什么是谐波？谐波有什么危害？如何治理谐波？_一次谐波二次谐波三次谐波

     在配电管理中，“谐波”是一个经常被提及的术语，但很多人对其了解并不深入。本文将从“谐波的定义、谐波的危害、以及谐波的治理方法”这三个方面，为读者提供全面而详细的介绍。

1.基本概念

     交流电网中，由于许多非线性电气设备的投入运行，其电压、电流波形实际上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸变的非正弦波。对周期性交流量进行傅里叶级数分解，得到的频率与工频相同的分量称为基波（fundamental），得到的频率为基波频率大于1整数倍的分量称为谐波（harmonic，HR），得到的频率不等于基波频率整数倍的分量称为间歇波（interharmonic，IHR）。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。

     基波频率为电网频率（工频50Hz），谐波次数（h）是谐波频率与基波频率的整数比，间歇波次数（ih）是间歇波频率与基波频率的比值。如基波为50Hz时，2次谐波为100Hz，3次谐波则是150Hz。

     谐波按照相序，分为正序谐波（第4、7、10、...、3h+1次），负序谐波（第2、5、8、...、3h-1次）、零序谐波（第3、6、9、...、3h次）。按照谐波次数，分为偶次谐波、奇次谐波、间歇波（非整数次谐波）

     一般来说，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等，变频器主要产生5、7次谐波。

2.谐波源及常用设备产生的谐波电流值

     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。

2.1谐波源定义

     用户向公用电网注入谐波电流的电气设备或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，统称为谐波源。常见谐波源主要有换流设备、电弧炉、铁芯设备、照明设备、某些生活日用电器等非线性电气设备。

2.2常用设备产生的谐波

2.2.1换流设备

     换流器利用整流元件的导通、截止特性来强行接通和切断电流，产生谐波电流。一般来说多相换流设备是电力系统中数量最大的谐波源，其主回路通常不带中性导体。这种设备主要包括整流器（交流-直流）、逆变器（交流-直流-交流）、变频器（交流-直流-交流，交流-交流）等。

2.2.2电弧炉

     电弧炉一般是三相式，通过专用的电炉变压器供电。电弧炉的冶炼过程分两个阶段，即熔化期和精炼期。在熔化期，相当多的炉内填料未熔化而成块状固体，电弧阻抗不稳定。有时因电极插入熔化金属中而在电极间形成金属性短路，这时借助电炉变压器的阻抗和所串联的电抗器来限值短路电流。电弧炉因电弧的负阻抗特性（电弧的阻抗随电流的增大而急剧减小）和熔化期三相电极反复不规则地短路和断弧而产生谐波和间歇波。由于三相负荷不对称，存在较多的3次谐波。

2.2.3铁芯设备

     铁芯设备主要为各种变压器及铁芯电抗器。电力变压器的铁芯具有非线性的磁化特性，而变压器的额定磁通密度B值一般都设计在其磁滞回线（B-H曲线）的拐点附近，造成变压器的励磁电流（即空载电流io）为非正弦波形，其中含有大量的谐波电流（奇次谐波）。

2.2.4照明设备

     气体放电灯利用具有一定压力的汞、钠、镝、铟或金属卤化物的蒸汽，电弧放电时因具有负阻抗特性而产生谐波电流，电子镇流器的整流电路流与高频逆变电路也产生大量谐波电流，电感整流器产生的谐波电流较少；气体放电灯主要产生3次谐波；LED灯的驱动电源也存在不同程度的谐波。

2.2.5生活日用电器

     各种对设备工作电压进行通断控制、电压调整的生活日用电器在工作中将产生谐波和间歇波，如电视机、计算机、电烤箱、电磁炉灯。日用电器中，空调机所占的比重较大，对某型号空调机测试结果表明，空调机谐波电流的含量视工作方式的不同而有所不同，变频空调机的谐波电流含量远大于一般空调机。

3.谐波的危害

     理想的公网电网应当提供单一且稳定的频率以及规定的电压幅值。然而，谐波对公用电网和其他系统造成的危害不容忽视，主要体现在以下几个方面：

• 1）谐波电流流经变压器时，会显著增加铁芯损耗，导致变压器过热，进而缩短其使用寿命。

• 2）当谐波电流通过交流电动机时，不仅使电动机铁芯损耗增大，还会引发转子振动，对机械加工产品的质量产生严重影响。

• 3）电容器对高次谐波的阻抗非常小，因此当含有高次谐波的电压施加在电容器两端时，电容器很容易过负荷而损坏。

• 4）谐波电流会导致电力线路的电能损耗增加。

• 5）谐波可能引起电力系统的电压谐振，产生过电压，有可能击穿线路设备的绝缘。当大量的3次谐波流过中性线时，线路可能过热，甚至引发火灾。

• 6）谐波会使系统的继电保护和自动装置发生误动作，同时导致电气测量仪表的计量不准确。

• 7）谐波产生的附加磁场干扰会影响电子仪表和通讯系统的正常工作，从而降低通讯质量。

4.谐波限值

     判断谐波是否正常需要根据电力系统的实际情况进行分析。一般来说，谐波含量低于国标的限额，同时能保证系统平安运行，就可以认为谐波是正常的。合格标准与电压等级有关，如220则总电压畸变率 5%以内合格，10kV就4%了。详见国标《电能质量 公共电网谐波 GB /T 14549--93》。

4.1电压谐波限值

     从GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的规定，我们可以看出：对于不同等级的公用电网，允许电压总畸变率也不相同，电压等级越高，谐波电压限制也就越严格；另外，对偶次谐波电压的限制，也要比对奇次谐波电压的限制要严格。

     GB/T 14549-1993规定的公用电网的谐波电压限值

4.2电流谐波限值

     谐波电流限值确定的原则为，公共连接点全部用户向该点注入的谐波电流造成的谐波电压水平不应超过下表中规定的限值。

5.减小谐波影响的措施

     为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，主要有两条思路：

• 1）装设谐波补偿装置，这对各类谐波源都是适用的。常见的有“就地治理谐波”、“母线集中治理”、“综合治理（就地与集中结合起来）”。
• 2）对产生谐波的电力装置进行改造，使其不产生谐波，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置，如换流装置的改造。

6.小结

上海智洋提供的园区能源管理系统和工厂智慧能源管理系统，具备全链路用电监测功能，覆盖园区、楼宇、工厂等各个层面。通过对各回路设备的谐波进行实时监控和深入分析，我们为客户提供了精准、有效的数据支持，助力他们更好地进行谐波治理工作。