摘要：經濟的飛速發展帶來供電緊張，為解決供電緊張，一方面要建設許多新的電廠和輸電線路，另一方面要高效利用現有的電力資源，減少電力損耗。諧波是導致電力損耗增加，供電質量下降的重要因素。過去，諧波電流是由電氣化鐵路和工業的直流調速傳動裝置所用的，由交流變換為直流電的水銀整流器所產生的。近年來，產生諧波的設備類型及數量均已劇增，并將繼續增長。電力系統中諧波對供配電線路、對電力設備的危害都是相當嚴重的。所以，我們必須很慎重地考慮諧波和它的不良影響，以及如何將不良影響減少到最小。本文分析諧波基本性質和測量方法，對配網中諧波的來源和危害進行了詳細說明，總結和提出了治理諧波的若干方法。

　　關鍵字：電力系統 電能質量 諧波電流 諧波危害 諧波治理

　　Abstract: the rapid development of economy brings power supply nervous, to solve the power supply nervous, on the one hand, to build many new power plants and transmission lines, on the other hand to efficient use of the existing power resources, and reduce power consumption. Harmonic is caused power loss increases, the quality of power supply of the decline of the important factors. In the past, the harmonic current is electrified railway and industry by dc speed control of transmission device used by the exchange transformation for the dc produced by mercury rectifier. In recent years, the harmonic generation equipment types and quantity are already increase, and will continue to grow. In power system harmonic distribution circuit, for to the harm of electric power equipment is quite serious. So, we have to be very careful to consider the harmonic and its adverse impact, and how to minimize adverse effects. This paper analyzes the basic properties of harmonic and method of measurement, distribution network of sources and harms of the harmonic wave in a detailed illustration, summarizes and put forward the control method of harmonic number.

　　Key words: electric power system harmonic wave power quality harmonic current harmonic management

　　中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：

　　一、諧波的成因

　　諧波的產生一般來自于三個方面：一是發電源質量不高產生諧波;二是輸配電系統產生諧波;三是用電設備產生的諧波。其中用電設備產生的諧波最多。

　　1、 諧波的產生

　　在理想的干凈供電系統中，電流和電壓都是正弦波的。在只含線性元件(電阻、電感及電容)的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。

　　在實際的供電系統中，由于有非線性負荷的存在，當電流流過與所加電壓不呈線性關系的負荷時，就形成非正弦電流。任何周期性波形均可分解為一個基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波。諧波頻率是基頻的整倍數，例如基頻為50Hz，二次諧波為100Hz，三次諧波則為150Hz。因此畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……可能直到第三十次諧波組成。

　　2、 產生諧波的設備類型

　　(1)開關模式電源(SMPS)：

　　大多數的現代電子設備都使用開關模式電源(SMPS)。它們和老式的設備不同，它們已將傳統的降壓器和整流器替換成由電源直接由可控制的整流器件去給存貯電容器充電，然后用一種和所需的輸出電壓及電流相適合的方法輸出所需的直流電流。這對于設備制造廠的好處是使用器件的尺寸、價格及重量均可大幅度地降低，它的缺點是不管它是哪一種型號，它都不能從電源汲取連續的電流，而只能汲取脈沖電流。此脈沖電流含有大量的三次及高次諧波的分量。

　　(2)氣體放電類電光源：

　　熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏安特性，可知其非線性十分嚴重，有的還含有負的伏安特性，它們會給電網造成奇次諧波電流。

　　電子熒光燈鎮流器近年被大量采用。它的優點是在工作于高頻時可顯著提高燈管的效率，而其缺點是其逆變器在電源電流中產生諧波和電氣噪聲。使用帶有功率因數校正的型號產品可減少諧波，但成本昂貴。

　　(3)直流調速傳動裝置：

　　直流電動機的調速控制器通常采用三相橋式整流電路，它也稱作六脈沖橋式整流電路，因為在直流輸出側每周波內有六個脈沖(在每相的半波上有一個)。直流電動機的電感是有限的，故在直流電流中有300Hz的脈動波(即為供電頻率的6倍)，這就改變了供電電流的波形。

　　(4)不間斷電源(UPS)：

　　根據電能變換方式和由外部供電到內部供電所用轉換方式不同，UPS有許多不同的類型。主要的類型有：在線的UPS、離線的UPS和線路交互作用的UPS。由UPS供電的負荷總是電子信息設備，它們是非線性并且含有大量的低次諧波。

