谐波

来源

“谐波”一词起源于声学。

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。

定义

谐波 (harmonic wave)，从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。

谐波产生的原因主要有：由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。

泛音是物理学上的谐波，但次数的定义稍许有些不同，基波频率2倍的音频称之为一次泛音，基波频率3倍的音频称之为二次泛音，以此类推。

傅里叶级数

法国数学家傅里叶在1807年就写成关于热传导的基本论文《热的传播》，向巴黎科学院呈交，但经拉格朗日、拉普拉斯和勒让德审阅后被科学院拒绝，1811年又提交了经修改的论文，该文获科学院大奖，却未正式发表。傅里叶在论文中推导出著名的热传导方程 ，并在求解该方程时发现解函数可以由三角函数构成的级数形式表示，从而提出任一函数都可以展成三角函数的无穷级数。傅立叶级数（即三角级数）、傅立叶分析等理论均由此创始。

1822年，傅里叶出版了专著《热的解析理论》（Theorieanalytique de la Chaleur ，Didot ，Paris，1822）。这部经典著作将欧拉、伯努利等人在一些特殊情形下应用的三角级数方法发展成内容丰富的一般理论，三角级数后来就以傅立叶的名字命名。傅里叶应用三角级数求解热传导方程，为了处理无穷区域的热传导问题又导出了当前所称的“傅立叶积分”，这一切都极大地推动了偏微分方程边值问题的研究。然而傅立叶的工作意义远不止此，它迫使人们对函数概念作修正、推广，特别是引起了对不连续函数的探讨；三角级数收敛性问题更刺激了集合论的诞生。因此，《热的解析理论》影响了整个19世纪分析严格化的进程。傅里叶1822年成为科学院终身秘书。

根据傅里叶级数的原理，周期函数都可以展开为常数与一组具有共同周期的正弦函数和余弦函数之和。

满足Dirichlet条件的、以T为周期的时间的周期函数f(t)，在连续点处，可用下述的三角函数的线性组合（傅里叶级数） 来表示：

上式称为f(t)的傅里叶级数，其中，ω=2π/T。

n为整数，n>=0。

n为整数，n>=1。

在间断点处，下式成立：

a0/2为信号f(t)的直流分量。

令

c1为基波幅值，cn为n次谐波的幅值。c1有时也称一次谐波的幅值。a0/2有时也称0次谐波的幅值。

谐波的频率必然也等于基波的频率的整数倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推。不管几次谐波，他们都是正弦波。

原因

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(如：电阻)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。

用傅立叶分析原理，能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。

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。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，即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器会呈现比较大的背离正弦曲线波形。

谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19 …。n倍于电网频率。功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。

其他功率消耗装置，例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3 次谐波( 150 赫兹)。

在供电网络阻抗( 电阻) 下这样的非正弦曲线电流导致一个非正弦曲线的电压降。在供电网络阻抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流频率的供电网络阻抗Z的乘积。次数越高，谐波分量的振幅越低。

只要哪里有谐波源那里就有谐波产生。也有可能，谐波分量通过供电网络到达用户网络。例如，供电网络中一个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设备产生的谐波所干扰。

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)、电子荧光灯镇流器、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。

电网谐波来自于三个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波，其中用电设备产生的谐波最多。

1、电网与电源设备 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。 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的0.5%。

2、在用电设备中，下面一些设备都能产生谐波

（1）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，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脉冲整流器，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。

（2）

变频器输入输出波形图(3张) 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，随着变频调速的使用的增多，对电网造成的谐波也越来越多。右图为变频器的输入输出波形图，由图可知，变频器的输出电压谐波含量丰富，输入电流亦含有较大的谐波。

（3）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%。

（4）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。

（5）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。

我国为加强对谐波的监测，管理及治理，于1994年正式颁布了GB/T14549-93国家标准《电能质量--公用电网谐波》。为了配合国家电力公司《电网电能质量技术监督管理规定》和国家《公用电网谐波标准》的执行，各企业生产了许多电能质量监测仪等系列产品。这些产品可测量三相电压、三相电流的谐波、序分量、电压变动和闪变、电压偏差、功率因数、有功、无功、频率、暂态电压等参数，谐波可测量63次，仪器实时监测定时记录，记录结果可以存盘并打印，为用户提供丰富、完整的实测记录资料。产品广泛应用于变电站、风电场、钢铁企业及电气化铁路，产品通过相关认证，完全能够满足电网运行要求，实现对电网安全保驾护航。

