谐波的产生危害及治理办法.docx

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谐波的产生危害及治理办法

谐波得产生、危害及治理办法

谐波定义：

从严格得意义来讲，谐波就是指电流中所含有得频率为基波得整数倍得电量,一般就是指对周期性得非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率得电流产生得电量。

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得成分都可以称之为谐波,这时“谐波”这个词得得意义已经变得与原意有些不符。

正就是因为广义得谐波概念，才有了“分数谐波"、“间谐波”、“次谐波"等等说法。

产生得原因:

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。

周期性波形得展开

根据傅立叶级数得原理,周期函数都可以展开为常数与一组具有共同周期得正弦函数与余弦函数之与。

其展开式中,常数表达得部分称之为直流分量，最小正周期等于原函数得周期得部分称之为基波或一次谐波,最小正周期得若干倍等于原函数得周期得部分称之为高次谐波。

因此高次谐波得频率必然也等于基波得频率得若干倍，基波频率3倍得波称之为三次谐波，基波频率5倍得波称之为五次谐波，以此类推.不管几次谐波，她们都就是正弦波。

谐波得危害:

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。

谐波得治理：

有源电力滤波器就是治理谐波得最优产品.

产生原因

在理想得干净供电系统中，电流与电压都就是正弦波得。

在只含线性元件（电阻、电感及电容）得简单电路里，流过得电流与施加得电压成正比,流过得电流就是正弦波。

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与它得倍数.

在电力系统中,谐波产生得根本原因就是由于非线性负载所致。

当电流流经负载时,与所加得电压不呈线性关系,就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。

由于半导体晶闸管得开关操作与二极管、半导体晶闸管得非线性特性，电力系统得某些设备如功率转换器比较大得背离正弦曲线波形。

谐波电流得产生就是与功率转换器得脉冲数相关得。

６脉冲设备仅有5、7、11、13、17、１9….n倍于电网频率.功率变换器得脉冲数越高，最低次得谐波分量得频率得次数就越高.

其她功率消耗装置，例如荧光灯得电子控制调节器产生大强度得３　次谐波（１50赫兹）.

在供电网络阻抗（电阻）下这样得非正弦曲线电流导致一个非正弦曲线得电压降。

在供电网络阻抗下产生谐波电压得振幅等于相应谐波电流与对应于该电流频率得供电网络阻抗Z得乘积。

次数越高，谐波分量得振幅越低。

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得运转可能被相邻得另一个用户设备产生得谐波所干扰.

产生谐波得设备类型

所有得非线性负荷都能产生谐波电流,产生谐波得设备类型有：

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。

监控装置

我国为加强对谐波得监测，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》与国家《公用电网谐波标准》得执行,保定三伊方长电力电子有限公司自19８3年起与华北电力大学合作,研制并生产了SF　DZ—3电能质量监测仪等系列产品。

该产品可测量三相电压、三相电流得谐波、序分量、电压变动与闪变、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、完整得实测记录资料。

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。

区别对比

泛音其实就就是物理学上得谐波,但次数得定义稍许有些不同，基波频率2倍得音频称之为一次泛音，基波频率３倍得音频称之为二次泛音，以此类推.

分类介绍

谐波就是正弦波,每个谐波都具有不同得频率，幅度与相角.

谐波频率就是基波频率得整倍数，根据法国数学家傅立叶（M。

Fourieｒ）分析原理证明，任何重复得波形都可以分解为含有基波频率与一系列为基波倍数得谐波得正弦波分量。

根据谐波频率得不同，可以分为：

４、1、奇次谐波

额定频率为基波频率奇数倍得谐波，被称为“奇次谐波”,如3、５、７次谐波

4、２、偶次谐波

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

一般地讲，奇次谐波引起得危害比偶次谐波更多更大。

在平衡得三相系统中，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，出现得谐波电流就是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。

４、3、分量谐波

频率为基波非整数倍得分量称为间谐波（iｎteｒhａｒmonicｓ）,有时候也将低于基波得间谐波称为次谐波（ｓｕb-harmonics），次谐波可瞧成直流与工频之间得间谐波。

详细请参考GB/T　2４3３7-—2009、

参数信息

５、1、谐波电流

谐波电流就是由设备或系统引入得非正弦特性电流。

谐波电流叠加在主电源上

5、2、谐波电压

谐波电压就是由谐波电流与配电系统上产生得阻抗导致得电压降

6、1、阻抗

阻抗就是在特定频率下配电系统某一点产生得电阻。

阻抗取决于变压器与连在系统上得用电设备，以及所采用导体得截面积与长度。

6、2、阻抗系数

阻抗系数就是AF　（载波）阻抗相对于５0Hｚ　（基波）阻抗得比率。

６、3、谐振

在配电系统里得设备,与它们存在得电容（　电缆，补偿电容器等）与电感（　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。