　　(5)磁芯器件：

　　在有鐵芯的電抗器上的勵磁電流和磁通密度之間的關系總是非線性的。如果電流波形是正弦波(亦即電路中串聯的電阻很大)那么磁場中會有高次諧波，這被認為是強迫磁化過程。如果施加在線圈上的電壓是正弦波形(亦即串聯的電阻很小)，則磁通密度也將是正弦波形，而電流波形則含有高次諧波，這被認為是自由磁化過程。

　　(6)在用電設備中，下面一些設備都能產生諧波。

　　晶閘管整流設備：由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用，給電網造成了大量的諧波。經統計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

　　變頻裝置：變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復雜，除含有整數次諧波外，還含有分數次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調速的發展，對電網造成的諧波也越來越多。

　　電弧爐、電石爐：由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩定，引起三相負荷不平衡，產生諧波電流，經變壓器的三角形連接線圈而注入電網。其中主要是2 -7次的諧波，平均可達基波的8% -20%，最大可達45%。

　　家用電器：電視機、錄像機、計算機、調光燈具、調溫炊具等，因具有調壓整流裝置，會產生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風扇、空調器等有繞組的設備中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數量巨大，也是諧波的主要來源之一。

　　二、諧波的危害

　　1. 對供配電線路的危害

　　(1)影響線路的穩定運行

　　供配電系統中的電力線路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、感應式繼電器或晶體管繼電器予以檢測保護，使得在故障情況下保證線路與設備的安全。但由于電磁式繼電器與感應式繼電器對10%以下含量高達40%時又導致繼電保護誤動作，因而在諧波影響下不能全面有效地起到保護作用。晶體管繼電器雖然具有許多優點，但由于采用了整流取樣電路，容易受諧波影響，產生誤動或拒動。這樣，諧波將嚴重威脅供配電系統的穩定與安全運行。

　　(2)影響電網的質量

　　電力系統中的諧波能使電網的電壓與電流波形發生畸變。如民用配電系統中的中性線，由于熒光燈、調光燈、計算機等負載，會產生大量的奇次諧波，其中3次諧波的含量較多，可達40%;三相配電線路中，相線上的3的整數倍諧波在中性線上會疊加，使中性線的電流值可能超過相線上的電流。另外，相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產生同次諧波的有功功率與無功功率，從而降低電網電壓，浪費電網的容量。

　　2. 對電力設備的危害

　　(1)對電力電容器的危害

　　當電網存在諧波時，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。對于膜紙復合介質電容器，雖然允許有諧波時的損耗功率為無諧波時損耗功率的1.38倍;對于全膜電容器允許有諧波時的損耗功率為無諧波時的1.43倍,但如果諧波含量較高,超出電容器允許條件,就會使電容器過電流和過負荷,損耗功率超過上述值，使電容器異常發熱，在電場和溫度的作用下絕緣介質會加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經畸變的電網中時，還可能使電網的諧波加劇，即產生諧波擴大現象。

　　(2)對電力變壓器的危害

　　諧波使變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大，這主要表現在鐵心中的磁滯損耗增加，諧波使電壓的波形變得越差，則磁滯損耗越大。同時由于以上兩方面的損耗增加，因此要減少變壓器的實際使用容量，或者說在選擇變壓器額定容量時需要考慮留出電網中的諧波含量。除此之外，諧波還導致變壓器噪聲增大，變壓器的振動噪聲主要是由于鐵心的磁致伸縮引起的，隨著諧波次數的增加，振動頻率在1KHZ左右的成分使混雜噪聲增加，有時還發出金屬聲。

　　(3)對電力電纜的危害

　　由于諧波次數高頻率上升，再加之電纜導體截面積越大趨膚效應越明顯，從而導致導體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減小。另外，電纜的電阻、系統母線側及線路感抗與系統串聯，提高功率因數用的電容器及線路的容抗與系統并聯，在一定數值的電感與電容下可能發生諧振。

　　(4)對用電設備的危害

　　對電動機的危害，諧波對異步電動機的影響，主要是增加電動機的附加損耗，降低效率，嚴重時使電動機過熱。尤其是負序諧波在電動機中產生負序旋轉磁場，形成與電動機旋轉方向相反的轉矩，起制動作用，從而減少電動機的出力。另外電動機中的諧波電流，當頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機產生機械振動，發出很大的噪聲。

　　(5)對低壓開關設備的危害

　　對于配電用斷路器來說，全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發熱，同時由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難，且諧波次數越高影響越大;熱磁型的斷路器，由于導體的集膚次應與鐵耗增加而引起發熱，使得額定電流降低與脫扣電流降低;電子型的斷路器，諧波也要使其額定電流降低，尤其是檢測峰值的電子斷路器，額定電流降低得更多。由此可知，上述三種配電斷路器都可能因諧波產生 。

