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中图分类号：TM7 文献标识码：TM 文章编号：1009-914X（2012）10- 0033–02
1.前言
理想的电力系统向用户提供的应该是一个恒定工频的正弦波形电压，但是由于各种原因，使这种理想状态在实际中无法存在。随着我国工业经济的快速发展，大量非线性负荷，如中频炉、电弧炉、大型轧机、变频设备等接入电网，组成了电网的主要谐波污染源。如果系统中有较强的谐波源，又没有采取有效的限制措施，电网的电压及电流波形就会发生畸变。
2.谐波产生的原因
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。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。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7 次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更大。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。
2.1中频炉、电弧炉等设备是谐波的主要来源
中频炉、电弧炉等作为一类高效的加热源已经非常普及。电弧炉是利用电极物料间产生的电弧熔炼金属，因此，它的电流波形很不规则，含有多种谐波（2次到7次）以及间谐波，这是谐波的一个重要来源。而中频炉是工频电流整流后再变为中频，再利用电磁感应来熔炼金属，因此产生大量的高次谐波，其中以5次、7次、11次等奇次谐波为主，这正是谐波的主要来源。
大型精轧机、初轧机、变频设备等频繁启动的电气设备，由于其频繁启动，因此，它的电流波形也很不规则，以5次、7次、11次等奇次谐波为主。这也是谐波的主要来源。
2.2用户变压器群是谐波的重要来源
一般情况下，三相变压器由于铁芯为“日”形状，中相比边相要短一半。因此，三个磁路的不对称引起变压器励磁电流中含有谐波分量。所以当对空载三相变压器加电压激励时，即使受电侧没有零序电流通路（中性点不接地或三角形接线），励磁电流中也会有谐波分量。虽然在实际运行时，这个谐波分量很小，但由于变压器绕组接法以及各绕组和电网各相的连接进行统一规定时，则各台变压器励磁电流里的同次谐波彼此叠加，形成了电网中谐波的又一重要来源。例如，在绝大多数配变电中，都是Y，yn 接线，变压器的中间的铁柱对应的线圈即中相接的都是B相，这样的统一接法，就为3、5、7等次谐波提供了一个分别互相叠加的条件。
2.3 谐波的其他来源
事实上，谐波还有其他的来源，各类生产用电，如电镀、电泵等，生活用电中，如电视机、电脑、荧光灯等采用开关电源或其他电力电子技术的装置，单独来看，所产生的谐波非常微小，但是由于其数量的极其庞大，也是不可忽视的一部分。
3.谐波对电力系统电网的危害
3.1谐波对电网上LC元件的危害
由于LC元件的存在，虽然在基波时不会发生谐振，但在某个特定谐波时却可能引起谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，电网谐振引起设备过电压，产生谐波过流，對设备造成危害，特别是对电容器和与之串联的电抗器。其中，特别要注意的是，由于电容器是容性负载，能与电网上感性设备（其它设备主要是感性设备）配合，构成共振条件，又由于其大小与谐波频率成反比，因此，电容更容易吸收谐波共振电流，引起电容过载，造成电容损坏，或者熔丝熔断。由于电容器对谐波的阻抗很小，谐波电流叠加到基波电流上，会使电力电容器中流过的电流有很大的增加，使电力电容器的温升增高，引起电容器过负荷甚至爆炸。同时，谐波还可能与电容器一起在电网中形成谐振，并又施加到电网中。
3.2谐波对电网中变压器和电动机的危害
谐波使电网中的电气设备产生额外的损耗（谐波功率），降低了设备的效率，同时会影响设备的正常工作。例如变压器局部严重过热；电容器、电缆等设备过热，电机产生机械振动等故障；绝缘部分老化、变质，严重时候甚至设备损坏。谐波电流的存在增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流损耗及铜损，对带有不对称负荷的变压器来说，会大大增加励磁电流的谐波分量。谐波会使电机的附加损耗增加，也会产生机械震动，产生甚至引起谐波过电压，使得电机绝缘损坏。
3.3谐波对继电保护和自动装置的危害
谐波导致继电保护和自动装置误动或拒动，造成不必要的损失。谐波会使电气测量仪表测量不准确，造成计量误差。对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动，造成整个保护系统的可靠性降低，容易引起系统故障或使系统故障扩大。
3.4谐波对通信系统及民用电器设备的危害
谐波还会对电气设备附近的通信系统产生干扰等其他危害。在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时，通过电磁耦合，会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压，干扰通信线路的正常工作，使通话清晰度降低，甚至会引起通信线路的破坏。电力谐波会使电视机、计算机的显示亮度发生波动，图像或图形发生畸变，甚至会使机器内部元件损坏，导致机器无法使用或系统无法运行。
3.5谐波对供电线路的危害