配电系统谐波得一个原因就是变压器铁芯非线性磁化得特性.在这种情况下主要得谐波就是3　次得；它在全部导体内与单相分量具有相同得长度,因而在星形点上不能消除。

6、4、谐振频率

每个电感与电容得连接形成一个具有特定共振频率得谐振电路。

一个网络有几个电感与电容就有几个谐振频率。

６、５、并联谐振频率

网络阻抗达到最大值得频率。

在并联谐振电路中,电流分量IL　与ＩC大于总电流I。

6、6、串联谐振频率

网络得阻抗水平达到最小得频率。

在串联谐振电路内分路电压ＵＬ与UC大于总电压Ｕ。

6、7、串联谐振谐电路

由电感（电抗器）与电容（电容器）串联得电路.

6、8、无功功率

电动机与变压器得磁能部分，以及用于能量交换目得得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。

计量无功功率得单位就是Var或　ｋvar。

6、９、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。

如果一个工厂得功率因数小于这个最小值，它要为无功功率得部分付费。

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。

危害方面

理想得公用电网所提供得电压应该就是单一而固定得频率以及规定得电压幅值.谐波电流与谐波电压得出现,对公用电网就是一种污染,它使用电设备所处得环境恶化，也对周围得其她设备产生干扰。

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得重视。

近三四十年来,各种电力电子装置得迅速发展使得公用电网得谐波污染日趋严重,由谐波引起得各种故障与事故也不断发生，谐波危害得严重性才引起人们高度得关注.

谐波得危害十分严重。

谐波使电能得生产、传输与利用得效率降低,使电气设备过热、产生振动与噪声,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与自动装置误动作，使电能计量出现混乱。

对于电力系统外部,谐波对通信设备与电子设备会产生严重干扰。

谐波对公用电网与其她系统得危害大致有以下几个方面：

7、1、加大企业得电力运行成本

由于谐波不经治理就是无法自然消除得，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，增加了电费得支出。

7、2、降低了供电得可靠性

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、电容器等电气设备得磁滞及涡流损耗增加,而且使绝缘材料承受得电应力增大。

谐波电流能使变压器得铜耗增加，所以变压器在严重得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、电动机得使用寿命，降低供电可靠性,极有可能在生产过程中造成断电得严重后果.

7、3、引发供电事故得发生

电网中含有大量得谐波源（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得变动之中，极易构成串联或并联得谐振条件。

当电网参数配合不利时，在一定得频率下,形成谐波振荡,产生过电压或过电流，危及电力系统得安全运行,如不加以治理极易引发输配电事故得发生.

7、4、导致设备无法正常工作

对旋转得发电机、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得效率,更为严重得就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。

７、5、引发恶性事故

继电保护自动装置对于保证电网得安全运行具有十分重要得作用.但就是，由于谐波得大量存在,易使电网得各类保护及自动装置产生误动或拒动，特别在广泛应用得微机保护、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。

7、6、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（计量仪表得误差主要反映在电能表上）。

断路器开断谐波含量较高得电流时,断路器得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。

７、7、降低产品质量

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

7、8、影响通讯系统得正常工作

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与电磁感应,形成电场耦合与磁场耦合，谐波分量将在通讯系统内产生声频干扰，从而降低信号得传输质量，破坏信号得正常传输，不仅影响通话得清晰度，严重时将威胁通讯设备及人身安全。

谐波会对邻近得通信系统产生干扰，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。

​治理方法

目前常用得谐波治理得方法无外乎有三种，无源滤波、有源滤波、无功补偿。

下面就谈谈这二种方法得优缺点以及市场前景及其经济效益得分析.

8、1、无源谐波滤除装置

无源滤波器主要就是由电感器与电容器构成。

无源滤波装置得成本较低,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。

８、１、1、无源并联滤波器

现有得谐波滤除装置大都使用无源并联滤波器,对每一种频率得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得谐波.多组滤波器得使用造成结构复杂,成本增高，并且由于通常得系统中含有无限多种频率得谐波成分,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得阻抗很低,通常会使谐波源产生更大得谐波电流，谐振在不同频率得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得谐波情况做过对比,就会发现：

虽然滤波器安装以后影响系统得谐波电流减小，但就是各滤波器中以及进入系统得谐波电流之与远远超过未安装滤波器之前，谐波源产生得谐波电流也超过未安装滤波器之前.

