1 電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生

　　 1.1　電源本身諧波

　　 由于發(fā)電機(jī)制造工藝的問題，致使電樞表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布稍稍偏離正弦波，因此，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)稍稍偏離正弦電動(dòng)勢(shì)，即所產(chǎn)生的電流稍偏離正弦電流。當(dāng)然，幾個(gè)這樣的電源并網(wǎng)時(shí)，總電源的電流也將偏離正弦波。

　　 1.2　由非線性負(fù)載所致

　　 1.2.1 非線性負(fù)載

　　 諧波產(chǎn)生的另一個(gè)原因是由于非線性負(fù)載。當(dāng)電流流經(jīng)線性負(fù)載時(shí)，負(fù)載上電流與施加電壓呈線性關(guān)系；而電流流經(jīng)非線性負(fù)載時(shí)，則負(fù)載上電流為非正弦電波，即產(chǎn)生了諧波。

　　 1.2.2 主要非線性負(fù)載裝置

　　 （１）開關(guān)電源的高次諧波：開關(guān)電源由五部分組成：一次整流、開關(guān)振蕩回路、二次整流、負(fù)載和控制，這幾個(gè)部分產(chǎn)生的噪聲不*一樣。這幾種干擾可以通過電源線等產(chǎn)生輻射干擾，也可以通過電源產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。

　　 （２）變壓器空載合閘涌流產(chǎn)生諧波

　　 鐵心中磁通變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生８～１５倍額定電流的涌流，由于線圈電阻的存在，變壓器空載合閘涌流一般經(jīng)過幾個(gè)周波即可達(dá)到穩(wěn)定。所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流所含的諧波成份以３次諧波為主。

　　 （３）單相電容器組開斷時(shí)的瞬態(tài)過電壓干擾：電力電子調(diào)速系統(tǒng)普遍應(yīng)用于工業(yè)中改進(jìn)電機(jī)效率及靈活性設(shè)備，調(diào)速裝置內(nèi)電力電子器件對(duì)過電壓特別敏感，因此線路中瞬態(tài)過電壓會(huì)造成調(diào)速系統(tǒng)的過電壓保護(hù)誤跳閘。由于與中壓母線相連的電容器要經(jīng)常操作，這意味著調(diào)速系統(tǒng)誤跳閘事故會(huì)經(jīng)常發(fā)生；

　　 （４）電壓互感器鐵磁諧振過電壓：在我國１０ｋＶ、３５ｋＶ等級(jí)的中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)中，為了監(jiān)視對(duì)地絕緣，一般采用三相五柱式電壓互感器。在正常情況下，三相對(duì)地電壓是平衡的，但是由于發(fā)生單相接地故障等原因，會(huì)導(dǎo)致三相對(duì)地電壓平衡的破壞，還有可能使電壓互感器線圈電感Ｌ和系統(tǒng)對(duì)地電容Ｃ在參數(shù)上配合，而產(chǎn)生諧振過電壓。

　　（５）整流器和逆變器產(chǎn)生的諧波電壓、電流：整流器的作用將交流電轉(zhuǎn)成直流電，而逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電。其電路中的二極管視為理想二極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無窮大。因此，只允許電流單方向流動(dòng)，從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級(jí)數(shù)展開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波（５０Ｈｚ基波）外，還疊加了一系列高次波形——諧波。應(yīng)該說電動(dòng)機(jī)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，可以高水平完成調(diào)速外，也可以節(jié)省大量電能（近３０％），但如前面分析，變頻調(diào)速過程中要產(chǎn)生高次諧波，即形成高次諧波污染，造成廠區(qū)的電視、音響系統(tǒng)不能正常工作，還要干擾二次儀表——壓力、流量、可編程控制器及智能控制器正常工作，諧波還要使變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器及電抗器產(chǎn)生過熱。

　?。ǎ叮╇娀t運(yùn)行引起電壓波動(dòng)：隨著冶煉工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)然會(huì)更多地使用電弧爐，這是一個(gè)重要負(fù)荷。運(yùn)行時(shí)，電極和金屬碎粒之間會(huì)發(fā)生頻繁斷路，而在熔化期間，電源兩相短路，一旦熔化金屬從電極上落下，電弧熄滅，電源又開路，因此，可以說冶煉過程是頻繁的短路－開路－短路的過程，會(huì)引起用戶端電壓波動(dòng)及白熾燈閃爍，一般電壓波動(dòng)頻率是０．１Ｈｚ～幾十Ｈｚ，這種諧波是以３次諧波為主。

　　 2　諧波的危害

　　 2.1 污染公用電網(wǎng)