谐波对供电线路来说，由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很快增加，在线路中会有很大的电能浪费。另外，在电力系统中，由于中性线电流都很小，所以其线径一般都很细，当大量的谐波电流流过中性线时，会在其上产生大量的热量，不仅会破坏绝缘，严重时还会造成短路，甚至引起火灾。而当谐波频率与网络谐振频率相近或相同时，会在线路中产生很高的谐振电压，严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿，造成恶性事故。
4.电力系统谐波治理原则
根据GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》规定，在0.4kV/10kV/35kV时，电网谐波电压谐波占有率分别不得大于4%/3.2%/1.2%。为减少谐波产生的机会、减小谐波对电网的危害，必须对谐波进行治理。在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内。对于产生大量谐波的用户，在用户变的低压侧及高压侧均加装滤波装置。根据装置的原理不同，可分为无源电力滤波器（PPF）和有源电力滤波器（APF）。 4.1无源电力滤波器（PPF）
无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，利用电容、电感谐振的原理吸收并阻止相应次谐波，从而保证电压畸变率处在较低水平。当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。一般根据需要吸收的谐波次数，设置合适的LC参数，分别设置滤波装置。装设5、7次滤波装置，采用可控硅自动投切，在滤除谐波的同时，对无功也进行了补偿。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能，以及耗费多、体积大等。不能满足对无功功率和谐波进行快速动态补偿的要求（频繁启动的大型精轧机、初轧机等电气设备）。同时还要注意不能在滤除某次谐波时，LC参数恰好是另一个谐波的谐振参数，而使此谐波放大。因而随着电力电子技术的不断发展， 人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。
4.2有源电力滤波器（APF）
有源电力滤波器实质上是一个大功率的谐波发生器，它通过谐波采样装置将谐波源发出的谐波采集后，再完整地復制出大小相等、方向相反的谐波接入电网，将谐波抵消，其产生的谐波随谐波源的变化而变化，是一种新型的滤波装置，但费用较高。
与无源滤波器（PPF）相比，有源电力滤波器（APF）具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点。在性价比上较为合理，滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。
5.电力系统谐波的治理措施
既然谐波存在多方面的危害，采取必要的有效手段，避免或补偿已产生的谐波，就显得尤为重要。可归纳以下治理措施：
5.1改变部分运行、接线方式，减小谐波的产生
增加电网的短路容量、提高电气设备的短路比，来降低谐波对同一电网上其他设备的影响。加强运行时的实时控制，避免轻负荷、高电压的运行状态，以减少谐波电压过高对系统电器设备的影响。有意识的将配变电的（变压器）中间相改接A或者C相，减少变压器群产生的谐波。在可能的情况下，接成Δ，yn形，将谐波在高压侧消化。
当两台以上整流变压器由同有一段母线供电时，可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成Y型和△形， 这就可使5次、7次谐波相互抵消，而只需考虑11次、13次谐波的影响，由于频率高，波幅值小，所以危害性减小。
5.2在设计中注意避开谐波产生谐振的机会
根据《民用建筑电气设计规范》JGJ/T 16-923.3.10 “为控制各类非线性用电设备所产生的谐波引起的电网电压正弦波形畸变在合理范围内，宜采限下列措施：各类大功率非线性用电设备变压器的受电电压有多种可供选择时，如选用较低电压不能符合要求，宜选用较高电压。”也就是中频炉、变频设备等大功率非线性用电设备在选型时，尽量选择较高电压。
5.3采取脉宽调制（PWM）法
采用脉宽调制（PWM）技术，在所需要的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流电压脉冲，这种方法可以大大抑制谐波的产生。
5.4增加整流器的脉动数
高次谐波电流与整流相数密切相关，即相数增多，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流副值变小。一般可控硅整流装置多为6相， 为了降低高次谐波电流，可以改用12相或34 相。当采用12相整流时，高次谐波电流只占全电流的10%，危害性大大降低。
5.5 改善供电系统及环境
对于供电系统来说，谐波的产生不可避免，但通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施都可以提高电网抗谐波的能力。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电， 减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。
5.6防止并联电容器组对谐波的放大
在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量， 避免电容器对谐波的放大。
5.7 加装静止无功补偿装置
快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。
6.结语
