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摘 要：电力系统中，大量的非线性负荷接入引起电网谐波“污染”，威胁电网安全可靠运行。从现场实际出发，介绍谐波对电力系统的影响，提出消除或抑制谐波的措施。
关键词：电力系统 谐波治理 电能质量
1、谐波的产生
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。谐波实际上是一种干扰量，使电力系统受到“污染”。电力系统谐波来自于3个方面：
1.1 发电电源质量不高产生谐波。由于发电机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等其他一些原因，发电电源多少会产生一些谐波，但一般来说很少。
1.2 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。
1.3 用电设备产生的谐波。晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在中频炉、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。经统计由整流装置产生的谐波占所有谐波“污染”的近40%，这是最大的谐波源。
2、谐波的危害
2.1 对电力系统安全、经济运行的影响
2.1.1 影响线路的稳定运行
电力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，用于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谐波总畸变率高于10%时会发生继电保护误动作，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。
2.1.2 影响电能质量
电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。在厂矿企业中主要是非线性负荷产生的5、7、11、13次谐波，对附近的用电设备造成危害，使其烧毁或不能正常使用；在民用配电系统中主要是3次谐波污染，造成功率损耗增加、设备寿命下降、接地保护功能与遥控功能失常等情况发生。
2.1.3 增大线路损耗
谐波电流在电力系统中会产生有功功率损耗，它构成电网损耗的一部分，提高了供配电线路的线损率，对电网的经济运行很不利。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。在供应电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。
2.2 对电力设备的影响
2.2.1 对电力电容器的危害
当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增高，通过电容器的电流变大，使电容器损耗功率增加。对于无功补偿电容器，如果谐波含量较高，超出电容器允许条件范围，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过正常值，并在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器运行在电压已经畸变的电网中时，还会使电网的谐波加剧，即产生谐波放大现象。另外，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。
2.2.2 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。铁耗增大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。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，有时还发出金属声。
2.3 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。
2.4 对电动机的危害
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、磁滞、涡流等随着频率的增高而使旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在电力系统中，用户的电动机负荷约占总负荷的85%左右，因此，谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。
2.5 对低压开关设备的危害
对于配电用断路器来说可能因谐波产生误动作。漏电保护装置由于谐波泄漏电流的作用，可能使装置异常发热，出现误动作或不动作。
2.6 对通讯系统的危害
电力线路上流过的3、5、7、11次等幅值较大的奇次低频谐波电流，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，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。
2.7 对用电设备的影响
谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，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。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏；谐波使白炽灯亮度变而烧毁。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。
2.8 影响电能计量的准确性
由于电能计量装置都是按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。
2.9 谐波对人体的影响
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。 3、消除或抑制谐波的措施