　　 如果公用電網(wǎng)的諧波特別嚴(yán)重，則不但使接入該電網(wǎng)的設(shè)備（電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等）無法正常工作，甚至?xí)斐晒收?，而且還會(huì)造成向公用電網(wǎng)的中性線注入更多電流，造成超載、發(fā)熱，影響電力正常輸送。

　　 2.2 影響變壓器工作

　　 諧波電流，特別是３次（及其倍數(shù)）諧波侵入三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組發(fā)熱。對(duì)Ｙ形連接中性線接地系統(tǒng)中，侵入變壓器的中性線的３次諧波電流會(huì)使中性線發(fā)熱。

　　 2.3 影響繼電保護(hù)的可靠性

　　 如果繼電保護(hù)裝置是按基波負(fù)序量整定其整定值大小，此時(shí)，若諧波干擾疊加到極低的整定值上，則可能會(huì)引起負(fù)序保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，影響電力系統(tǒng)安全。

　　 2.4 加速金屬化膜電容器老化

　　 在電網(wǎng)中金屬化膜電容器被大量用于無功補(bǔ)償或?yàn)V波器，而在諧波的長(zhǎng)期作用下，金屬化膜電容器會(huì)加速老化。

　　 2.5 增加輸電線路功耗

　　 如果電網(wǎng)中含有高次諧波電流，那么，高次諧波電流會(huì)使輸電線路功耗增加。

　　 如果輸電線是電纜線路，與架空線路相比，電纜線路對(duì)地電容要大１０～２０倍，而感抗僅為其１／３～１／２，所以很容易形成諧波諧振，造成絕緣擊穿。

　　 2.6 增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗

　　 上一般認(rèn)為電動(dòng)機(jī)在正常持續(xù)運(yùn)行條件下，電網(wǎng)中負(fù)序電壓不超過額定電壓的２％，如果電網(wǎng)中諧波電壓折算成等值基波負(fù)序電壓大于這個(gè)數(shù)值，則附加功耗明顯增加。

　　 2.7 影響或干擾測(cè)量控制儀器、通訊系統(tǒng)工作

　　 例如，直流輸電中，直流換流站換相時(shí)會(huì)產(chǎn)生３～１０ｋＨｚ高頻噪聲，會(huì)干擾電力載波通信的正常工作。

　　 3　諧波抑制技術(shù)

　　 3.1 整機(jī)電源需留有較大貯備量

　　 為了使測(cè)量、控制裝置能滿足負(fù)載較大變化范圍，因此在設(shè)計(jì)整機(jī)電源時(shí)，可給予較大貯備量，一般選?。埃怠北队嗔?；

　　 3.2 對(duì)干擾大的設(shè)備與測(cè)控裝置采用不同相線供電

　　 因?yàn)闇y(cè)量、控制裝置的許多干擾是由電源線竄入的，因此在規(guī)劃供電線路時(shí)，對(duì)干擾大的設(shè)備與測(cè)控裝置采用不同相線供電，；

　　 3.3 將測(cè)量、控制裝置的供電與動(dòng)力裝置的供電分開

　　 因?yàn)閯?dòng)力裝置的負(fù)荷變動(dòng)大，測(cè)量、控制、微機(jī)及電視機(jī)的負(fù)荷小，動(dòng)力裝置產(chǎn)生的干擾大，供電電源分開后，測(cè)量、控制、微機(jī)及電視機(jī)的電源與動(dòng)力裝置的電源相互隔離，可以大大減少通過電源線的干擾。

　　 3.4 其余抑制高次諧波的技術(shù)

　　 3.4.1 開關(guān)電源干擾的抑制技術(shù)

　　 一般采用的辦法是：電源濾波、屏蔽及減少開關(guān)電源本身干擾能量。

　　 采用電源濾波器，電源濾波器可以阻止電網(wǎng)中的干擾進(jìn)入開關(guān)電源，也可以阻止開關(guān)電源的干擾進(jìn)入電網(wǎng)。

　　 屏蔽技術(shù)可以有效地防止向外輻射干擾。

　　 減少開關(guān)電源本身干擾，利用改善線圈繞制工藝，確保繞組之間緊密耦合，以減少變壓器漏感。還可以在高頻整流二極管上串入可飽和磁芯線圈，利用流過反向電流時(shí)，因磁芯不飽和而產(chǎn)生的較大電勢(shì)阻止反向電流上升。

　　 3.4.2 變壓器空載合閘涌流抑止方法

　　 根據(jù)方程Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＝Φｍｓｉｎωｔ，如果合閘時(shí)，α＝90（即Ｕ１＝Ｕ１ｍ便合閘），則：