“谐波污染”已经成为电网的公害之一，只有各方面都重视起来，进行治理，才能保障电网一个正常运行的环境。
1.前言
理想的电力系统向用户提供的应该是一个恒定工频的正弦波形电压，但是由于各种原因，使这种理想状态在实际中无法存在。随着我国工业经济的快速发展，大量非线性负荷，如中频炉、电弧炉、大型轧机、变频设备等接入电网，组成了电网的主要谐波污染源。如果系统中有较强的谐波源，又没有采取有效的限制措施，电网的电压及电流波形就会发生畸变。
2.谐波产生的原因
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。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。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7 次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更大。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。
2.1中频炉、电弧炉等设备是谐波的主要来源
中频炉、电弧炉等作为一类高效的加热源已经非常普及。电弧炉是利用电极物料间产生的电弧熔炼金属，因此，它的电流波形很不规则，含有多种谐波（2次到7次）以及间谐波，这是谐波的一个重要来源。而中频炉是工频电流整流后再变为中频，再利用电磁感应来熔炼金属，因此产生大量的高次谐波，其中以5次、7次、11次等奇次谐波为主，这正是谐波的主要来源。
大型精轧机、初轧机、变频设备等频繁启动的电气设备，由于其频繁启动，因此，它的电流波形也很不规则，以5次、7次、11次等奇次谐波为主。这也是谐波的主要来源。
2.2用户变压器群是谐波的重要来源
一般情况下，三相变压器由于铁芯为“日”形状，中相比边相要短一半。因此，三个磁路的不对称引起变压器励磁电流中含有谐波分量。所以当对空载三相变压器加电压激励时，即使受电侧没有零序电流通路（中性点不接地或三角形接线），励磁电流中也会有谐波分量。虽然在实际运行时，这个谐波分量很小，但由于变压器绕组接法以及各绕组和电网各相的连接进行统一规定时，则各台变压器励磁电流里的同次谐波彼此叠加，形成了电网中谐波的又一重要来源。例如，在绝大多数配变电中，都是Y，yn 接线，变压器的中间的铁柱对应的线圈即中相接的都是B相，这样的统一接法，就为3、5、7等次谐波提供了一个分别互相叠加的条件。
2.3 谐波的其他来源
事实上，谐波还有其他的来源，各类生产用电，如电镀、电泵等，生活用电中，如电视机、电脑、荧光灯等采用开关电源或其他电力电子技术的装置，单独来看，所产生的谐波非常微小，但是由于其数量的极其庞大，也是不可忽视的一部分。
3.谐波对电力系统电网的危害
3.1谐波对电网上LC元件的危害
由于LC元件的存在，虽然在基波时不会发生谐振，但在某个特定谐波时却可能引起谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，电网谐振引起设备过电压，产生谐波过流，對设备造成危害，特别是对电容器和与之串联的电抗器。其中，特别要注意的是，由于电容器是容性负载，能与电网上感性设备（其它设备主要是感性设备）配合，构成共振条件，又由于其大小与谐波频率成反比，因此，电容更容易吸收谐波共振电流，引起电容过载，造成电容损坏，或者熔丝熔断。由于电容器对谐波的阻抗很小，谐波电流叠加到基波电流上，会使电力电容器中流过的电流有很大的增加，使电力电容器的温升增高，引起电容器过负荷甚至爆炸。同时，谐波还可能与电容器一起在电网中形成谐振，并又施加到电网中。
3.2谐波对电网中变压器和电动机的危害
谐波使电网中的电气设备产生额外的损耗（谐波功率），降低了设备的效率，同时会影响设备的正常工作。例如变压器局部严重过热；电容器、电缆等设备过热，电机产生机械振动等故障；绝缘部分老化、变质，严重时候甚至设备损坏。谐波电流的存在增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流损耗及铜损，对带有不对称负荷的变压器来说，会大大增加励磁电流的谐波分量。谐波会使电机的附加损耗增加，也会产生机械震动，产生甚至引起谐波过电压，使得电机绝缘损坏。
3.3谐波对继电保护和自动装置的危害
谐波导致继电保护和自动装置误动或拒动，造成不必要的损失。谐波会使电气测量仪表测量不准确，造成计量误差。对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动，造成整个保护系统的可靠性降低，容易引起系统故障或使系统故障扩大。
3.4谐波对通信系统及民用电器设备的危害
谐波还会对电气设备附近的通信系统产生干扰等其他危害。在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时，通过电磁耦合，会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压，干扰通信线路的正常工作，使通话清晰度降低，甚至会引起通信线路的破坏。电力谐波会使电视机、计算机的显示亮度发生波动，图像或图形发生畸变，甚至会使机器内部元件损坏，导致机器无法使用或系统无法运行。
3.5谐波对供电线路的危害
谐波对供电线路来说，由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很快增加，在线路中会有很大的电能浪费。另外，在电力系统中，由于中性线电流都很小，所以其线径一般都很细，当大量的谐波电流流过中性线时，会在其上产生大量的热量，不仅会破坏绝缘，严重时还会造成短路，甚至引起火灾。而当谐波频率与网络谐振频率相近或相同时，会在线路中产生很高的谐振电压，严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿，造成恶性事故。