谐波分析是信号处理的一种基本手段。在电力系统的谐波分析中，主要采用各种谐波分析仪分析电网电压、电流信号的谐波，该类仪表的谐波分析次数一般在40次以下。

谐波监控装置(2张) 对于变频器而言，其谐波分布与电网不同，电网谐波主要为低次谐波，而变频器的谐波主要为集中在载波频率整数倍附近的高次谐波，一般的谐波分析设备只能分析50次以下的谐波，不能测量变频器输出的高次谐波。对于PWM波，当载波频率固定时，谐波的频率范围相对固定，而所需分析的谐波次数，与基波频率密切相关，基波频率越低，需要分析的谐波次数越高。一般宜采用宽频带的，运算能力较强、存储容量较大的变频功率分析仪，根据需要，其谐波分析的次数可达数百甚至数千次。例如，当载波频率为2kHz，基波频率为50Hz时，其40次左右的谐波含量最大；当基波频率为5Hz时，其400次左右的谐波含量最大，需要分析的谐波次数一般至少应达到2000次。

同时，选择仪表的同时，还应选择合适带宽的传感器，因为传感器的带宽将限制进入二次仪表的信号的有效带宽。一般用选择宽频带的电压传感器和电流传感器，如：变频功率传感器。

谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。

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。

根据谐波频率的不同，可以分为：

奇次

额定频率为基波频率奇数倍的谐波，被称为“奇次谐波”，如3、5、7次谐波

偶次

额定频率为基波频率偶数倍的谐波，被称为“偶次谐波”，如2、4、6、8次谐波。

一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。

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。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等。

变频器主要产生5、7次谐波。

分数次

频率为基波非整数倍的分量称为间谐波（interharmonics），有时候也将低于基波的间谐波称为次谐波（sub-harmonics),次谐波可看成直流与工频之间的间谐波。详细请参考GB/T 24337--2009.

谐波电流

谐波电流是由设备或系统引入的非正弦特性电流。谐波电流叠加在主电源上

谐波电压

谐波电压是由谐波电流和配电系统上产生的阻抗导致的电压降

阻抗

阻抗是在特定频率下配电系统某一点产生的电阻。阻抗取决于变压器和连在系统上的用电设备，以及所采用导体的截面积和长度。

阻抗系数

阻抗系数是AF （载波）阻抗相对于50Hz （基波）阻抗的比率。

谐振

在配电系统里的设备，与它们存在的电容( 电缆，补偿电容器等) 和电感( 变压器，电抗线圈等) 形成共振电路。后者能够被系统谐波激励而成为谐振。配电系统谐波的一个原因是变压器铁芯非线性磁化的特性。在这种情况下主要的谐波是3 次的；它在全部导体内与单相分量具有相同的长度，因而在星形点上不能消除。

谐振频率

每个电感和电容的连接形成一个具有特定共振频率的谐振电路。一个网络有几个电感和电容就有几个谐振频率。

并联谐振频率

网络阻抗达到最大值的频率。在并联谐振电路中，电流分量I L 和I C 大于总电流I 。

串联谐振频率

网络的阻抗水平达到最小的频率。在串联谐振电路内分路电压U L 和U C 大于总电压U 。

串联谐振谐电路

由电感（电抗器）和电容（电容器）串联的电路。

无功功率

电动机和变压器的磁能部分，以及用于能量交换目的的功率转换器等处需要无功功率Q 。与有功功率不同，无功功率并不做功。计量无功功率的单位是Var 或 kvar 。

无功功率补偿

供电部门规定一个最小功率因数以避免电能浪费。如果一个工厂的功率因数小于这个最小值，它要为无功功率的部分付费。否则它就应该用电容器提高功率因数，这就必须在用电设备上并联安装电容器。

谐波的危害：

降低系统容量如变压器、断路器、电缆等

加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备

危害生产安全与稳定

浪费电能等。

理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的其他设备产生干扰。

在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还没有引起足够的重视。

近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。

谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：

加大企业的电力运行成本

由于谐波不经治理是无法自然消除的，因此大量谐波电压电流在电网中游荡并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热，从而加大了电力运行成本，增加了电费的支出。

降低了供电的可靠性

谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖，不仅导致变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加，而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加，所以变压器在严重的谐波负荷下将产生局部过热，噪声增大，从而加速绝缘老化，大大缩短了变压器、电动机的使用寿命，降低供电可靠性，极有可能在生产过程中造成断电的严重后果。