　　 Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＝Φｍｓｉｎωt沒有暫態(tài)分量，合閘后磁通立即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，理論上可以避免沖擊涌流過程。

　　 3.4.3 抑制單相電容器組開斷瞬態(tài)過電壓方法

　　 如果采用選相斷路器投切電容器，則可以消除或大大降低投切電容器產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓，從而使接在母線上的電力電子調(diào)速系統(tǒng)可以穩(wěn)定地工作，接在母線上的其余設(shè)備也可不受過電壓干擾的影響。

　　 3.4.4 抑制電壓互感器鐵磁諧振方法

　　 其方法是要使它脫離諧振區(qū)，采用中性點(diǎn)不接地的電壓互感器或采用電容分壓器可以從根本上避免鐵磁諧振。

　　 3.4.5 抑止整流和逆變產(chǎn)生的諧波

　　 （１）在變頻器前加裝電源濾波器。一種成本比較低的方法是在電源側(cè)加裝三只６８０μｆ２５０ＶＡＣ的電容，（分別接在Ｌ－Ｎ上）這種方法可使電磁干擾電流降至原來的１／１０，效果較明顯；

　　 （２）變頻器的電源電纜采用屏蔽電纜，屏蔽電纜穿鐵管并接地，輸出電纜也穿鐵管并接地，屏蔽層應(yīng)在接變頻器處和電機(jī)處兩端都接地。

　　 3.4.6 抑止電弧爐運(yùn)行時(shí)的干擾

　?。ǎ保┰诤线m地段加入電容補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償無功波動(dòng)；

　?。ǎ玻┛梢灾匦掳才殴╇娤到y(tǒng)。

　　4 結(jié)束語

　　 隨著非線性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波問題越來越嚴(yán)重，一方面造成了電力設(shè)備的損壞，加速絕緣老化，另一方面也影響了計(jì)算機(jī)、電視系統(tǒng)等電子設(shè)備正常工作，直接擾亂了人們的正常生活。

　　 諧波問題涉及供電部門、電力用戶和設(shè)備制造商，諧波問題已引起人們的高度重視。應(yīng)合理規(guī)劃電網(wǎng)，電力電子設(shè)備（特別一次設(shè)備）應(yīng)符合電磁發(fā)射水平，電子設(shè)備、電子儀器應(yīng)滿足電磁兼容性要求。

1 電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生

　　 1.1　電源本身諧波

　　 由于發(fā)電機(jī)制造工藝的問題，致使電樞表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布稍稍偏離正弦波，因此，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)稍稍偏離正弦電動(dòng)勢(shì)，即所產(chǎn)生的電流稍偏離正弦電流。當(dāng)然，幾個(gè)這樣的電源并網(wǎng)時(shí)，總電源的電流也將偏離正弦波。

　　 1.2　由非線性負(fù)載所致

　　 1.2.1 非線性負(fù)載

　　 諧波產(chǎn)生的另一個(gè)原因是由于非線性負(fù)載。當(dāng)電流流經(jīng)線性負(fù)載時(shí)，負(fù)載上電流與施加電壓呈線性關(guān)系；而電流流經(jīng)非線性負(fù)載時(shí)，則負(fù)載上電流為非正弦電波，即產(chǎn)生了諧波。

　　 1.2.2 主要非線性負(fù)載裝置

　　 （１）開關(guān)電源的高次諧波：開關(guān)電源由五部分組成：一次整流、開關(guān)振蕩回路、二次整流、負(fù)載和控制，這幾個(gè)部分產(chǎn)生的噪聲不*一樣。這幾種干擾可以通過電源線等產(chǎn)生輻射干擾，也可以通過電源產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。

　　 （２）變壓器空載合閘涌流產(chǎn)生諧波

　　 鐵心中磁通變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生８～１５倍額定電流的涌流，由于線圈電阻的存在，變壓器空載合閘涌流一般經(jīng)過幾個(gè)周波即可達(dá)到穩(wěn)定。所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流所含的諧波成份以３次諧波為主。

　　 （３）單相電容器組開斷時(shí)的瞬態(tài)過電壓干擾：電力電子調(diào)速系統(tǒng)普遍應(yīng)用于工業(yè)中改進(jìn)電機(jī)效率及靈活性設(shè)備，調(diào)速裝置內(nèi)電力電子器件對(duì)過電壓特別敏感，因此線路中瞬態(tài)過電壓會(huì)造成調(diào)速系統(tǒng)的過電壓保護(hù)誤跳閘。由于與中壓母線相連的電容器要經(jīng)常操作，這意味著調(diào)速系統(tǒng)誤跳閘事故會(huì)經(jīng)常發(fā)生；

