供電系統(tǒng)諧波的定義是對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱(chēng)為諧波。

諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1) 稱(chēng)為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時(shí)也存在非整數(shù)倍諧波，稱(chēng)為非諧波(Non-harmonics)或分?jǐn)?shù)諧波。

電網(wǎng)諧波是指電網(wǎng)中電壓或電流波形偏離理想的正弦波，混入頻率超過(guò)50Hz的電壓或電流成分。這樣的成分對(duì)電子器件的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成顯著威脅。本文將探討諧波在電網(wǎng)中的影響，包括其產(chǎn)生機(jī)制、危害以及抑制方法。

諧波的產(chǎn)生電網(wǎng)諧波主要源自三個(gè)方面：首先是發(fā)電電源質(zhì)量不佳引發(fā)的諧波;其次，輸配電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中也可能產(chǎn)生諧波;最后，用電設(shè)備如變頻器、整流器等在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量諧波，成為諧波產(chǎn)生的主要源頭。

? 電網(wǎng)與電源設(shè)備中的諧波

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于三相繞組難以做到絕對(duì)對(duì)稱(chēng)，鐵心也難以保持絕對(duì)均勻，加之其他多種因素，會(huì)產(chǎn)生少量諧波，但通常影響較小。另一方面，輸配電系統(tǒng)中的電力變壓器是諧波產(chǎn)生的主要源頭之一。當(dāng)變壓器鐵心飽和時(shí)，其磁化曲線的非線性特性會(huì)導(dǎo)致磁化電流呈現(xiàn)尖頂波形，進(jìn)而產(chǎn)生奇次諧波。這種諧波的大小與磁路結(jié)構(gòu)及鐵心飽和程度密切相關(guān)：鐵心飽和度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，所產(chǎn)生的諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可能達(dá)到額定電流的0.5%。

? 用電設(shè)備中的諧波源

在電力系統(tǒng)中，除了電網(wǎng)與電源設(shè)備可能產(chǎn)生諧波外，許多用電設(shè)備同樣會(huì)貢獻(xiàn)諧波。以下是幾種主要的諧波源：

(1)晶閘管整流設(shè)備：這類(lèi)設(shè)備在電力機(jī)車(chē)、鋁電解槽、充電裝置等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，它們通過(guò)移相控制從電網(wǎng)中吸收缺角的正弦波，進(jìn)而在電網(wǎng)中留下大量諧波。特別是單相整流電路在接感性負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可能高達(dá)基波的30%。

(2)變頻裝置：這類(lèi)設(shè)備常用于風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中，由于采用了相位控制，因此會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的諧波成分。除了整數(shù)次諧波外，還包含分?jǐn)?shù)次諧波。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的普及，這些設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染也日益嚴(yán)重。

(3)電弧爐和電石爐：在加熱原料過(guò)程中，由于電爐三相電極與爐料的不均勻接觸，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定和三相負(fù)荷不平衡，從而產(chǎn)生諧波電流。這些電流通過(guò)變壓器的三角形連接線圈注入電網(wǎng)，主要包含2至7次的諧波，其平均值可達(dá)基波的8%至20%，甚至可能高達(dá)45%。

(4)氣體放電類(lèi)電光源：如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈等，由于它們的伏安特性非線性嚴(yán)重，甚至包含負(fù)的伏安特性，因此會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)奇次諧波電流。

(5)家用電器：包括電視機(jī)、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)等在內(nèi)的許多家用電器，由于內(nèi)部調(diào)壓整流裝置的存在，會(huì)產(chǎn)生較深的奇次諧波。盡管這些家用電器的功率相對(duì)較小，但數(shù)量龐大，因此也是不可忽視的諧波源之一。

對(duì)于我國(guó)使用的50Hz電源來(lái)說(shuō)基波為50Hz，3次諧波為150Hz，5次諧波為250Hz，以此類(lèi)推。

諧波污染是指在電力系統(tǒng)中，由于非線性負(fù)載的存在，導(dǎo)致電流或電壓波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生了除基波以外的高次諧波分量，從而對(duì)電力系統(tǒng)和用電設(shè)備等造成一系列不良影響，其危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

對(duì)電力系統(tǒng)的危害

增加電網(wǎng)損耗：諧波電流會(huì)在電網(wǎng)的輸電線路、變壓器等設(shè)備中產(chǎn)生額外的損耗。一方面，諧波電流使線路電阻損耗增大，另一方面，會(huì)引起變壓器等設(shè)備的鐵芯損耗增加，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重，降低了設(shè)備的運(yùn)行效率，增加了電網(wǎng)的供電成本。

影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量：諧波電壓會(huì)使電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變，導(dǎo)致電壓質(zhì)量下降。這不僅會(huì)影響到對(duì)電壓穩(wěn)定性要求較高的設(shè)備正常運(yùn)行，還可能使電網(wǎng)中的無(wú)功補(bǔ)償裝置產(chǎn)生諧振，進(jìn)一步放大諧波電壓，造成更嚴(yán)重的電壓波動(dòng)和閃變，甚至可能引發(fā)電網(wǎng)故障。

干擾通信系統(tǒng)：電力系統(tǒng)中的諧波會(huì)通過(guò)電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)等方式對(duì)附近的通信線路產(chǎn)生干擾。諧波電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在通信線路中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生雜音和干擾信號(hào)，影響通信質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致通信中斷。

