波进行诊断与鉴别，例如，FLUKE VIEW 41电源谐波分析仪即可满足这些要求，它可以测量电压电流有功功率。无功功率，VTHDR，ATHDR，频率，由2到31次谐波电流电压值等几十种数据。6.谐波的治理措施及其效果综上所述，对谐波产生的原因有了比较清楚地了解之后，加之对电路又进行了较准确的检测，诊断与鉴别，方能确定应采取那种合适的措施治理谐波。目前，国内普遍采用提高变压器质量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面，等于线、相电缆截面的两倍以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，不但不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，而且又加大了投资，增加供电系统的隐患。按照第3章提出的，谐波产生的根本原因是由于使用了非线性负载所致，因此，解决的根本办法是把产生谐波的负载的供电线路和对谐波敏感的负载的供电线路分开。这里展示出非线性负载引起的电压畸变如图5所示。而将线性负载与非线性负载从同一电源接口点PCCPoint of Common Coupling或称公共连接点、公共耦合点等即开始分别的电路馈电如图6所示，这样以使由非线性负载产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。在实际应用中，尚有下述办法被大量采用：6.1无源滤波器：传统的习惯多选用此法，它是包括一组以串联连接的电抗器与电容器，此电路的阻抗在某一频率下，被设计成比电网中的其他电路低的多。这种装置的缺点是容易过载，在过载时它会被烧损，另外，可能造成功率因数过补偿而被罚款，同时，无源滤波器不能受控，因此随着时间的改变，配件老化或电网负载的变动，会改变谐波振频率，则滤波效果会下降，更重要的是无源滤波器只可以过滤一种谐波成份，如果过滤不同的频率，谐波则要分别不同的滤波器，如有的滤波器只能滤除三次谐波。 6.2有源滤波器：目前，国内外有许多种有源滤波器，但大多数是电子型有源滤波器。比较突出的是动态滤滤器，它是先从被治理被保护的线路量度谐波电流值，然后制造一个与该畸变谐波电流反相的谐波电流频谱，以抵消原线路和谐波源所产生的谐波。因此动态滤波器基本上是一个抵消电流发生器，其中核心部分是谐波电流发生器与控制系统，即其工作靠数字信息处理DSP技术来控制快速绝缘栅双极晶体管JGBT来完成，但此种产品价格昂贵，另外，它有电容器与电感线路由于谐波发生本身也易损坏。6.3谐波抵消电抗器：在涉及大电流时，采用磁性方法治理谐波比有源滤波器有更低的成本。此种设计方案是由加拿大POWERSMITHS公司创始。它的特点是：6.3.1用磁场相互抵消方法，解决谐波问题。没有电容器仅仅是磁性设计方案，因此具有很高的可靠性与使用寿命；6.3.2对3次序列谐波即3次谐波的奇数整数倍如3、9、15、21、27的治理，采用低的零序阻抗；6.3.3对5、7、9、11、13等次谐波的治理采用相移办法，其代表产品牌号为POWERSTAR N1000。对三次谐波有很低阻抗，能消除3次谐波和中性线对地电压；它与负载并联连接，安装在配电柜内和竖井中；成本低；降低不平衡电流：N1000电抗器的特征；三次谐波在全部三相线路的每一相中；在电抗器的三条磁路每条磁路中，均有两相的一半线圈绕组；在每条磁路中的线圈绕组产生的磁道是相互抵消的；具有低的零序阻抗；对3、9、15等谐波有吸引力的交变通路。使用N1000前后效果的比较。负载是100台计算机没有其他任何负载情况下。6.4谐波校正补偿变压器：代表产品型号T1000为对3次序列3、9、15谐波进行校正，具有低的线圈阻抗；当使用T1000的两个单元用于平衡负载相移时，在初级线圈内能够校正5、7、17、19次谐波；与负载相串联连接。6.5减少回路的阻抗：由图5中所示。可以看出，由非线性负载引起的畸变的负载电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降。而合成的畸变电压波形加到与此同一电路上所接的全部其他负载上引起谐波电流在其上流过，即使这些负载是线性负载也是如此。因此，减少谐波危害的措施也可加大电缆截面积，以减少回路的阻抗。经过谐波治理后，用户得到什么利益呢例如，比尔盖茨的Inter公司，花费了大约20，000安装了POWERSMITHS公司的产品。