　　對于漏電斷路器來說，由于諧波匯漏電流的作用，可能使斷路器異常發熱，出現誤動作或不動作。對于電磁接觸器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點，線圈溫度升高使額定電流降低。對于熱繼電器來說，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動作。

　　(6)影響電力測量的準確性

　　目前采用的電力測量儀表中有磁電型和感應型，它們受諧波的影響較大。特別是電能表(多采用感應型)，當諧波較大時將產生計量混亂，測量不準確。

　　(7)諧波對人體有影響

　　從人體生理學來說，人體細胞在受到刺激興奮時，會在細胞膜靜息電位基礎上發生快速電波動或可逆翻轉，其頻率如果與諧波頻率相接近，電網諧波的電磁輻射就會直接影響人的腦磁場與心磁場。

　　3、 諧波引發的問題及解決措施

　　有幾個常見多發的問題是由諧波引起的：電壓畸變、過零噪聲、中性線過熱、變壓器過熱、斷路器的誤動作等。

　　(1)電壓畸變：因為電源系統有內阻抗，所以諧波負荷電流將造成電壓波形的諧波電壓畸變(這是產生"平頂"波的根源)。此阻抗有兩個組成部分：電源接口(PCC)以后的電氣裝置內部電纜線路的阻抗和PCC以前電源系統內的阻抗，用戶處的供電變壓器即是PCC的一例。

　　由非線性負荷引起的畸變負荷電流在電纜的阻抗上產生一個畸變的電壓降。合成的畸變電壓波形加到與此同一電路上所接的全部其他負荷上，引起諧波電流的流過，即使這些負荷是線性的負荷也是如此。

　　解決的辦法是把產生諧波的負荷的供電線路和對諧波敏感的負荷的供電線路分開，線性負荷和非線性負荷從同一電源接口點開始由不同的電路饋電，使非線性負荷產生的畸變電壓不會傳導到線性負荷上去。

　　(2)過零噪聲：許多電子控制器要檢測電壓的過零點，以確定負荷的接通時刻。這樣做是為了在電壓過零時接通感性負荷不致產生瞬態過電壓，從而可減少電磁干擾(EMI)和半導體開關器件上的電壓沖擊。當在電源上有高次諧波或瞬態過電壓時，在過零處電壓的變化率就很高且難于判定從而導致誤動作。實際上在每個半波里可有多個過零點。

　　(3)中性線過熱：在中性點直接接地的三相四線式供電系統中，當負荷產生3N次諧波電流時，中性線上將流過各相3N次諧波電流的和。如當時三相負荷不平衡時，中性線上流經的電流會更大。

　　三、諧波的治理

　　1、配網中的諧波源

　　嚴格意義上講，電力網絡的每個環節，包括發電、輸電、配電、用電都可能產生諧波，其中產生諧波最多位于用電環節上。

　　發電機是由三相繞組組成的，理論上講，發電機三相繞組必須完全對稱，發電機內的鐵心也必須完全均勻一致，才不致造成諧波的產生，但受工藝、環境以及制作技術等方面的限制，發電機總會產生少量的諧波。?

　　輸電和配電系統中存在大量的電力變壓器。因變壓器內鐵心飽和，磁化曲線的非線特性以及額定工作磁密位于磁化曲線近飽和段上等諸多因素，致使磁化電流呈尖頂形，內含大量奇次諧波。變壓器鐵心飽和度越高，其工作點偏離線性就越遠，產生的諧波電流就越大，嚴重時三次諧波電流可達額定電流的5%。?

　　用電環節諧波源更多，晶閘管式整流設備、變頻裝置、充氣電光源以及家用電器，都能產生一定量的諧波。?

　　晶閘管整流技術在電力機車、充電裝置、開關電源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理，從電網吸收的是半周正弦波，而留給電網剩下的半周正弦波，這種半周正弦波分解后能產生大量的諧波。有統計表明，整流設備所產生的諧波占整個諧波的近40%，是最大的諧波源。?

　　變頻原理常用于水泵、風機等設備中，變頻一般分為兩類：交-直-交變頻器和交-交變頻器。前者將380V 50Hz工頻電源經三相橋式可控硅整流，變成直流電壓信號，濾波后由大功率晶體開關元件逆變成可變頻率的交流信號。后者將固定頻率的交流電直接轉換成相數一致但頻率可調的交流電。兩者均采用相位控制技術，所以在變換后會產生含復雜成分(整次或分次)的諧波。因變頻裝置一般具有較大功率，所以也會對電網造成嚴重的諧波污染。?

