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谐波

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谐波

目录[隐藏]

一、谐波的来源

二、谐波的定义

三、谐波的产生

四、谐波的分类

1.4.1、奇次谐波

2.4.2、偶次谐波

3.4.3、分量谐波

五、谐波的参数

1.5.1、谐波电流

2.5.2、谐波电压

六、与谐波有关的参数定义

1.6.1、阻抗

2.6.2、阻抗系数

3.6.3、谐振

4.6.4、谐振频率

5.6.5、并联谐振频率

6.6.6、串联谐振频率

7.6.7、串联谐振谐电路

8.6.8、无功功率

9.6.9、无功功率补偿

七、谐波的危害

1.7.1、加大企业的电力运行成本

2.7.2、降低了供电的可靠性

3.7.3、引发供电事故的发生

4.7.4、导致设备无法正常工作

5.7.5、引发恶性事故

6.7.6、导致线路短路

7.7.7、降低产品质量

8.7.8、影响通讯系统的正常工作

八、国内治理谐波污染的几种方法

1.8.1、无源谐波滤除装置

2.8.2、有源谐波滤除装置

3.8.3、无功补偿

九、谐波污染治理

1.9.1、谐波治理标准

2.9.2、滤波器及其种类

3.9.3、低压补偿滤波装置

4.9.4、高压滤波补偿装置

5.9.5、电容器

6.9.6、功率因数补偿系统

一、谐波的来源

二、谐波的定义

三、谐波的产生

四、谐波的分类

1.4.1、奇次谐波

2.4.2、偶次谐波

3.4.3、分量谐波

五、谐波的参数

1.5.1、谐波电流

2.5.2、谐波电压

六、与谐波有关的参数定义

1.6.1、阻抗

2.6.2、阻抗系数

3.6.3、谐振

4.6.4、谐振频率

5.6.5、并联谐振频率

6.6.6、串联谐振频率

7.6.7、串联谐振谐电路

8.6.8、无功功率

9.6.9、无功功率补偿

七、谐波的危害

1.7.1、加大企业的电力运行成本

2.7.2、降低了供电的可靠性

3.7.3、引发供电事故的发生

4.7.4、导致设备无法正常工作

5.7.5、引发恶性事故

6.7.6、导致线路短路

7.7.7、降低产品质量

8.7.8、影响通讯系统的正常工作

八、国内治理谐波污染的几种方法

1.8.1、无源谐波滤除装置

2.8.2、有源谐波滤除装置

3.8.3、无功补偿

∙九、谐波污染治理

1.9.1、谐波治理标准

2.9.2、滤波器及其种类

3.9.3、低压补偿滤波装置

4.9.4、高压滤波补偿装置

5.9.5、电容器

6.9.6、功率因数补偿系统

　　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。

[编辑本段]

一、谐波的来源

　　“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

谐波波形图

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。

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二、谐波的定义

　　谐波（harmonic）

　　定义：

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。

　　产生的原因：

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。

　　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。

　　谐波的治理：

　　有源电力滤波器是治理谐波的最优产品。

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三、谐波的产生

　　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。

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四、谐波的分类

　　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：

4.1、奇次谐波

　　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；

4.2、偶次谐波

　　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。

4.3、分量谐波

　　频率不是基波分量倍数的正弦曲线波。

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五、谐波的参数

5.1、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；

5.2、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；

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六、与谐波有关的参数定义

6.1、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。

6.2、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。

6.3、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。

6.4、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。

6.5、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IL和IC大于总电流I。

6.6、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UL和UC大于总电压U。

6.7、串联谐振谐电路

　　由电感（电抗器）和电容（电容器）串联的电路。

6.8、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。

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。

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七、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

　　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：

7.1、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。

7.2、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。

7.3、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。

7.4、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。

7.5、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。

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。

7.7、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。

7.8、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。

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八、国内治理谐波污染的几种方法

　　目前常用的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。

8.1、无源谐波滤除装置

　　无源滤波器的主要结构是用电感器与电容器串联起来，组成LC串联回路，并联于系统中，LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，例如5次、7次、11次谐振点上，达到滤除这3次谐波的目的。

　　8.1.1、无源滤波装置的优点

　　无源滤波装置的生产成本较低，吸收高次谐波，而所有滤波支路对基波呈现容性，正好满足无功补偿要求，不必另装并联电容器补偿装置，这种方法经济、简便，国内外广泛采用。

　　8.1.2、无源滤波装置的缺点

　　无源滤波装置滤波效果不太好，如果谐振频率设定得不好，会与系统产生谐振。

　　8.1.3、无源滤波装置的现状

　　现在，市场上流通较多的采取的滤波方法就是这一种，主要是因为低成本，用户容易接受。

虽滤波的效果较差，只要满足国家对谐波的限制标准和电力部门对无功的要求就行了。

由于其低成本，市场的需求也就大，一般而言，低压0.4KV系统大多数采用无源滤波方式，高压10KV几乎都是采用这种方式对谐波进行治理。

　　由于我国的中小企业大多数是私有的，业主对谐波的危害认识不足，一般不愿意拿出大量的经费来治理谐波，而有的企业由于谐波的含量太大，常规的无功补偿不能凑效，供电部门对无功的要求又是十分严格的，达不到就要罚款。

因此，业主不得不要求滤波。

因而，其市场的前景可观，经济效益也就可观了。

8.2、有源谐波滤除装置

　　　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。

　　8.2.1、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。

　　8.2.2、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。

　　8.2.3、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。

　　8.2.4、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。

　　8.2.5、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。

8.3、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。

　　8.3.1、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。

目前，常用的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。

　　8.3.2、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无功功率，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。

　　8.3.3、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。

　　8.3.4、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。

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九、谐波污染治理

　　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。

　　目前，治理谐波的主要方法就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电流，现在广泛采用的滤波器为无源滤波器。

9.1、谐波治理标准

　　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/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。

9.2、滤波器及其种类

　　　常用的滤波器，大致分为以下七种类型：

　　9.2.1、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。

　　9.2.2、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。

　　9.2.3、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。

　　9.2.4、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。

　　9.2.5、三阶高通滤波器

　　三阶高通滤波器一般用电弧炉滤波；

　　9.2.6、“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。

　　9.2.7、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，

绿波杰能MLAD-V系列无源滤波器

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、10KV、35KV电压等级而言，一般而言，主要滤波在6KV、10KV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。

9.3、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