该产品在系统工作了一年之后，这个实验室所有者表示有下列改善：6.5.1一个硬件驱动装置故障是原先未安装的80；6.5.2没有发生供电电源故障，仅是原先的10；6.5.3没有发生母排故障，仅是原先的20；6.5.4寻找神秘的死机情况减少了82的工程时间；因此，保守地计算总和的硬件损失，在这个实验室每年可节约超过20，000并且每年可节约工程时间1.25年来研究计算机神秘地死机问题：请注意，这里仅是一个实验室的统计资料。7.结论：抑制电网污染，提高电源质量，改善生存环境对于谐波问题，予先提出诊断，鉴别并检测有关电网的谐波含量，并且采取有效的予先防范措施，增强人们的环保意识，防患于未然，制定治理谐波的各种法律、法规，明确管理机构，实施严格的监控，推广与引进“环保电气产品”，将谐波抑制在源头，尤其我国即将加入WTO，更应充分利用技术壁垒这一合理的手段，来维护自身利益，以减少公用电网污染，保证公用电网的纯净度，提高电源质量，改善生存环境，为实现社会与国民经济的可持续稳定地发展，为国防建设的日益强大提供可靠的优质电源保证。ps：很多情况下我们为了检验系统的动态过程，常常在信号输入端加一个短暂的对系统影响不是很大的谐波源，再到线路中去寻找其走向，是常见的注入法解决问题的途径，所以正确的利用谐波会给我们的就工作带来帮助供电系统中的谐波 在供电系统中谐波电流的出现已经有许多年了。过去，谐波电流是由电气化铁路和工业的直流调速传动装置所用的，由交流变换为直流电的水银整流器所产生的。近年来，产生谐波的设备类型及数量均已剧增，并将继续增长。所以，我们必须很慎重地考虑谐波和它的不良影响，以及如何将不良影响减少到最小。 1谐波的产生 在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。 在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数，例如基频为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。因此畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波可能直到第三十次谐波组成。 2产生谐波的设备类型 所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：开关模式电源(SMPS)、电子荧火灯镇流器、调速传动装置、不间断电源(UPS)、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。 (1)开关模式电源(SMPS)： 大多数的现代电子设备都使用开关模式电源(SMPS)。它们和老式的设备不同，它们已将传统的降压器和整流器替换成由电源直接经可控制的整流器件去给存贮电容器充电，然后用一种和所需的输出电压及电流相适合的方法输出所需的直流电流。这对于设备制造厂的好处是使用器件的尺寸、价格及重量均可大幅度地降低，它的缺点是不管它是哪一种型号，它都不能从电源汲取连续的电流，而只能汲取脉冲电流。此脉冲电流含有大量的三次及高次谐波的分量。 (2)电子荧光灯镇流器： 电子荧光灯镇流器近年被大量采用。它的优点是在工作于高频时可显著提高灯管的效率，而其缺点是其逆变器在电源电流中产生谐波和电气噪声。使用带有功率因数校正的型号产品可减少谐波，但成本昂贵。 (3)直流调速传动装置： 直流电动机的调速控制器通常采用三相桥式整流电路，它也称作六脉冲桥式整流电路，因为在直流输出侧每周波内有六个脉冲(在每相的半波上有一个)。直流电动机的电感是有限的，故在直流电流中有300Hz的脉动波(即为供电频率的6倍)，这就改变了供电电流的波形。 (4)不间断电源(UPS)： 根据电能变换方式和由外部供电到内部供电所用转换方式的不同，UPS有许多不同的类型。主要的类型有：在线的UPS、离线的UPS和线路交互作用的UPS。由UPS供电的负荷总是电子信息设备，它们是非线性的并且含有大量的低次谐波。 (5)磁芯器件： 在有铁芯的电抗器上的励磁电流和磁通密度之间的关系总是非线性的。如果电流波形是正弦波(亦即电路中串联的电阻很大)那么磁场中会有高次谐波，这被认为是强迫磁化过程。如果施加在线圈上的电压是正弦波形(亦即串联的电阻很小)则磁通密度也将是正弦波形，而电流波形则含有高次谐波，这被认为是自由磁化过程。 3谐波引发的问题及解决措施 谐波电流在电源系统内以及装置内均会造成问题。但其影响和解决措施非常不一样，需要分别处理；适用于消除谐波在装置内不良影响的办法并不能减少谐波在电源系统内造成的畸变，反之亦然。 (1)装置内的谐波问题及解决措施： 有几个常见多发的问题是由谐波引起的：电压畸变、过零噪声、中性线过热、变压器过热、断路器的误动作等。 电压畸变：因为电源系统有内阻抗，所以谐波负荷电流将造成电压波形的谐波电压畸变(这是产生平顶波的根源)。