　　 （４）電壓互感器鐵磁諧振過電壓：在我國１０ｋＶ、３５ｋＶ等級(jí)的中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)中，為了監(jiān)視對(duì)地絕緣，一般采用三相五柱式電壓互感器。在正常情況下，三相對(duì)地電壓是平衡的，但是由于發(fā)生單相接地故障等原因，會(huì)導(dǎo)致三相對(duì)地電壓平衡的破壞，還有可能使電壓互感器線圈電感Ｌ和系統(tǒng)對(duì)地電容Ｃ在參數(shù)上配合，而產(chǎn)生諧振過電壓。

　?。ǎ担┱髌骱湍孀兤鳟a(chǎn)生的諧波電壓、電流：整流器的作用將交流電轉(zhuǎn)成直流電，而逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電。其電路中的二極管視為理想二極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無窮大。因此，只允許電流單方向流動(dòng)，從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級(jí)數(shù)展開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波（５０Ｈｚ基波）外，還疊加了一系列高次波形——諧波。應(yīng)該說電動(dòng)機(jī)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，可以高水平完成調(diào)速外，也可以節(jié)省大量電能（近３０％），但如前面分析，變頻調(diào)速過程中要產(chǎn)生高次諧波，即形成高次諧波污染，造成廠區(qū)的電視、音響系統(tǒng)不能正常工作，還要干擾二次儀表——壓力、流量、可編程控制器及智能控制器正常工作，諧波還要使變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器及電抗器產(chǎn)生過熱。

　?。ǎ叮╇娀t運(yùn)行引起電壓波動(dòng)：隨著冶煉工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)然會(huì)更多地使用電弧爐，這是一個(gè)重要負(fù)荷。運(yùn)行時(shí)，電極和金屬碎粒之間會(huì)發(fā)生頻繁斷路，而在熔化期間，電源兩相短路，一旦熔化金屬從電極上落下，電弧熄滅，電源又開路，因此，可以說冶煉過程是頻繁的短路－開路－短路的過程，會(huì)引起用戶端電壓波動(dòng)及白熾燈閃爍，一般電壓波動(dòng)頻率是０．１Ｈｚ～幾十Ｈｚ，這種諧波是以３次諧波為主。

　　 2　諧波的危害

　　 2.1 污染公用電網(wǎng)

　　 如果公用電網(wǎng)的諧波特別嚴(yán)重，則不但使接入該電網(wǎng)的設(shè)備（電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等）無法正常工作，甚至?xí)斐晒收?，而且還會(huì)造成向公用電網(wǎng)的中性線注入更多電流，造成超載、發(fā)熱，影響電力正常輸送。

　　 2.2 影響變壓器工作

　　 諧波電流，特別是３次（及其倍數(shù)）諧波侵入三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組發(fā)熱。對(duì)Ｙ形連接中性線接地系統(tǒng)中，侵入變壓器的中性線的３次諧波電流會(huì)使中性線發(fā)熱。

　　 2.3 影響繼電保護(hù)的可靠性

　　 如果繼電保護(hù)裝置是按基波負(fù)序量整定其整定值大小，此時(shí)，若諧波干擾疊加到極低的整定值上，則可能會(huì)引起負(fù)序保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，影響電力系統(tǒng)安全。

　　 2.4 加速金屬化膜電容器老化

　　 在電網(wǎng)中金屬化膜電容器被大量用于無功補(bǔ)償或?yàn)V波器，而在諧波的長(zhǎng)期作用下，金屬化膜電容器會(huì)加速老化。

　　 2.5 增加輸電線路功耗

　　 如果電網(wǎng)中含有高次諧波電流，那么，高次諧波電流會(huì)使輸電線路功耗增加。

　　 如果輸電線是電纜線路，與架空線路相比，電纜線路對(duì)地電容要大１０～２０倍，而感抗僅為其１／３～１／２，所以很容易形成諧波諧振，造成絕緣擊穿。

　　 2.6 增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗

　　 上一般認(rèn)為電動(dòng)機(jī)在正常持續(xù)運(yùn)行條件下，電網(wǎng)中負(fù)序電壓不超過額定電壓的２％，如果電網(wǎng)中諧波電壓折算成等值基波負(fù)序電壓大于這個(gè)數(shù)值，則附加功耗明顯增加。

　　 2.7 影響或干擾測(cè)量控制儀器、通訊系統(tǒng)工作

　　 例如，直流輸電中，直流換流站換相時(shí)會(huì)產(chǎn)生３～１０ｋＨｚ高頻噪聲，會(huì)干擾電力載波通信的正常工作。

　　 3　諧波抑制技術(shù)