引发供电事故的发生

电网中含有大量的谐波源（变频或整流设备）以及电力电容器、变压器、电缆、电动机等负荷，这些电气设备处于经常的变动之中，极易构成串联或并联的谐振条件。当电网参数配合不利时，在一定的频率下，形成谐波振荡，产生过电压或过电流，危及电力系统的安全运行，如不加以治理极易引发输配电事故的发生。

导致设备无法正常工作

对旋转的发电机、电动机，由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中产生附加损耗，从而降低发输电及用电设备的效率，更为严重的是谐波振荡容易使汽轮发电机产生震荡力矩，可能引起机械共振，造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳循环，导致设备无法正常工作。

引发恶性事故

继电保护自动装置对于保证电网的安全运行具有十分重要的作用。但是，由于谐波的大量存在，易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动，特别在广泛应用的微机保护、综合自动化装置中表现突出，引起区域（厂内）电网瓦解，造成大面积停电等恶性事故。

导致线路短路

电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差，达不到正确指示及计量(计量仪表的误差主要反映在电能表上)。断路器开断谐波含量较高的电流时，断路器的遮断能力将大大降低，造成电弧重燃，发生短路，甚至断路器爆炸。

降低产品质量

由于谐振波的长期存在,电机等设备运行增大了振动， 使生产误差加大,降低产品的加工精度，降低产品质量。

影响通讯系统的正常工作

当输电线路与通讯线路平行或相距较近时，由于两者之间存在静电感应和电磁感应，形成电场耦合和磁场耦合，谐波分量将在通讯系统内产生声频干扰，从而降低信号的传输质量，破坏信号的正常传输，不仅影响通话的清晰度，严重时将威胁通讯设备及人身安全。

谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。

对电网的危害

(一)对电力电容器的影响

当配电系统非线性用电负荷比重较大，并联电容器组投入时，一方面由于电容器组的谐波阻抗小，注入电容器组的谐波电流大，使电容器过负荷而严重影响其使用寿命，另一方面当电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感抗相等而发生谐振时，引起电容器谐波电流严重放大使电容器过热而导致损坏。因此，电压谐波和电流谐波超标，都会使电容器的工作电流增大和出现异常，例如，对于常用自愈式并联电容器，其允许过电流倍数是1.3 倍额定电流，当电容器的电流超过这一限制时，将会造成电容器的损坏增加、发热异常、绝缘加速老化而导致使用寿命降低，甚至造成损坏事故。同时，谐波使工频正弦波形发生畸变，产生锯齿状尖顶波，易在绝缘介质中引发局部放电，长时间的局部放电也会加速绝缘介质的老化、自愈性能下降，而容易导致电容器损坏。

(二)对电力变压器的影响

1.谐波电流使变压器的铜耗增加，引起局部过热，振动，噪声增大，绕组附加发热等。

2.谐波电压引起的附加损耗使变压器的磁滞及涡流损耗增加，当系统运行电压偏高或三相不对称时，励磁电流中的谐波分量增加，绝缘材料承受的电气应力增大，影响绝缘的局部放电和介质增大。对三角形连接的绕组，零序性谐波在绕组内形成换流，使绕组温度升高。

3.变压器励磁电流中含谐波电流，引起合闸涌流中谐波电流过大，这种谐波电流在发生谐振时的条件下对变压器的安全运行将造成威胁。

(三)对电力避雷器的影响

变电站大容量、高电压的变压器由于合闸涌流的过程时间比较长，能够延续数秒或更长的时间，有时还会引起谐振过电压，并使相关避雷器的放电时间过长而受到损坏。这一问题对选择保护高压滤波器中电感或电容元件用的避雷器参数带来较大的困难。

(四)对输电线路的影响

1.谐波污染增加了输电线路的损耗。输电线路中的谐波电流加上集肤效应的影响，将产生附加损耗，使得输电线路损耗增加。特别是在电力系统三相不对称运行时，对中性点直接接地的供电系统线损的增加尤为显著。

2.谐波污染增大了中性线电流，引起中性点漂移。在低压配电网络中，零序电流和零序性的谐波电流(3次，6次、9次……)不仅会引起中性线电流大大增加，造成过负荷发热，使损耗增加，而且产生压降，引起零电位漂移，降低了供电的电能质量。