　　充氣電光源和家用電器更是常見的諧波源，如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈應用氣體放電原理發光，其伏安特性具有明顯的非線性特征。計算機、電視機、錄像機、調光燈具、調溫炊具、微波爐等家用電器，因內置調壓整流元件，會對電網產生高次奇諧波;電風扇、洗衣機、空調器含小功率電動機，也會產生一定量的諧波。這類設備功率雖小，但數量多，也是電網諧波源中不可忽視的因素。?

　　2、諧波在配網中的危害

　　諧波對于配電系統的影響，表現在對線路上所配置的保護及測量設備的影響。因這些設備一般采用電磁式繼電器、感應繼電器元件，容易接受諧波干擾而誤動和拒動，系統中存在的不明原因的誤動和拒動，與諧波不無關系。所以諧波超標，會嚴重威脅配電系統的安全穩定運行。

　　諧波會大大增加電力變壓器的銅損和鐵損，降低變壓器有效出力，諧波導致的噪聲，會使變電所的噪聲污染指數超標，影響工作人員的身心健康。對于電力電容器，諧波會導致端電壓升高，損耗加大，電容器發熱，加速老化，從而縮短使用壽命。?

　　配網中使用大量異步電動機，產生的諧波會增加附加損耗。負序諧波產生的負序旋轉磁場，會產生制動力矩，影響電動機的有功出力。對斷路器而言，無論其構成元件為電磁的、還是熱磁的、亦或電子的，都可能受諧波的影響誤動。?

　　電能表是評價電能消耗重要而基本的測量工具，是用戶繳費的憑證，而諧波可能使電能計量產生較大誤差，嚴重時會導致計量混亂。同樣，諧波也是引起濾波裝置誤啟動，保護誤動和拒動的重要因素。?

　　此外，諧波會通過靜電感應、電磁感應以及傳導等多種方式耦合進通訊系統，影響它們的正常運行。對于人體，諧波會刺激人體細胞，使正常的細胞膜電位發生快速波動或可逆的翻轉，當這種波動或翻轉頻率接近諧波頻率時，會影響人體大腦與心臟。

　　3、配電網諧波治理的對策

　　(1)加強標準和相應規范的宣傳貫徹。IEC 6100以及國標GB/T 14549-1993，對于諧波定義、測量等進行了宣傳，明確諧波治理是一項互惠互利、節能增效，是保證電網和設備安全穩定運行的舉措;

　　(2)主管部門對所轄電網進行系統分析，正確測量，以確定諧波源位置和產生的原因，為諧波治理準備充分的原始材料;在諧波產生起伏較大的地方，可設置長期觀察點，收集可靠的數據。對電力用戶而言，可以監督供電部門提供的電力是否滿足要求;對于供電部門而言，可以評估電力用戶的用電設備是否產生了超標的諧波污染。?

　　(3)針對諧波的產生和傳播的特點，采取相應的隔離、補償和減少措施。在配電網中，主要存在的是三次諧波污染，可以在諧波檢測的基礎上，通過適當加裝濾波設備來減少諧波注入電網。對于各種電氣設備的設計者，在設計初始，就要考慮其設備的諧波污染度，將諧波限制在標準允許的范圍內。?

　　(4) 加強管理，多方出資，共同治理。諧波的治理，需要大量的投資，不能僅僅靠供電部門，要調動電力供需環節中的各個方面，在分清諧波來源基礎上，走共同治理之路。?

　　5、結論

　　諧波治理是綜合治理過程，是改善供電品質的重要手段。GB/T 14549-1993《電能質量—公用電網諧波》對電網各級電壓諧波水平進行了量化限制，對用戶注入公用電網的諧波電流也進行了相應的規定，在主網、城網中，諧波治理有明確的規定和要求，而日益發展的農村電網對有關諧波的治理并未引起足夠的重視，認識還有待提高。目前農網中的高壓配電的許多用戶，對諧波的危害也沒有引起足夠的重視，往往認為諧波治理是電力部門的事情，是一種單邊行為，就此而言，作為電力歸口管理部門有必要加強諧波治理方面的宣傳，強調諧波治理的重要性和投資回報。在對諧波準確測量的基礎上，提出適合用戶的治理方案。這樣做，不僅能夠改善整個網絡的電力品質，同時也能延長用戶設備使用壽命，提高產品質量，降低電磁污染環境，減少能耗，提高電能利用率。

　　參考文獻：

　　吳競昌 《供電系統諧波》……中國電力出版社 1998年

　　孟偉等 《對電網諧波治理的探討》……東北電力技術2000年