　　 3.1 整機(jī)電源需留有較大貯備量

　　 為了使測(cè)量、控制裝置能滿足負(fù)載較大變化范圍，因此在設(shè)計(jì)整機(jī)電源時(shí)，可給予較大貯備量，一般選取０．５～１倍余量；

　　 3.2 對(duì)干擾大的設(shè)備與測(cè)控裝置采用不同相線供電

　　 因?yàn)闇y(cè)量、控制裝置的許多干擾是由電源線竄入的，因此在規(guī)劃供電線路時(shí)，對(duì)干擾大的設(shè)備與測(cè)控裝置采用不同相線供電，；

　　 3.3 將測(cè)量、控制裝置的供電與動(dòng)力裝置的供電分開

　　 因?yàn)閯?dòng)力裝置的負(fù)荷變動(dòng)大，測(cè)量、控制、微機(jī)及電視機(jī)的負(fù)荷小，動(dòng)力裝置產(chǎn)生的干擾大，供電電源分開后，測(cè)量、控制、微機(jī)及電視機(jī)的電源與動(dòng)力裝置的電源相互隔離，可以大大減少通過電源線的干擾。

　　 3.4 其余抑制高次諧波的技術(shù)

　　 3.4.1 開關(guān)電源干擾的抑制技術(shù)

　　 一般采用的辦法是：電源濾波、屏蔽及減少開關(guān)電源本身干擾能量。

　　 采用電源濾波器，電源濾波器可以阻止電網(wǎng)中的干擾進(jìn)入開關(guān)電源，也可以阻止開關(guān)電源的干擾進(jìn)入電網(wǎng)。

　　 屏蔽技術(shù)可以有效地防止向外輻射干擾。

　　 減少開關(guān)電源本身干擾，利用改善線圈繞制工藝，確保繞組之間緊密耦合，以減少變壓器漏感。還可以在高頻整流二極管上串入可飽和磁芯線圈，利用流過反向電流時(shí)，因磁芯不飽和而產(chǎn)生的較大電勢(shì)阻止反向電流上升。

　　 3.4.2 變壓器空載合閘涌流抑止方法

　　 根據(jù)方程Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＝Φｍｓｉｎωｔ，如果合閘時(shí)，α＝90（即Ｕ１＝Ｕ１ｍ便合閘），則：

　　 Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＝Φｍｓｉｎωt沒有暫態(tài)分量，合閘后磁通立即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，理論上可以避免沖擊涌流過程。

　　 3.4.3 抑制單相電容器組開斷瞬態(tài)過電壓方法

　　 如果采用選相斷路器投切電容器，則可以消除或大大降低投切電容器產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓，從而使接在母線上的電力電子調(diào)速系統(tǒng)可以穩(wěn)定地工作，接在母線上的其余設(shè)備也可不受過電壓干擾的影響。

　　 3.4.4 抑制電壓互感器鐵磁諧振方法

　　 其方法是要使它脫離諧振區(qū)，采用中性點(diǎn)不接地的電壓互感器或采用電容分壓器可以從根本上避免鐵磁諧振。

　　 3.4.5 抑止整流和逆變產(chǎn)生的諧波

　　 （１）在變頻器前加裝電源濾波器。一種成本比較低的方法是在電源側(cè)加裝三只６８０μｆ２５０ＶＡＣ的電容，（分別接在Ｌ－Ｎ上）這種方法可使電磁干擾電流降至原來的１／１０，效果較明顯；

　　 （２）變頻器的電源電纜采用屏蔽電纜，屏蔽電纜穿鐵管并接地，輸出電纜也穿鐵管并接地，屏蔽層應(yīng)在接變頻器處和電機(jī)處兩端都接地。

　　 3.4.6 抑止電弧爐運(yùn)行時(shí)的干擾

　?。ǎ保┰诤线m地段加入電容補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償無功波動(dòng)；

　?。ǎ玻┛梢灾匦掳才殴╇娤到y(tǒng)。

　　4 結(jié)束語

　　 隨著非線性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波問題越來越嚴(yán)重，一方面造成了電力設(shè)備的損壞，加速絕緣老化，另一方面也影響了計(jì)算機(jī)、電視系統(tǒng)等電子設(shè)備正常工作，直接擾亂了人們的正常生活。

　　 諧波問題涉及供電部門、電力用戶和設(shè)備制造商，諧波問題已引起人們的高度重視。應(yīng)合理規(guī)劃電網(wǎng)，電力電子設(shè)備（特別一次設(shè)備）應(yīng)符合電磁發(fā)射水平，電子設(shè)備、電子儀器應(yīng)滿足電磁兼容性要求。