消除或抑制谐波对电力系统影响的最理想方法是使用没有高次谐波的设备，但是，要生产不发生高次谐波的整流器、变频机等设备是非常困难的，作为现实的消除或抑制谐波电流流入电网的措施，有以下几种：
3.1 减少高次谐波源的发生量
3.1.1 电力变换装置增加脉冲数
对于一个有大量三相6脉动整流负荷（如：中频炉、变频机等）的企业或供电区域，如使用多台10kV配变，不要都选用同一种连接组标号，最好一半为Y，yn0，另一半为D，Yn11连接组标号，以适当抵消部分流入10kV电网的5、7次谐波电流，使用一对不同的连接组标号相当于12相整流，但低压母线不能合环运行。
3.1.2 在整流装置的交流输入侧加装电抗器或增大电感量
整流装置产生的高次谐波，除了采取多相整流外，还可采用在整流装置的交流输入侧加电抗器及增大电感量。在整流装置的交流侧增加电抗器的电感量，可明显降低流入电网的高次谐波电流量。从下图明显可知，增大电抗，高次谐波含有率就大幅度下降。（如图1）
3.1.3 增大直流电抗器的电感量
增大直流电抗器电感量能有效降低中频炉的谐波电流，特别是谐波中的高次成分。
3.1.4 用周波通断控制可控硅替代移相触发
一些恒温控制设备的自动控制中用过零触发与周波通断控制（控制单位时间内的导通与断开的周波数）可控硅替代移相触发，克服了现有移相触发可控硅技术有产生大量谐波的弊病。
3.2 增大电力系统的短路容量
增大电力系统的短路容量是降低高次谐波对电网影响非常有效的措施之一。
3.3 提高供电电压
在相同负荷情况下，负荷电流随电压的提高而减少，这可使公用电网的高次谐波的电压下降。同时供电电压越高，相对来讲，系统的短路容量也更大。
3.4 改变用户电气设备的配置
有的企业在普通电容补偿装置不投运时，所产生的谐波污染没有超标，但投运电容补偿装置后造成谐波放大，使谐波污染超标。这是选用无功补偿电容柜不当产生并联谐振、造成了谐波电流放大。对此类情况，只要在每台电容器中加串联电抗器，5-7%、13-14%电抗器，可有效防止谐波放大、有效吸收大部分谐波电流，而且价格比调谐滤波器便宜，这是一个在技术上、经济上可行的有效方法。
3.5 安装滤波装置
目前使用的滤波装置有三种类型：无源型滤波装置；有源型滤波装置；无源与有源型滤波的混合型滤波装置。有源型滤波装置其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。但有源电力滤波装置存在成本高的缺点，广泛的推广较为困难。
有源型电力滤波装置（APF）经多年的使用发展后，产生了与无源型谐波装置混合使用方式。其基本思想是利用无源型谐波装置来分担有源电力滤波型的部分补偿任务。由于无源型谐波装置比之有源电力滤波器有结构简单、易实现且成本低的优点，而有源电力滤波装置则有补偿性能好的优点，两者结合使用时，既可克服有源电力滤波装置容量大、成本高的缺点，又可使整个系统获得良好的性能。
4、结束语
谐波治理是一个系统工程，他不仅能改善电网的供电质量，对附近的其他用电企业、居民带来好处，同时给自身企业也带来经济利益。对于一个安全、可靠的电力系统，特别是要从客户端开始，在设计和采购用电设备时就考虑对谐波的治理，争取用较少的费用使谐波治理达到国标要求或较好的效果。
关键词：电力系统 谐波治理 电能质量
1、谐波的产生
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。谐波实际上是一种干扰量，使电力系统受到“污染”。电力系统谐波来自于3个方面：
1.1 发电电源质量不高产生谐波。由于发电机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等其他一些原因，发电电源多少会产生一些谐波，但一般来说很少。
1.2 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。
1.3 用电设备产生的谐波。晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在中频炉、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。经统计由整流装置产生的谐波占所有谐波“污染”的近40%，这是最大的谐波源。
2、谐波的危害
2.1 对电力系统安全、经济运行的影响
2.1.1 影响线路的稳定运行
电力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，用于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谐波总畸变率高于10%时会发生继电保护误动作，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。
2.1.2 影响电能质量
电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。在厂矿企业中主要是非线性负荷产生的5、7、11、13次谐波，对附近的用电设备造成危害，使其烧毁或不能正常使用；在民用配电系统中主要是3次谐波污染，造成功率损耗增加、设备寿命下降、接地保护功能与遥控功能失常等情况发生。
2.1.3 增大线路损耗
谐波电流在电力系统中会产生有功功率损耗，它构成电网损耗的一部分，提高了供配电线路的线损率，对电网的经济运行很不利。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。在供应电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。
2.2 对电力设备的影响
2.2.1 对电力电容器的危害
当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增高，通过电容器的电流变大，使电容器损耗功率增加。对于无功补偿电容器，如果谐波含量较高，超出电容器允许条件范围，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过正常值，并在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器运行在电压已经畸变的电网中时，还会使电网的谐波加剧，即产生谐波放大现象。另外，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。