4.电力系统谐波治理原则
根据GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》规定，在0.4kV/10kV/35kV时，电网谐波电压谐波占有率分别不得大于4%/3.2%/1.2%。为减少谐波产生的机会、减小谐波对电网的危害，必须对谐波进行治理。在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内。对于产生大量谐波的用户，在用户变的低压侧及高压侧均加装滤波装置。根据装置的原理不同，可分为无源电力滤波器（PPF）和有源电力滤波器（APF）。 4.1无源电力滤波器（PPF）
无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，利用电容、电感谐振的原理吸收并阻止相应次谐波，从而保证电压畸变率处在较低水平。当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。一般根据需要吸收的谐波次数，设置合适的LC参数，分别设置滤波装置。装设5、7次滤波装置，采用可控硅自动投切，在滤除谐波的同时，对无功也进行了补偿。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能，以及耗费多、体积大等。不能满足对无功功率和谐波进行快速动态补偿的要求（频繁启动的大型精轧机、初轧机等电气设备）。同时还要注意不能在滤除某次谐波时，LC参数恰好是另一个谐波的谐振参数，而使此谐波放大。因而随着电力电子技术的不断发展， 人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。
4.2有源电力滤波器（APF）
有源电力滤波器实质上是一个大功率的谐波发生器，它通过谐波采样装置将谐波源发出的谐波采集后，再完整地復制出大小相等、方向相反的谐波接入电网，将谐波抵消，其产生的谐波随谐波源的变化而变化，是一种新型的滤波装置，但费用较高。
与无源滤波器（PPF）相比，有源电力滤波器（APF）具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点。在性价比上较为合理，滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。
5.电力系统谐波的治理措施
既然谐波存在多方面的危害，采取必要的有效手段，避免或补偿已产生的谐波，就显得尤为重要。可归纳以下治理措施：
5.1改变部分运行、接线方式，减小谐波的产生
增加电网的短路容量、提高电气设备的短路比，来降低谐波对同一电网上其他设备的影响。加强运行时的实时控制，避免轻负荷、高电压的运行状态，以减少谐波电压过高对系统电器设备的影响。有意识的将配变电的（变压器）中间相改接A或者C相，减少变压器群产生的谐波。在可能的情况下，接成Δ，yn形，将谐波在高压侧消化。
当两台以上整流变压器由同有一段母线供电时，可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成Y型和△形， 这就可使5次、7次谐波相互抵消，而只需考虑11次、13次谐波的影响，由于频率高，波幅值小，所以危害性减小。
5.2在设计中注意避开谐波产生谐振的机会
根据《民用建筑电气设计规范》JGJ/T 16-923.3.10 “为控制各类非线性用电设备所产生的谐波引起的电网电压正弦波形畸变在合理范围内，宜采限下列措施：各类大功率非线性用电设备变压器的受电电压有多种可供选择时，如选用较低电压不能符合要求，宜选用较高电压。”也就是中频炉、变频设备等大功率非线性用电设备在选型时，尽量选择较高电压。
5.3采取脉宽调制（PWM）法
采用脉宽调制（PWM）技术，在所需要的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流电压脉冲，这种方法可以大大抑制谐波的产生。
5.4增加整流器的脉动数
高次谐波电流与整流相数密切相关，即相数增多，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流副值变小。一般可控硅整流装置多为6相， 为了降低高次谐波电流，可以改用12相或34 相。当采用12相整流时，高次谐波电流只占全电流的10%，危害性大大降低。
5.5 改善供电系统及环境
对于供电系统来说，谐波的产生不可避免，但通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施都可以提高电网抗谐波的能力。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电， 减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。
5.6防止并联电容器组对谐波的放大
在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量， 避免电容器对谐波的放大。
5.7 加装静止无功补偿装置
快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。
6.结语
“谐波污染”已经成为电网的公害之一，只有各方面都重视起来，进行治理，才能保障电网一个正常运行的环境。