谐波源的产生和危害

电力系统中的各种非线性元件是产生谐波的主要原因。按照非线性元件的类型，电力系统谐波源可以分为两大类：

1.作为非线性设备的电力电子装置

近年来，电力电子装置应用日益广泛，但其非线性的开关动作所造成的负荷电流波形畸变是系统中谐波干扰的最主要因素。

由于交流电力系统是最经济便捷的供电方式，所以大多数电气和电子装置均采用由交流电网取得交流电能，然后再转换为对用户而言最方便的电能形式。此时作为装置与电网之间接口的前端变流器的交-直变换器，即整流器，就成为电力电子设备向电力系统注入谐波的主要根源。表4-1就给出了常见的以整流电路作为前端变流器的典型设备所产生的谐波波形和畸变率。

表4-1 典型设备的电流波形和畸变率

电力机车是电力系统中一种重要的不平衡和谐波源负荷。电气铁道机车一般采用单相整流设施，如图4-2所示。

图4-2 机车交流驱动的典型电力电子电路

SS-8型电力机车是目前国内电气化铁道的主型机车。根据电能质量的监测报告，国产SS-8型电力机车在运行时会导致牵引供电系统谐波含量超标。在供电区间内只有一台SS-8型电力机车通过时，在该牵引变压器110kV侧产生的各次谐波电流见表4-2。

表4-2 SS-8型电力机车谐波实测数据

为了抑制普通整流设备所产生的谐波，采用SPWM技术的各种高功率因数的前端变流器得到了越来越广泛的应用，但是出于经济和技术两方面的考虑，有限的开关频率和多重化结构仍然不能完全免除谐波对系统的污染。

2.含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源

这一类设备主要有旋转电机、变压器、铁心电抗器、电弧炉、交流电焊机和荧光灯等。

（1）旋转电机 发电机和电动机是电力系统中应用最为广泛的电力设备之一。在理想情况下，当发电机励磁绕组通以直流电流时，定子绕组中将感应出正弦电动势，发电机输出电压波形为正弦波。而在实际电机中，由于磁极不平衡、绕组不平衡以及铁心饱和等原因，磁极磁场并非完全按照正弦规律分布，因此感应电动势不是理想的正弦波，包含一定的谐波，这种谐波电动势的频率和幅值取决于发电机的结构和工作情况。

（2）变压器和铁心电抗器 变压器广泛存在于各级电网中，用以联系不同电压等级的电网，正常运行条件下，如不考虑磁滞及铁心饱和时，它基本是线性的。但是由于铁心的非线性，必然造成励磁电流波形畸变，并产生谐波。变压器励磁电流的谐波含量和铁心饱和程度直接相关，即和其所加的电压有关。正常运行时，电压接近额定电压，铁心基本工作在线性范围内，谐波电流含量不大。但在一些特殊运行方式下，如轻负荷时，运行电压较高，铁心饱和程度加深，谐波电流含量就会大大增加。此外，在变压器合闸投入运行过程、暂态扰动、负荷剧烈变化及非正常状态运行时，都会产生大量的谐波。变压器合闸过程中，其工作磁通的峰值将高于正常运行值，在有剩磁时，更为严重，这样容易加深铁心的饱和程度，同时波形畸变严重。虽然只是变压器励磁涌流问题，但是相当于产生了许多衰减的谐波电流。

（3）电弧炉、交流电焊机等冲击性负荷 电弧炉利用其电极和炉料之间产生的电弧的热量冶炼金属，是钢铁产业的重要设备。工业用电弧炉在在熔炼初期，相当多的炉内填料尚未熔化而呈块状固体，电弧阻抗极不稳定。这种不稳定的短路状态使得熔化期电流的波形变化极快，实际上每半个工频周期的波形都不相同。在熔化初期以及熔化的不稳定阶段，电流波形不规律，故谐波含量大，频率分布广。其中整数次的低次谐波分量占主导地位，如图4-3所示。而随着熔池中熔融金属的上升，电弧逐渐变得稳定，电流也进入稳态，从而失真变小。

图4-3 电弧炉电流/电压特性曲线和电流幅频特性

a）电流/电压特性曲线 b）电流幅频特性

作为一个典型的实例，表4-3显示电弧炉在两个不同阶段谐波频谱和含量的巨大变化，特别要注意的是，在熔炼期，除了奇次谐波外，还存在偶次谐波。(www.xing528.com)

表4-3 某交流电弧炉谐波含量I_n/I₁（%）^[1]

测试数据显示，由于严重的闪变的影响，电弧炉工作系统中的谐波总畸变率远远超过了国家标准规定的5%，严重时可以达到27%；并且在熔炼的每个阶段都存在较大的2、3、5次谐波。此外还有分数谐波，对于电网系统产生很大的谐波污染。

直流电弧炉的电弧稳定，短网压降小，对电极升降调节系统的要求不苛刻，而且对供电系统不像交流电弧炉那样，没有频繁的冲击电流。再加上采用多相整流，因此可以保证三相电源基本平衡，低次谐波含量少，所以得到越来越广泛的关注与应用。但由于熔炼过程的非线性仍然会出现幅值较大的低次谐波，对电网产生影响。以上含有电弧的冶炼设备和电焊设备，除产生谐波外，还产生间谐波和造成电压闪变。这些负荷都使电力系统的电流和电压产生畸变，并对电力设备和广大用户设备及通信线路和电子设备产生危害或干扰影响。