對(duì)電氣設(shè)備的危害

影響電機(jī)的正常運(yùn)行：諧波電流流入電動(dòng)機(jī)后，會(huì)在電機(jī)中產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這會(huì)使電機(jī)的溫度升高，降低電機(jī)的效率和功率因數(shù)，縮短電機(jī)的使用壽命。同時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)還可能導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)加劇，產(chǎn)生噪聲，影響設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

使電容器損壞：諧波電壓會(huì)使電容器的運(yùn)行電壓升高，導(dǎo)致電容器過(guò)電壓運(yùn)行。長(zhǎng)期處于過(guò)電壓狀態(tài)下，電容器的絕緣性能會(huì)下降，容易發(fā)生擊穿短路等故障。此外，諧波還可能與電容器和系統(tǒng)中的電感形成諧振，使電容器中通過(guò)的電流大幅增加，進(jìn)一步加速電容器的損壞。

縮短變壓器使用壽命：諧波電流會(huì)使變壓器的鐵芯損耗和繞組損耗增加，導(dǎo)致變壓器發(fā)熱加劇。過(guò)高的溫度會(huì)加速變壓器絕緣材料的老化，降低絕緣性能，縮短變壓器的使用壽命。同時(shí)，諧波還可能引起變壓器的噪聲增大，影響周?chē)h(huán)境。

對(duì)計(jì)量與保護(hù)裝置的影響

造成計(jì)量誤差：傳統(tǒng)的電能計(jì)量裝置通常是基于基波信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)的，諧波的存在會(huì)使計(jì)量裝置的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。諧波電流和電壓會(huì)使電能表的轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)確，給電力企業(yè)和用戶之間的電費(fèi)結(jié)算帶來(lái)糾紛。

使保護(hù)裝置誤動(dòng)作：諧波可能會(huì)使電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生誤動(dòng)作或拒動(dòng)作。例如，諧波會(huì)使電流保護(hù)裝置的測(cè)量值出現(xiàn)偏差，當(dāng)諧波含量較大時(shí)，可能導(dǎo)致保護(hù)裝置在正常運(yùn)行時(shí)誤判為故障狀態(tài)而動(dòng)作，或者在真正發(fā)生故障時(shí)由于諧波的干擾而無(wú)法正確動(dòng)作，從而無(wú)法及時(shí)保護(hù)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

交流電網(wǎng)中，由于許多非線性電氣設(shè)備的投入運(yùn)行，其電壓、電流波形實(shí)際上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸變的非正弦波。對(duì)周期性交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，得到的頻率與工頻相同的分量稱(chēng)為基波(fundamental)，得到的頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量稱(chēng)為諧波(harmonic，HR)，得到的頻率不等于基波頻率整數(shù)倍的分量稱(chēng)為間歇波(interharmonic，IHR)。任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。

諧波按照相序，分為正序諧波(第4、7、10、...、3h+1次)，負(fù)序諧波(第2、5、8、...、3h-1次)、零序諧波(第3、6、9、...、3h次)。按照諧波次數(shù)，分為偶次諧波、奇次諧波、間歇波(非整數(shù)次諧波)。

一般來(lái)說(shuō)，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱(chēng)關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在，對(duì)于三相整流負(fù)載，出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、11、13等，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。

2、諧波源及常用設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流值

近30年來(lái)，電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。

用戶向公用電網(wǎng)注入諧波電流的電氣設(shè)備或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備，統(tǒng)稱(chēng)為諧波源。常見(jiàn)諧波源主要有換流設(shè)備、電弧爐、鐵芯設(shè)備、照明設(shè)備、某些生活日用電器等非線性電氣設(shè)備。

3、諧波的危害

理想的公網(wǎng)電網(wǎng)應(yīng)當(dāng)提供單一且穩(wěn)定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。然而，諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)造成的危害不容忽視，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

諧波電流流經(jīng)變壓器時(shí)，會(huì)顯著增加鐵芯損耗，導(dǎo)致變壓器過(guò)熱，進(jìn)而縮短其使用壽命。

當(dāng)諧波電流通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)時(shí)，不僅使電動(dòng)機(jī)鐵芯損耗增大，還會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)子振動(dòng)，對(duì)機(jī)械加工產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

電容器對(duì)高次諧波的阻抗非常小，因此當(dāng)含有高次諧波的電壓施加在電容器兩端時(shí)，電容器很容易過(guò)負(fù)荷而損壞。

諧波電流會(huì)導(dǎo)致電力線路的電能損耗增加。

諧波可能引起電力系統(tǒng)的電壓諧振，產(chǎn)生過(guò)電壓，有可能擊穿線路設(shè)備的絕緣。當(dāng)大量的3次諧波流過(guò)中性線時(shí)，線路可能過(guò)熱，甚至引發(fā)火災(zāi)。

諧波會(huì)使系統(tǒng)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置發(fā)生誤動(dòng)作，同時(shí)導(dǎo)致電氣測(cè)量?jī)x表的計(jì)量不準(zhǔn)確。

諧波產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)干擾會(huì)影響電子儀表和通訊系統(tǒng)的正常工作，從而降低通訊質(zhì)量。