(五)对电力电缆的影响

谐波污染将会使电缆的介质损耗、输电损耗增大，泄漏电流上升，温升增大及干式电缆的局部放电增加，引发单相接地故障的可能性增加。

由于电力电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，在系统负荷低谷时，系统电压上升，谐波电压也相应升高。电缆的额定电压等级越高，谐波引起电缆介质不稳定的危险性越大，更容易发生故障。

(六)对继电保护及自动装置的影响

1.对继电保护及自动装置运行环境的影响

(1)在谐波严重超标的电弧炉负荷、电气化铁路等谐波含量大的局部电网中会受到影响。

(2)频繁出现变压器严重涌流且涌流衰减缓慢的变电站受到涌流产生谐波的干扰。

(3)在系统因短路容量太小而可能出现较大谐波电压影响的场所会受到影响。

(4)在易发生谐波谐振的配电系统、输电系统、变电站网架近会受到影响。

(5)在谐波受到电容器组或其他原因而被放大严重的网络附近会受到影响。

2.继电保护及自动装置利用的启动量小

利用负序电流或电压、零序电流或电压、差动电流或电压启动会受到谐波的影响。其中利用负序量启动的对谐波的敏感性最大。

3.继电器或启动元件本身对谐波敏感

(1)晶体管或集成电路保护装置的动作量非常小和动作时间非常少，因此它的启动判据容易受到谐波影响而出现较大的误差。

(2)利用信号过零取样的控制系统及利用数据过零点的数字式继电器或微机保护，都会受到谐波的影响和干扰。

(七)对继电保护整定的影响

继电保护正常运行中，当电源谐波分量较高时，可能会引起过电压保护、过电流保护的误动作。当三相严重不对称时，在正序性谐波或负序性谐波含量较高的情况下，可能对以负序滤过器为启动元件的保护装置产生干扰，而引起误动。如某地电气化铁路通车后，曾发生过由于牵引变电所注入系统大量的谐波和负序电流，引起供电系统电能质量指标严重恶化，多次造成发电机的负序电流保护误动，主变压器的过电流保护装置误动，线路的距离保护振荡闭锁装置误动，高频保护收发讯机误动，母线差动保护误动和故障录波器误动的事故。

微机保护装置的大规模使用，使信号中的谐波干扰既可能引起测量误差，又可能对装置关键处理模块的正常工作产生干扰，从而引起保护装置的误动或拒动。如上海宝钢就发生过因电弧炉产生谐波的影响，造成谐波电流对数字型差动保护产生干扰，使差动保护动作跳闸的事故。

(八)对电力系统其他运行设备的影响

1.对同步发电机的影响。用户的负序电流和谐波电流注入系统内的同步发电机，将产生附加损耗，引起发电机局部发热，降低绝缘强度。同时，由于输出的电压波形中产生附加谐波分量，使负载的同步发电机转子发生扭振，降低其工作寿命。

2.对断路器的影响。谐波会使某些断路器的磁吹线圈不能正常工作，断路器的遮断能力降低，不能遮断波形畸变率超过一定限值的故障电流，对中压断路器截断电感电流时可能发生谐频涌波电压和重燃现象，导致断路器触头烧损。

3.对消弧线圈的影响。当电网谐波成分较大时，发生单相接地故障，消弧线圈对谐波电流将可能不起作用，在接地点得不到的补偿，从而引发系统的故障扩大。

4.对载波通信的影响。高谐波含量对电力载波通信的干扰主要表现在语音通信过程中产生噪声，数据传输失真，降低EMS、DAS实时数据的真实可靠性，造成集中抄表系统中数据出错等故障。

(九)对电力用户的影响

用电设备对系统电源的污染会影响用电设备自身的可靠性。使用电能质量污染的电源，用电设备又可能成为新的污染源，而危害电力系统和其他用户设备。可能产生的影响包括：对用户电动机产生影响;对用户补偿电容器产生影响;对用户自动控制装置产生影响;对居民生活用电产生影响;对用电安全造成威胁。另外，还包括对电信通信造成影响，对广播、电视及精密制造工业造成干扰和影响，这类干扰和影响有些表现在差模干扰和共模干扰，差模干扰是工频及长线传输分布电容的相互干扰，共模干扰是引起回路对地电位发生变化的干扰，是造成微机控制单元工作不正常的主要原因。