根据1992年日本电气协会发表的一项关于谐波源的调查报告^[6]，在各行业产生的谐波量分布中，商业和民用建筑产生的谐波量占总数的40.6%，其次是铁路、冶金、机械制造等，如图4-4所示。这表明各种采用电力电子技术的办公机器和家用电器正在日益成为谐波干扰的主要来源。

图4-4 谐波源的行业分布

谐波电流、谐波电压对电力系统和用户的影响及危害，概括起来，大致可以有以下几个方面：

1）由于谐波的存在，增加了系统中元件的附加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率。大量的3次谐波流过中线时，会使线路过热甚至发生火灾。

2）谐波影响各种电气设备，特别是电机类设备的正常工作。

谐波对旋转电机和变压器的影响，首先主要是引起附加损耗，谐波电流流过电机和变压器时，将会增大铁心损耗以及铜损，引起过热。谐波损耗对变压器的影响通常要大于对电机的影响，比如电弧炉变压器由于熔炼过程中的电流的剧烈波动，造成寿命的明显缩短。

谐波对旋转电机和变压器的影响其次是产生机械振动、噪声和谐波过电压。当谐波频率接近电机的固有振动频率时，会引起电机的强烈振动。这些影响可能缩短电机寿命，甚至损坏电机。谐波电流引起的附加损耗通常折算成等值的基频负序电流来进行估算。

3）电力系统中电容器的应用可能会导致的谐振，是一个需要非常重视的问题。当谐波频率与输电系统固有的特征频率重合时，可能会放大谐波分量，产生非常大的电压和电流。这导致设备的附加损耗和发热，缩短电容器寿命，以致造成设备故障。大量调查表明，电容器和与之串联的电抗器的烧毁在谐波引起的事故中约占75%。

4）谐波电流除了会增加继电器的发热和损耗之外，还会导致动作特性改变，以致造成保护装置的拒动或误动。比如以电磁型电压继电器为例，当含谐波的畸变电压作用于继电器时，动作值总是比继电器刚好动作的基波分量电压有效值大，即过电压继电器有可能出现拒动，而欠电压继电器则可能误功。此外，在动态情况下，如投入空载变压器时会产生谐波含量很高的励磁涌流，造成继电器误动作而使开关跳闸。

而电力测量仪表，特别是目前广泛应用的感应式电能表，在谐波存在条件下，特别是发生谐振时，会产生测量误差。IEEE工作小组的有关资料指出，当电压和电流波形都畸变时，感应式测量仪表的记录误差可能会达到±20%以上。因此，在电压严重畸变的条件下，应避免使用此类仪表。

一个值得注意的问题是，随着计算机和数字测量技术的发展，数字式测量仪表正在得到越来越广泛的应用，但正如IEEE对非正弦情况下计量仪表所受影响评估和功率定义的专家组（IEEE Working Group on Nonsinusoidal Situations：Effects on Meter Performance and Definitions of Power）在1996年发表的工作报告中所指出的：现在的关键问题是缺少对非正弦条件下功率分解和定义的统一标准。从而导致即使采用同一种仪表对同一电量进行测量，按照不同的定义所得到的结果有时可能相差20%～30%。因此，在受到谐波污染时，如何建立科学的功率定义和理论，并保证它不仅适合于仪表测量和电能的管理收费，而且能为广大供电企业和电力用户共同接受，还需要付出艰苦的努力。

5）电力线中的谐波，特别是电能变换装置所产生的谐波电流和电压，会产生相应的电场和磁场，从而对邻近的通信系统造成明显的杂音干扰，降低通信的质量。而其影响的程度取决于干扰的幅度和频率。

近年来，随着通信线路的光纤化，通信线路的抗干扰能力已经大大提高。等效干扰电流的标准有逐渐放宽的趋势，而对通信的干扰也逐渐不再是衡量输电线路谐波水平的主要标准。

6）对计算机和各种电子设备产生干扰。电子设备多利用基于电力电子技术的前端变流器供电，这些设备往往通过精确地确定电压过零点进行控制，所以对谐波失真非常敏感。谐波畸变还会通过电源或磁耦合对电子设备产生影响。计算机和其他数字设备如可编程序控制器等要求交流供电系统的谐波畸变系数小于5%，而单次谐波分量小于3%才能正常工作。谐波畸变会造成设备的不稳定、误动，有时谐波干扰，如在医疗设备场合，会造成严重的后果。

近十年来，随着用户对电能质量的要求越来越高以及对谐波的认识不断深入，对谐波危害和影响更为细致的定量分析和研究变得越来越迫切和必要。因此详细定量研究的报道逐渐增多。另外，对谐波影响的广泛性也开始关注，比如谐波对人、动物以及生态环境的影响。虽然目前还没有被完全证实，但已有证据表明，谐波对生态环境的影响确实存在，引起了政府和各界人士的注意，并开辟出了一个新的研究领域—“电磁环境对生态的影响”。