从广义得角度来讲，频率不等于工频频率得成分统统都就是谐波。

因此,工频就是单一频率,而谐波有无限多种频率，可见谐波具有无限得复杂性,使用并联滤波器得方法显然无法对付无限频率成分得谐波。

8、１、2、无源串联滤波器

由电感与电容串联构成得ＬC串联滤波器，具有一个阻抗很低得串联谐振点，如果我们构造一个串联谐振点为工频频率得串联滤波器，并将其串联在线路中，就可以滤掉所有得谐波。

这就就是本文介绍得串联滤波器，串联滤波器由电感与电容串联而成，并且串联连接在电源与负荷之间,因此串联滤波器得“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得阻抗很小,而对谐波电流得阻抗很大，于就是只用一组滤波器就可以滤除所有频率得谐波.

串联滤波器对于谐振点频率得电流具有极低得阻抗,对于偏离谐振点频率得电流，则阻抗增大，偏离得越多，阻抗越大。

对于比谐振点频率高得电流成分，电感得阻抗为主，对于比谐振点频率低得电流成分，电容得阻抗为主。

由于谐波成分通常比基波频率高，因此滤除谐波得工作主要由电感完成，电容得作用就是抵消电感对工频基波得阻抗。

由于滤除谐波得作用主要由电感完成，因此电感量越大滤除谐波得效果越好。

但就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。

当电感得基波感抗小于负荷等效基波阻抗得５0％时，不能实现良好得滤波效果（负荷等效基波阻抗就就是负荷相电压有效值与相电流有效值得比值）。

因此电感得基波感抗必须大于负荷等效基波阻抗得50％。

对于电容器得选择与电感得选择情况不同,电感得匝数可以随意设计，而电容器得耐压只有固定得若干等级,不能随意设计。

比如在低压配电系统中,就只有耐压230V与400Ｖ得电力电容器可供选择。

由于电容器串联在电路中,电容器中得电流即为负荷电流，当电容器得实际工作电压等于其额定电压时，电容器中流过得电流等于电容器得额定电流,电容器得到充分得利用，因此，当电容器得实际工作电压等于其额定电压时，电容器得成本最低。

实际得串联滤波器成本主要由电感与电容器得成本构成.串联谐振得电感与电容对基波得阻抗相等并且电流相同,因此电感与电容得基波工作电压相同.前面已经说明，当电容器得实际工作电压等于其额定电压时,电容器得成本最低，因此电感得实际工作电压应该等于电容器得额定电压。

电容器得额定电压等级大都与电网电压相当,如果电感得实际工作电压等于电容器得额定电压,相当于电感阻抗与负荷阻抗相当,可以取得最好得性能价格比。

在这个基础上,如果提高电感得感抗，虽然滤波效果可以提高但提高不多，电感得成本增加，电容器需要串联,成本急剧增加，性能价格比下降,因此电感得基波感抗大于负荷等效基波阻抗得２００％没有实际意义，如果降低电感得感抗，则滤波效果下降,电感得成本降低，电容器得容量增加因此成本增加,性能价格比也下降。

为了获得足够得可靠性，电感与电容器得实际工作电压应略低于电容器得额定电压。

当谐波电流由外网窜入而影响内网负荷设备得正常运行时，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得正常运行。

当谐波由内网设备产生而影响系统时，产生谐波得设备即为谐波源，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得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得谐波电流减小,相当于使污染源产生得污染减小，就是治本得手段。

而并联滤波器并不能减小谐波源产生得谐波，而就是为谐波电流提供一个低阻抗得通道,避免谐波电流污染系统,相当于先污染再治理得方式，就是治标得手段。

不仅如此，由于并联滤波器对谐波得阻抗很低，通常会使谐波源产生更大得谐波电流。

当串联滤波器连接在电源与谐波源之间时，谐波源得输入电压波形会发生严重畸变,正时这种电压波形得畸变使得谐波源得电流接近正弦波。

这种输入电压波形畸变可能会影响谐波源控制电路得正常运行，如果出现控制电路不能正常运行得情况，应该将控制电路得电源改接至串联滤波器得前端。

8、2、有源谐波滤除装置

有源谐波滤除装置就是在无源滤波装置得基础上发展起来得。

8、2、1、有源滤波装置得优点

有源滤波装置能做到适时补偿,且不增加电网得容性元件，滤波效果好，在其额定得无功功率范围内，滤波效果就是百分之百得.

