什么是谐波？谐波的危害

一、什么是谐波？

        “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。

        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。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。谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐波则是150Hz。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。

        谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波。

        频率为50Hz的正弦波波形，称基波，50Hz称基波频率。谐波为一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率整数倍。谐波用基波倍数表示，例如频率为150Hz的正弦波称为3次谐波、频率为250Hz的正弦波称为5次谐波、频率为350Hz的正弦波称为7次谐波，依次类推。

二、谐波的产生

• 电网谐波主要由发电设备(电源端)、输配电设备以及电力系统非线性负载等三个方面引起的：

2.1 电源端产生的谐波

发电机的三相绕组在制作上很难做到绝对对称，由于制作工艺影响，其铁心也很难做到绝对的均匀一致，加上发电机的稳定性等其他一些原因，会产生一些谐波，但一般来说相对较少。

2.2 输配电过程产生的谐波

电力变压器是输配电过程中主要的谐波来源，由于变压器的设计需要考虑经济性，其铁心的磁化曲线处于非线性的饱和状态，使得工作时的磁化电流为尖顶型的波形，因而产生奇次谐波。 较高的变压器铁心饱和程度使得其工作点偏离了线性曲线，产生了较大的谐波电流，其奇次谐波电流的比例可以达到变压器额定电流的0.5%以上。

2.3 电力设备产生的谐波

(1)整流晶闸管设备。由于整流晶闸管广泛应用在开关电源、机电控制、充电装置等许多方面，给电网带来了相当多的谐波。据统计，由整流设备引起的谐波将近达到全部谐波的40%，是谐波的一个主要来源。

 (2)变频设备。电动机、电梯、水泵、风机等机电设备中常用的变频设备，因为大部分是相位控制，其谐波成分比较复杂，除了整数次的谐波成分外，还含有一定分数次的谐波成分，变频设备的功率一般较大，其广泛应用对电网造成的谐波也越来越多。

(3)气体放电类电光源。气体放电类电光源如高压钠灯、高压汞灯、荧光灯以及金属卤化物灯等，其伏安特性的非线性相当严重，有的电光源还具有负伏安特性，这些都会给输电网带来奇次谐波成分。

(4)家用电器设备。在空调器、冰箱、洗衣机、电风扇等含有绕组的用电设备中，由于不平衡电流的变化也能使电源波形发生改变。另外，计算机、电视机、温控炊具、调光灯具等，因其具有一定的调压整流功能，也会产生高次的奇次谐波成分。

(5)其他用电设备。主要非线性负载有UPS、开关电源、整答流器、变频器、逆变器等。

三、谐波的危害

        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，也对周围的能耐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。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。

（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。

（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

（5）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。

四、 谐波研究的意义

        谐波研究的意义先是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、输送和利用的效率降低，是电气设备发热，产生噪声和振动，并使得绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生烧毁。谐波会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，使得电能计量出现混乱，造成直接经济损失。

        谐波研究的意义还在于其对电力电子技术自身发展的影响，电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的障碍，它迫使研究人员必须对谐波的治理进行更为有效的研究。

        谐波研究的意义还在于它是治理环境污染，维护绿色环境。对电力系统的供电网络而言，无谐波就是“绿色”的主要标志。