(十)对用户电动机的运行影响

谐波电流通过交流电动机，使谐波附加损耗明显增加，引起电动机过热，机械振动和噪声增大。当三相电压不对称时，定子绕组上产生负序电流，并励磁产生负序旋转磁场，该制动磁场降低了电机的最大转矩和过载能力，增加铜损，并且负序过电流可以将电机定子绕组烧毁。负序性的谐波分量(5次、11次等)对电机的影响与负序电压的效果一样。当产生电压波动的主要低频分量与电机机械振动的固有频率一致时，诱发谐振，会使电动机造成损坏。

(十一)对用户补偿电容器的影响

电网无功配置容量中电容器所占比例最大，其中用户电容器约占全部电容器的2/3。这部分电容器的设计大多只考虑无功补偿量，不考虑装设点电能质量的实际污染情况，因此，运行点电能质量指标低时，常造成一些事故，如补偿装置投不上、电容器使用寿命降低、电容器保护熔丝熔断，甚至发生串并联谐振，引发电容器的谐波过电压与过电流，导致电容器爆炸等。另外，由于用户电容器的管理按平均功率因数进行考核，电容器很少按电网实际运行情况投切，甚至只投不切，无形中使电网电压失去了应有的调节裕度，使电压偏差等电能质量指标难以控制。

(十二)对用户自动控制装置的影响

随着数字控制技术的大规模使用，很多精密负载对受电电能质量指标提出了更高的要求。电能质量污染对这类设备的危害主要有三个方面，即在设备的检测模块中引入畸变量、干扰正常的分析计算、导致错误的输出结果。另外还会对设备的硬件，如精密电机、开关电源等造成不可逆转的损坏。干扰负载的保护回路，造成误动作等。

谐波治理的方法无外乎有三种，无源滤波、有源滤波、无功补偿。下面就谈谈这二种方法的优缺点以及市场前景及其经济效益的分析。

无源滤波

无源滤波器主要是由电感器与电容器构成。无源滤波装置的成本较低，经济，简便，因此获得广泛应用。无源滤波器可以分为并联滤波器与串联滤波器。

无源并联滤波器

现有的谐波滤除装置大都使用无源并联滤波器，对每一种频率的谐波需要使用一组滤波器，通常需要使用多组滤波器用以滤除不同频率的谐波。多组滤波器的使用造成结构复杂，成本增高，并且由于通常的系统中含有无限多种频率的谐波成分，因此无法将谐波全部滤除。不仅如此，由于并联滤波器对谐波的阻抗很低，通常会使谐波源产生更大的谐波电流，谐振在不同频率的滤波器还会互相干扰，例如7次谐波滤波器就可能会放大5次谐波。因此，如果有人将并联滤波器安装前后的谐波情况做过对比，就会发现：虽然滤波器安装以后影响系统的谐波电流减小，但是各滤波器中以及进入系统的谐波电流之和远远超过未安装滤波器之前，谐波源产生的谐波电流也超过未安装滤波器之前。

从广义的角度来讲，频率不等于工频频率的成分统统都是谐波。因此，工频是单一频率，而谐波有无限多种频率，可见谐波具有无限的复杂性，使用并联滤波器的方法显然无法对付无限频率成分的谐波。

无源串联滤波器

由电感与电容串联构成的LC串联滤波器，具有一个阻抗很低的串联谐振点，如果我们构造一个串联谐振点为工频频率的串联滤波器，并将其串联在线路中，就可以滤掉所有的谐波。这就是本文介绍的串联滤波器，串联滤波器由电感和电容串联而成，并且串联连接在电源与负荷之间，因此串联滤波器的“串联”二字具有双重意思：一个意思表示电感与电容串联，另一个意思表示串联在电路中使用。

在三相电路中均接入串联滤波器，由于串联带通滤波器对基波电流的阻抗很小，而对谐波电流的阻抗很大，于是只用一组滤波器就可以滤除所有频率的谐波。

串联滤波器对于谐振点频率的电流具有极低的阻抗，对于偏离谐振点频率的电流，则阻抗增大，偏离的越多，阻抗越大。对于比谐振点频率高的电流成分，电感的阻抗为主，对于比谐振点频率低的电流成分，电容的阻抗为主。由于谐波成分通常比基波频率高，因此滤除谐波的工作主要由电感完成，电容的作用是抵消电感对工频基波的阻抗。