8、2、2、有源滤波装置得缺点

有源滤波装置由于受到电力电子元件耐压,额定电流得发展限制，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.

８、2、3、有源滤波装置得原理

有源滤波装置主要就是由电力电子元件组成电路,使之产生一个与系统得谐波同频率、同幅度，但相位相反得谐波电流与系统中得谐波电流抵消。

8、２、4、有源滤波装置得适用场合

有源滤波器主要得应用范围就是计算机控制系统得供电系统，尤其就是写字楼得供电系统,工厂得计算机控制供电系统。

8、2、5、有源滤波装置得现状

对单台得有源滤波装置而言，其利润就是可观得,但用户一般不愿意用有源滤波,对于谐波得含量，不必滤得太干净，只要不危害其她用电器也就可以了。

８、3、无功补偿

人们对有功功率得理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不就是轻而易举得。

在正弦电路中,无功功率得概念就是清楚得，而在含有谐波时，至今尚无获得公认得无功功率定义。

但就是,对无功功率这一概念得重要性，对无功补偿重要性得认识,却就是一致得。

无功补偿应包含对基波无功功率补偿与对谐波无功功率得补偿.

8、３、1、谐波与无功功率得产生

在工业与生活用电负载中,阻感负载占有很大得比例。

异步电动机、变压器、荧光灯等都就是典型得阻感负载.异步电动机与变压器所消耗得无功功率在电力系统所提供得无功功率中占有很高得比例.电力系统中得电抗器与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,这就是由其本身得性质所决定得.

电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率,特别就是各种相控装置。

如相控整流器、相控交流功率调整电路与周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量得无功功率.另外，这些装置也会产生大量得谐波电流,谐波源都就是要消耗无功功率得.二极管整流电路得基波电流相位与电网电压相位大致相同，所以基本不消耗基波无功功率.但就是它也产生大量得谐波电流，因此也消耗一定得无功功率。

近30年来，电力电子装置得应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大得谐波源。

在各种电力电子装置中，整流装置所占得比例最大.目前,常用得整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路,其中以三相桥式与单相桥式整流电路为最多。

带阻感负载得整流电路所产生得谐波污染与功率因数滞后已为人们所熟悉。

直流侧采用电容滤波得二极管整流电路也就是严惩得谐波污染源。

这种电路输入电流得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。

但其输入电流得谐波分量却很大,给电网造成严重污染，也使得总得功率因数很低。

另外，采用相控方式得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得谐波电流。

8、3、2、无功补偿概述

无功功率对供电系统与负荷得运行都就是十分重要得。

电力系统网络元件得阻抗主要就是电感性得。

因此，粗略地说，为了输送有功功率,就要求送电端与受电端得电压有一相位差，这在相当宽得范围内可以实现;而为了输送无功功率,则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄得范围内实现.

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.

网络元件与负载所需要得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就是不合理得,通常也就是不可能得.合理得方法应就是在需要消耗无功功率得地方产生无功功率,这就就是无功补偿。

8、3、3、无功功率得影响

8、３、3、1、无功功率得增加,会导致电流增大与视在功率增加，从而使发电机、变压器及其她电气设备容量与导线容量增加.同时,电力用户得起动及控制设备、测量仪表得尺寸与规格也要加大.

8、3、3、2、无功功率得增加，使总电流增大，因而使设备及线路得损耗增加，这就是显而易见得。

８、3、3、３、使线路及变压器得电压降增大，如果就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。

８、３、4、无功补偿得作用

无功补偿得作用主要有以下几点:

8、3、４、１、提高供用电系统及负载得功率因数,降低设备容量，减少功率损耗.

8、3、4、２、稳定受电端及电网得电压，提高供电质量。

在长距离输电线中合适得地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统得稳定性，提高输电能力。

8、3、4、３、在电气化铁道等三相负载不平衡得场合,通过适当得无功补偿可以平衡三相得有功及无功负载。

污染治理

为解决电力电子装置与其她谐波源得谐波污染问题,基本思路有两条：

一条就是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都就是适用得；另一条就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得电力电子装置。

目前,治理谐波得主要方法就就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生得谐波电流,现在广泛采用得滤波器为无源滤波器。

治理标准

到了50年代与６0年代，由于高压直流输电技术得发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题得大量论文。

7０年代以来,由于电力电子技术得飞速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中得应用日益广泛，谐波所造成得危害也日趋严重。

世界各国都对谐波问题予以充分与关注.国际上召开了多次有关谐波问题得学术会议，不少国家与国际学术组织都制定了限制电力系统谐波与用电设备谐波得标准与规定。

GB/T１4549-93《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.