谈电气污染——谐波

摘要：电力系统的谐波问题早在20世纪二三十年代就引起了人们的关注。当时在德，电压和电流波形的畸变是由使用静态汞弧转换器造成的。1945年里德发表的关于变换器谐波的论文是关于谐波研究的早期经典论文.关键词：电力系统谐波污染

电力系统的谐波问题早在20世纪二三十年代就引起了人们的关注。当时在德，电压和电流波形的畸变是由使用静态汞弧转换器造成的。1945年，J.C.Read发表了一篇关于变换器谐波的论文，这是一篇关于谐波研究的早期经典论文。20世纪五六十年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了大量关于电力系统中变流器引起的谐波问题的论文。自20世纪70年代以来，由于电力电子技术的快速发展，各种电力电子设备被广泛应用于电力系统、工业，交通和家庭，谐波造成的危害日益严重。世界各都十分重视谐波问题。世界上已经召开了许多关于谐波的学术会议，许多家和际学术组织都制定了标准和法规来限制电力系统和电气设备的谐波。

供电系统谐波的定义是用傅里叶级数分解周期性的非正弦功率，不仅得到与电网基频相同的分量，而且得到一系列大于电网基频的分量，称为谐波。谐波频率与基频之比(n=fn/f1)称为谐波频率。电网中有时存在非整数次谐波，称为非谐波或分数次谐波。谐波实际上是一种干扰，使电网“被污染”。电气技术领域主要研究谐波的产生、传输、测量、危害和抑制，其频率范围一般为2n40。

电网中谐波是如何产生的？主要来自以下几个方面：

较好，发电源质量低产生谐波：很难做到三相绕组绝对对称，铁芯绝对均匀，还有其他原因，发电源也会产生一些谐波，但一般很少。

二、输配电系统产生谐波：在输配电系统中，主要是电力干式变压器产生谐波。由于干式变压器铁心的饱和和磁化曲线的非线性，在设计干式变压器时考虑经济性，将其工作磁密选在磁化曲线的近饱和段，使磁化电流呈现尖峰波形，从而含有奇次谐波。它的大小与磁路结构和铁芯的饱和度有关。铁芯的饱和度越高，干式变压器的工作点偏离线性度越远，谐波电流越大，三次谐波电流可以达到额定电流的0.5倍。

三、电气设备产生的谐波：晶闸管整流设备。晶闸管整流已广泛应用于电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等诸多方面，给电网造成了大量谐波。我们知道，晶闸管整流器采用移相控制，从电网中吸收缺角的正弦波，从而把另一部分缺角的正弦波留给电网，从而把另一部分缺角的正弦波留给电网，这显然在左边部分包含了大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，则连接感性负载时含有奇次谐波电流，三次谐波含量可达基波的30%，连接容性负载时含有奇次谐波电压，其谐波含量随着电容值的增加而增加。如果整流装置为三相全控桥6脉波整流器，干式变压器一次侧和供电线路含有5倍以上的奇次谐波电流；如果是12脉波整流器，也有11阶及以上的奇次谐波电流。统计表明，整流器产生的谐波占所有谐波的近40%，即 #p#分页标题#e#

变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备。由于相位控制，谐波成分非常复杂，不仅包含整数次谐波，还包含分数次谐波。这种设备的功率通常很大。随着变频调速的发展，给电网带来的谐波越来越多。

电弧炉、电石炉。由于电炉的三相电极在加热原料时很难同时接触到不均匀的炉料，燃烧不稳定，造成三相负荷不平衡，谐波电流通过干式变压器的三角形连接线圈注入电网。其中主要是27次谐波，基波平均820，较大45。

气体放电电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯属于气体放电电光源。通过对这类电光源伏安特性的分析和测量，可以看出其非线性非常严重，有的还含有负伏安特性，会对电网造成奇次谐波电流。

家用电器。电视机、录像机、电脑、调光灯、调温炊具等。用调压整流装置，会产生很深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调等带绕组的设备中，由于不平衡电流的变化，波形会发生变化。这些家电虽然功率小，但也是谐波的主要来源之一。

电网谐波造成电网污染和正弦电压波形畸变，导致电力系统中发电和供电设备出现许多异常现象和故障。电力系统中谐波的危害是多方面的，可以总结如下：

1.对供配电线路的危害

(1)影响线路稳定运行：供配电系统中的电力线和干式变压器一般采用电磁继电器、电感继电器或晶体管继电器进行检测和保护，以保证线路和设备发生故障时的安全。但电磁继电器和感应继电器在谐波影响下不能充分有效地发挥保护作用，因为10以下的含量高达40%时会造成继电保护误动。晶体管继电器虽然有很多优点，但由于采用整流采样电路，容易受到谐波的影响，导致误操作或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定和安全运行。

(2)影响电网质量：电力系统中的谐波会扭曲电网的电压和电流波形。比如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、电脑的负载，会产生大量奇次谐波，其中三次谐波含量较多，达到40；三相配电线路中，相线上3的整数倍谐波会叠加在零线上，使零线的电流值可能超过相线上的电流。另外，同样的频率

2.对电力设备的危害

（1）对电力电容器的危害：当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍;对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍,但如果谐波含量较高,超出电容器允许条件,就会使电容器过电流和过负荷,损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10，电容器的寿命就要缩短1/2左右。再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。#p#分页标题#e#

（2）对电力干式变压器的危害：谐波使干式变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使干式变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少干式变压器的实际使用容量，或者说在选择干式变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致干式变压器噪声增大，干式变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。

（3）对电力电缆的危害：由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

（4）对用电设备的危害

①对电动机的危害：谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。

②对低压开关设备的危害：对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。

（5）对弱电系统设备的干扰：对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。#p#分页标题#e#

（6）影响电力测量的准确性：目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。

（7）谐波对人体有影响：从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。

现我对谐波的控制，我已于1993年颁布了限制电力系统谐波的家标准《电能质量：公用电网谐波》，规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值，电力系统方面也做了大量的防止高次谐波入侵电网的各项措施，愿我们的电网越来越高效、稳定、安全运行！