2.2.2 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。铁耗增大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。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，有时还发出金属声。
2.3 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。
2.4 对电动机的危害
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、磁滞、涡流等随着频率的增高而使旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在电力系统中，用户的电动机负荷约占总负荷的85%左右，因此，谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。
2.5 对低压开关设备的危害
对于配电用断路器来说可能因谐波产生误动作。漏电保护装置由于谐波泄漏电流的作用，可能使装置异常发热，出现误动作或不动作。
2.6 对通讯系统的危害
电力线路上流过的3、5、7、11次等幅值较大的奇次低频谐波电流，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，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。
2.7 对用电设备的影响
谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，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。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏；谐波使白炽灯亮度变而烧毁。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。
2.8 影响电能计量的准确性
由于电能计量装置都是按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。
2.9 谐波对人体的影响
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。 3、消除或抑制谐波的措施
消除或抑制谐波对电力系统影响的最理想方法是使用没有高次谐波的设备，但是，要生产不发生高次谐波的整流器、变频机等设备是非常困难的，作为现实的消除或抑制谐波电流流入电网的措施，有以下几种：
3.1 减少高次谐波源的发生量
3.1.1 电力变换装置增加脉冲数
对于一个有大量三相6脉动整流负荷（如：中频炉、变频机等）的企业或供电区域，如使用多台10kV配变，不要都选用同一种连接组标号，最好一半为Y，yn0，另一半为D，Yn11连接组标号，以适当抵消部分流入10kV电网的5、7次谐波电流，使用一对不同的连接组标号相当于12相整流，但低压母线不能合环运行。
3.1.2 在整流装置的交流输入侧加装电抗器或增大电感量
整流装置产生的高次谐波，除了采取多相整流外，还可采用在整流装置的交流输入侧加电抗器及增大电感量。在整流装置的交流侧增加电抗器的电感量，可明显降低流入电网的高次谐波电流量。从下图明显可知，增大电抗，高次谐波含有率就大幅度下降。（如图1）
3.1.3 增大直流电抗器的电感量
增大直流电抗器电感量能有效降低中频炉的谐波电流，特别是谐波中的高次成分。
3.1.4 用周波通断控制可控硅替代移相触发
一些恒温控制设备的自动控制中用过零触发与周波通断控制（控制单位时间内的导通与断开的周波数）可控硅替代移相触发，克服了现有移相触发可控硅技术有产生大量谐波的弊病。
3.2 增大电力系统的短路容量
增大电力系统的短路容量是降低高次谐波对电网影响非常有效的措施之一。
3.3 提高供电电压
在相同负荷情况下，负荷电流随电压的提高而减少，这可使公用电网的高次谐波的电压下降。同时供电电压越高，相对来讲，系统的短路容量也更大。
3.4 改变用户电气设备的配置
有的企业在普通电容补偿装置不投运时，所产生的谐波污染没有超标，但投运电容补偿装置后造成谐波放大，使谐波污染超标。这是选用无功补偿电容柜不当产生并联谐振、造成了谐波电流放大。对此类情况，只要在每台电容器中加串联电抗器，5-7%、13-14%电抗器，可有效防止谐波放大、有效吸收大部分谐波电流，而且价格比调谐滤波器便宜，这是一个在技术上、经济上可行的有效方法。
3.5 安装滤波装置
目前使用的滤波装置有三种类型：无源型滤波装置；有源型滤波装置；无源与有源型滤波的混合型滤波装置。有源型滤波装置其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。但有源电力滤波装置存在成本高的缺点，广泛的推广较为困难。
有源型电力滤波装置（APF）经多年的使用发展后，产生了与无源型谐波装置混合使用方式。其基本思想是利用无源型谐波装置来分担有源电力滤波型的部分补偿任务。由于无源型谐波装置比之有源电力滤波器有结构简单、易实现且成本低的优点，而有源电力滤波装置则有补偿性能好的优点，两者结合使用时，既可克服有源电力滤波装置容量大、成本高的缺点，又可使整个系统获得良好的性能。
4、结束语
谐波治理是一个系统工程，他不仅能改善电网的供电质量，对附近的其他用电企业、居民带来好处，同时给自身企业也带来经济利益。对于一个安全、可靠的电力系统，特别是要从客户端开始，在设计和采购用电设备时就考虑对谐波的治理，争取用较少的费用使谐波治理达到国标要求或较好的效果。