此阻抗有两个组成部分：电源接口(PCC)以后的电气装置内部电缆线路的阻抗和PCC以前电源系统内的阻抗，用户处的供电变压器即是PCC的一例。 由非线性负荷引起的畸变负荷电流在电缆的阻抗上产生一个畸变的电压降。合成的畸变电压波形加到与此同一电路上所接的全部其他负荷上，引起谐波电流的流过，即使这些负荷是线性的负荷也是如此。 解决的办法是把产生谐波的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷的供电线路分开，线性负荷和非线性负荷从同一电源接口点开始由不同的电路馈电，使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。 过零噪声：许多电子控制器要检测电压的过零点，以确定负荷的接通时刻。这样做是为了在电压过零时接通感性负荷不致产生瞬态过电压，从而可减少电磁干扰(EMI)和半导体开关器件上的电压冲击。当在电源上有高次谐波或瞬态过电压时，在过零处电压的变化率就很高且难于判定从而导致误动作。实际上在每个半波里可有多个过零点。 中性线过热：在中性点直接接地的三相四线式供电系统中，当负荷产生3N次谐波电流时，中性线上将流过各相3N次谐波电流的和。如当时三相负荷不平衡时，中性线上流经的电流会更大。最近研究实验发现中性线电流会可能大于任何一相的相电流。造成中性线导线发热过高，增加了线路损耗，甚至会烧断导线。 现行的解决措施是增大三相四线式供电系统中中性线的导线截面积，最低要求要使用与相线等截面的导线。国际电工委员会(IEC)曾提议中性线导线的截面应为相线导线截面的200%。 变压器温升过高：接线为Yyn的变压器，其二次侧负荷产生3N次谐波电流时，其中性线上除有三相负荷不平衡电流总和外，还将流过3N次谐波电流的代数和，并将谐波电流通过变压器一次侧流入电网。解决上述问题最简单的办法是采用Dyn接线的变压器，使负荷产生的谐波电流在变压器形绕组中循环，而不致流入电网。 无论谐波电流流入电网与否，所有的谐波电流都会增加变压器的电能损耗，并增加了变压器的温升。 引起剩余电流断路器的误动作：剩余电流断路器(RCCB)是根据通过零序互感器的电流之和来动作的，如果电流之和大于额定的限值它就将脱扣切断电源。出现谐波时RCCB误动作有两个原因：第一，因为RCCB是一种机电器件，有时不能准确检测出高频分量的和，所以就会误跳闸。第二，由于有谐波电流的缘故，流过电路的电流会比计算所得或简单测得的值要大。大多数的便携式测量仪表并不能测出真实的电流均方根值而只是平均值，然后假设波形是纯正弦的，再乘一个校正系数而得出读数。在有谐波时，这样读出的结果可能比真实数值要低得多，而这就意味着脱扣器是被整定在一个十分低的数值上。 现在可以买到能检测电流均方根值的断路器，再加上真实的均方根值测量技术，校正脱扣器的整定值，便可保证供电的可靠性。 (2)影响供电电源的谐波问题及解决措施： 中华人民共和国电力法指出：用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序，供电营业规则中规定：用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点至正弦波畸变超过标准时，用户必须采取措施予以消除。 由畸变电流造成的电压畸变取决于电源阻抗。阻抗愈大则由同一电流畸变所造成的电压畸变就愈大。对于10次以下的谐波而言，供电网络通常是感性的，所以电源阻抗就和频率成正比，谐波次数越高，所造成的畸变就越大。通常不可能减小供电系统的阻抗，所以需要采用别的步骤来保证电压畸变不超过限度。可能的解决方法有：装用谐波滤波器、装用隔离变压器和装用有源的谐波调节器。 装用谐波滤波器：对于电动机控制器产生的谐波，谐波的形状很分明，可以用滤波器来降低谐波电流。对于六脉冲的控制器，滤波器可去掉20%的五次谐波以及全部的高次谐波，对基波影响甚微。为了避免增益顶峰靠近谐波，必须用解谐的滤波器，而且可能需装多个滤波器。在12脉冲桥路中最低次的谐波是11次的，此时情况比较简单。 装用隔离变压器：均衡的三次谐波电流传回到电源去的问题可以用一台Dyn接法的隔离变压器来削弱。使用这种变压器时，通常装设一个旁路的电路以避免在进行变压器的维护工作时长时期地对负荷停止供电。在这种情况下，应采用中性线有足够大的通用四芯馈线。在重要的配电系统中，有时把隔离变压器就地装在每一配电盘上，使3N次谐波电流与配电系统相隔离。隔离变压器要适当提高额定值，否则也会产生电压畸变和过热。 装用有源的谐波调节器：由变流器/逆变器产生的边频带和谐波不能很好地用普通的滤波器来滤除，这是因为边频带上的频率是随传动装置的速度而变化的，并且时常很接近于基波频率。