由于滤除谐波的作用主要由电感完成，因此电感量越大滤除谐波的效果越好。但是电感量越大则价格越高，损耗越大，因此从成本及损耗上去考虑问题则希望电感量越小越好。当电感的基波感抗小于负荷等效基波阻抗的50%时，不能实现良好的滤波效果（负荷等效基波阻抗就是负荷相电压有效值与相电流有效值的比值）。因此电感的基波感抗必须大于负荷等效基波阻抗的50%。

对于电容器的选择与电感的选择情况不同，电感的匝数可以随意设计，而电容器的耐压只有固定的若干等级，不能随意设计。比如在低压配电系统中，就只有耐压230V与400V的电力电容器可供选择。由于电容器串联在电路中，电容器中的电流即为负荷电流，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器中流过的电流等于电容器的额定电流，电容器得到充分的利用，因此，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器的成本最低。

实际的串联滤波器成本主要由电感与电容器的成本构成。串联谐振的电感与电容对基波的阻抗相等并且电流相同，因此电感与电容的基波工作电压相同。前面已经说明，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器的成本最低，因此电感的实际工作电压应该等于电容器的额定电压。电容器的额定电压等级大都与电网电压相当，如果电感的实际工作电压等于电容器的额定电压，相当于电感阻抗与负荷阻抗相当，可以取得最好的性能价格比。在这个基础上，如果提高电感的感抗，虽然滤波效果可以提高但提高不多，电感的成本增加，电容器需要串联，成本急剧增加，性能价格比下降，因此电感的基波感抗大于负荷等效基波阻抗的200%没有实际意义，如果降低电感的感抗，则滤波效果下降，电感的成本降低，电容器的容量增加因此成本增加，性能价格比也下降。为了获得足够的可靠性，电感与电容器的实际工作电压应略低于电容器的额定电压。

当谐波电流由外网窜入而影响内网负荷设备的正常运行时，在电源与负荷设备之间接入串联滤波器就可以阻挡谐波保证负荷设备的正常运行。

当谐波由内网设备产生而影响系统时，产生谐波的设备即为谐波源，在谐波源与电源之间接入串联滤波器就可以使谐波源产生的谐波电流大幅度减小。这里需要注意：串联滤波器使谐波源自身产生的谐波电流减小，相当于使污染源产生的污染减小，是治本的手段。而并联滤波器并不能减小谐波源产生的谐波，而是为谐波电流提供一个低阻抗的通道，避免谐波电流污染系统，相当于先污染再治理的方式，是治标的手段。

当串联滤波器连接在电源与谐波源之间时，谐波源的输入电压波形会发生严重畸变，正时这种电压波形的畸变使得谐波源的电流接近正弦波。这种输入电压波形畸变可能会影响谐波源控制电路的正常运行，如果出现控制电路不能正常运行的情况，应该将控制电路的电源改接至串联滤波器的前端。

有源滤波

有源谐波滤除装置是在无源滤波装置的基础上发展起来的。

有源滤波装置的优点

有源滤波装置能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。

有源滤波装置的缺点

有源滤波装置由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，成本极高，其制作也较之无源滤波装置复杂得多，成本也就高得多了。

有源滤波装置的原理

有源滤波装置主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。

有源滤波装置的适用场合

有源滤波器主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统，尤其是写字楼的供电系统，工厂的计算机控制供电系统。

有源滤波装置的现状

对单台的有源滤波装置而言，其利润是可观的，但用户一般不愿意用有源滤波，对于谐波的含量，不必滤得太干净，只要不危害其他用电器也就可以了。

无功补偿

人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举的。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得公认的无功功率定义。但是，对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要性的认识，却是一致的。无功补偿应包含对基波无功功率补偿和对谐波无功功率的补偿。

谐波和无功功率的产生

在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。

电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，所以基本不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率。

近30年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。常用的整流电路大多采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严惩的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数很低。另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。

无功补偿概述

无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。因此，粗略地说，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。

不仅大多数网络元件消耗有功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。

网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。

无功功率的影响

8.3.3.1、无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。

8.3.3.2、无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。

8.3.3.3、使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。

无功补偿的作用

无功补偿的作用主要有以下几点：

8.3.4.1、提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。

8.3.4.2、稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。

8.3.4.3、在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。

为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

治理标准

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。

GB/T 14549—93 《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，其规定公用电网谐波电压（相电压）限值。