目前有源滤波器日益推广应用，它在工作时主动地注入一个电流来精确地补偿由负荷产生的谐波电流，就会获得一个纯粹的正弦波。这种滤波设备的工作靠数字信号处理(DSP)技术来控制快速绝缘栅双极晶体管(IGBT)。因为设备是与供电系统并联工作的，它只控制谐波电流，基波电流并不流过该滤波器。如果所需过滤的谐波电流比滤波器的容量大的话，它只是简单地起限制作用而使波形得到部分的纠正。电网电能质量标准随着国民经济和科学技术的蓬勃发展，冶金、化学等现代化大工业和电气化铁路的发展，电网负荷加大，电力系统中的非线性负荷(硅整流设备、电解设备、电力机车)及冲击性、波动性负荷(电弧炉、轧钢机、电力机车运行)使得电网发生波形畸变(谐波)、电压波动、闪变、三相不平衡，非对称性(负序)和负荷波动性日趋严重。电能质量的下降严重地影响了供用电设备的安全、经济运行，降低了人民的生活质量。所以在世界各国都十分重视电能质量的管理。 衡量电能质量的主要指标是电网频率和电压质量。频率质量指标为频率允许偏差；电压质量指标包括允许电压偏差、允许波形畸变率(谐波)、三相电压允许不平衡度以及允许电压波动和闪变。国家技术监督局已公布了上述电能质量的五个国家标准。 我国电力法明确规定供电企业应当保证供给用户的供电质量符合国家标准，对公用供电设施引起的供电质量问题，应当及时处理，在供电营业规则中也明确规定用户的非线性负荷、冲击负荷、波动负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或对安全运行构成干扰和妨碍时，用户必须采取措施予以消除，如不采取措施或采取措施不力，达不到国家标准，供电企业可中止对其供电。在市场经济条件下，供电企业有依法向用户提供质量合格电能产品的责任，用户也有依法用电，不污染电网的义务。因此如何加强电能质量管理，提高电能质量，是市场经济条件下，电网建设管理中必须认真探讨的重要课题。 本文主要介绍电能质量的具体指标。 1电网频率 我国电力系统的标称频率为50Hz ，GBT15945-1995电能质量一电力系统频率允许偏差中规定：电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz，当系统容量较小时，偏差值可放宽到0.5Hz，标准中没有说明系统容量大小的界限。在全国供用电规则中规定供电局供电频率的允许偏差：电网容量在300万千瓦及以上者为0.2HZ；电网容量在300万千瓦以下者，为0.5HZ。实际运行中，从全国各大电力系统运行看都保持在不大于0.1HZ范围内。 2电压偏差 GBl232590电能质量一供电电压允许偏差中规定：35kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10；10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的土7；220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+710。 标准中供电电压为供电部门与用户产权分界处的电压或由供用电协议所规定的电能计量点的电压。 确定允许电压偏差是一个综合的技术经济问题，允许的电压偏差小，有利于用电设备的安全、经济运行，但为此要在电网中增添更多的无功电源和调压设备，需要更多的投入。反过来如果扩大用电设备对电压的适应范围，提高设备在这方面的性能，往往也要增加设备投资。综合国外标准和我国国情制定的供电电压允许偏差的国家标准，能满足绝大部分用电设备的运行要求。 3三相电压不平衡 GBT15543-1995电能质量一三相电压允许不平衡度中规定：电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2，短时不得超过4。标准还规定对每个用户电压不平衡度的一般限值为1.3。 但是国标规定的三相电压不平衡度的允许值及计算、测量和取值方法只适用于电力系统正常运行方式下在电网公共连接点由负序分量引起的电压不平衡。因此故障方式引起的不平衡(例如单相接地、两相短路故障等)和零序分量引起的不平衡均不在考虑之列。由于电网中较严重的不平衡往往是由于单相或三相不平衡负荷所引起的，因此标准衡量点选在电网的公共连接点，以便在保证其它用户正常用电的基础上，给干扰源用户以最大的限值。值得注意的是国标在确定三相电压不平衡度指标时用95概率作为衡量值。也就是说，标准中规定的正常电压不平衡度允许值2是在测量时间95内的限值，而剩余5时间可以超过2，过大的非正常值时间虽短，也会对电网和用电设备造成有害的干扰，特别是对有负序起动元件的快速动作的继电保护和自动装置，容易引起误动。因此标准中对最大的