滤波器及其种类

常用的滤波器，大致分为以下七种类型：

单调谐波滤波器

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

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

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

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

三阶高通滤波器一般用电弧炉滤波

“C”式高通滤波器

“C”式高通滤波器，用于电弧炉滤波，对二次谐波特别有效。

无源滤波器

装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。

无源滤波器也称为LC滤波器，可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器，实际应用中常采用几组单调谐滤波器和几组高通滤波器组成一个滤波装置，单调谐滤波器也叫单调谐滤波回路，其主要由控制器、电容器、电抗器和投切开关以及其控制回路和保护回路组成。

无论高压和低压，都是一样的。由于单调谐滤波器使用的元件少，成本也较低，因此，极为受欢迎，应用也就较广泛了。

低压LC滤波器的主要电压等级为400V、660V、1000V几种，这主要视用户的电压等级不同而不同。

高压滤波一般是指6KV、10 KV、35 KV电压等级而言，一般而言，主要滤波在6 KV、10 KV系统。

高压滤波器和低压滤波器的区别，主要是使用的元器件的耐压不同，其所承受的电流也不同，要求的安全距离也就不同了，其设计和制造的难易程度也就有极大的区别了。

滤除的电流大小也要视所要滤除谐波的系统的谐波电流大小而定。

滤除谐波的多少视每一个工程的实际情况而不同，一般为系统原含有谐波量的20%~50%不等。也可视工程的具体情况，多设几组滤波器，滤波效果达到原有谐波含量的70%以上，但这要在保护回路上多下功夫，其保护回路也就相对复杂一点了。

总之，滤波的最后结果是要使系统的谐波含量满足国家标准的要求或用户对谐波的要求为止。我们知道，电容器对无功功率进行补偿，我们在滤波回路当中也使用了电容器，它在谐波频率上的作用是滤波，但在基波频率上的作用则是无功补偿，因此，滤波电容器在基波频率上是起到无功补偿的作用的。

低压补偿滤波装置

低压滤波补偿装置的设计，要遵循国家的相关规定。一般而言，低压滤波补偿装置采用柜式安装。滤波装置的设计和效果的评估，主要是看效果是否真正滤除了谐波，是否遵循了国家关于谐波的标准。每一个柜壳可以安装2~5路不等，视具体情况而定。

9.4、高压滤波补偿装置

高压滤波补偿装置可以采用柜式安装，也可以采用框架式安装。用滤波电容器、滤波电抗器组成LC单调谐滤波回路，针对某次谐波进行滤除，电抗器可以是铁心的，视应用的功率大小，电抗器还可以使用空心电抗器。因是高压，必须满足国家对于高压装置的相关规定．

电容器

MKP 和MPP 技术之间的区别在于电力电容器在补偿系统中的连接方式。

MKP( MKK ，MKF) 电容器

技术是在聚丙烯薄膜上直接镀金属。其尺寸小于用MPP 技术的电容器。因为对生产过程较低的要求，其制造和原料成本比MPP 技术要相对地低很多。MKP 是最普遍的电容器技术，并且由于小型化设计和电介质的能力，它具有更多的优点。

MPP( MKV) 电容器

MPP 技术是用两面镀金属的纸板作为电极，用聚丙烯薄膜作为介质。这使得它的尺寸大于采用MKP 技术的电容器。生产是非常高精密的，因为必须采用真空干燥技术从电容器绕组中除去全部残余水分而且空腔内必须填注绝缘油。这项技术的主要优势是它对高温的耐受性能。

自愈

两种类型的电容器都是自愈式的。在自愈的过程中电容器储存的能量在故障穿孔点会产生一个小电弧。电弧会蒸发穿孔点临近位置的细小金属，这样恢复介质的充分隔离。电容器的有效面积在自愈过程中不会有任何实际程度的减少。每只电容都装有一个过压分断装置以保护电气或热过载。测试是符合VDE 560 和IEC 70 以及70A 标准的。

电容器的发展

直到大约1978年，制造电力电容器仍然使用包含PCB的介质注入技术。后来人们发现，PCB 是有毒的，这种有毒的气体在燃烧时会释放出来。这些电容器不再被允许使用并且必须处理，它们必须被送到处理特殊废料的焚化装置里或者深埋到安全的地方。

包含PCB 的电容器有大约30 W/kvar的功率损耗值。电容器本身由镀金属纸板做成。

由于这种电容被禁止使用，一种新的电容技术被开发出来。为了满足节能趋势的要求，发展低功耗电容器成为努力的目标。

新的电容器是用干燥工艺或是用充入少量油( 植物油)的技术来生产的，用镀金属塑料薄膜代替镀金属纸板，充分显示出了其环保的特性，并且功耗仅为0.3 W/kvar。这表明改进后使功耗降至原来的1/100。这些电容器是根据常规电网条件而开发的。在能源危机的过程中，人们开始相控技术的研究。相位控制的结果是导致电网的污染和产生新的故障。

由于前一代电容器存在一个很高的自电感，高频的电流和电压(谐波) 不能被吸收，而新的电容器则会更多地吸收谐波。

因此存在这种可能，即，新、旧电容器工作在相同的母线上时会表现出运行状况和寿命预期的很大差异， 由于上述原因有可能新电容器将在更短的时间内损坏。

电网条件已经发生急剧的变化，选择正确的电容器技术越来越重要。 电容器的使用寿命会受到如下因素的影响而缩短：

9.5.4.1、谐波负载

9.5.4.2、较高的电网电压

9.5.4.3、高的环境温度

我们配电系统中的谐波负载在持续增长。在可预知的将来，可能只有组合电抗类型的补偿系统会适合使用。

很多供电公司已经规定只能安装带电抗的补偿系统。其它公司必须遵循他们的规定。

如果一个用户决定继续使用无电抗的补偿系统，他起码应该选用更高额定电压的电容器。这种电容器能够耐受较高的谐波负载，但是不能避免谐振事故。

功率因数补偿系统

电力电子装置的应用场合

今天，许多生产过程中没有电力电子装置是不可想象的。至少以下用电设备在每个工厂都得到了应用：

9.6.1.1、照明控制系统（亮度调节）

9.6.1.2、开关电源（计算机，电视机）

9.6.1.3、电动机调速设备

9.6.1.4、自感饱和铁芯

9.6.1.5、不间断电源

9.6.1.6、整流器

9.6.1.7、电焊设备

9.6.1.8、电弧炉

9.6.1.9、机床（CNC）

9.6.1.10、电子控制机构

9.6.1.11、EDM机械

所有这些非线性用电设备产生谐波，它可导致配电系统本身或联接在该系统上的设备故障。

仅考虑导致设备故障的根源就在发生故障现象的用电工厂内可能是错误的。故障也可能是由于相邻工厂产生的谐波影响到公用配电网络而产生的。

在您安装一套功率因数补偿系统之前，如下工作是非常重要的：对配电系统进行测试以确定什么样的系统结构对您是合适的。

可调谐的滤波电路和组合滤波器已经是众所周知的针对谐波问题的解决方案。另外的方法就是使用动态有源滤波器。

9.6.2、基本术语

9.6.2.1、载波(AF)

是附加在电网电压上的一个高频信号，用于控制路灯、 HT/NT 转换系统和夜间储能加热器。

9.6.2.2、载波 (AF) 检出电路

由一个初级扼流线圈和一个并联谐振电路（次级扼流线圈和电容）并联组成的元件。AF 锁相电路用于检出供电部门加载的AF 信号。

9.6.2.3、电抗

在电容器回路串联扼流线圈。

9.6.2.4、电抗系数

扼流线圈的电感X L 相对于电容电感X C 的百分比。

标准的电抗系数是：例如5.5% 、7% 和14% 。

9.6.3、组合滤波器

两个不同电抗系数回路并联以检出杂波信号，用于低成本地清洁电网质量。 Cos Φ功率因数代表了电流和电压之间的相位差。电感性的和电容性的 cosΦ说明了电源的质量特性。用 cosΦ可以表述电网中的无功功率分量。

9.6.4、傅立叶分析

通过傅立叶分析使得将非正弦函数分解为它的谐波分量成为可能。在正弦频率ω 0 上的波形已知为基波分量。在频率 n ×ω 0 上的波形被称为谐波分量。

9.6.5、谐波吸收器，调谐的

由一个扼流线圈和一个电容器串联组成的谐振电路并调谐为对谐波电流具有极小的阻抗。该调谐的谐振电路用于精确地清除配电网络中的主要谐波成分。

9.6.6、谐波吸收器，非调谐的

由一个扼流线圈和一个电容器串联组成的谐振电路并调谐为低于最低次谐波的频率以防止谐振。

傅立叶级数

傅立叶变换

三角函数

方波

低通滤波器

振荡器

RLC电路