【电气小知识】谐波是怎么产生的？如何抑制谐波？
【电气小知识】谐波是怎么产生的？如何抑制谐波？
在电力系统中，谐波是一个常见的问题，它不仅影响设备的正常运行，还可能对整个电网造成危害。本文将为您详细介绍谐波的定义、产生原因、危害以及抑制方法，帮助您更好地理解这一专业话题。
什么是谐波？
谐波是指电力系统中存在的高于基波频率的电流或电压分成。电力系统的理想波形应该是纯正弦波，但由于一些非线性负载如变频器、UPS电源、电子电力设备等的存在，电流或电压波形可能存在畸变，产生谐波。
通常情况下，基波是50HZ或60HZ的工频，而谐波的频率是基波频率的整数倍，如150HZ是三次谐波，250HZ是五次谐波。谐波会对电网和设备造成一系列不良影响，如设备寿命缩短、过热、振动异常等。
根据相序旋转作用，谐波可以分为正序谐波、负序谐波和零序谐波。正序谐波是指其相序与基波相同的谐波；负序谐波的相序与基波相反；零序谐波则是三相的相位相同的谐波。
奇次谐波与偶次谐波是根据谐波频率与基波频率的关系来划分的。额定频率为基波频率奇数倍的谐波，如 3、5、7 次谐波等被称为奇次谐波；额定频率为基波频率偶数倍的谐波，如 2、4、6、8 次谐波等被称为偶次谐波。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波通常会被消除，只有奇次谐波存在。
分数次谐波，也称为间谐波，其频率为基波非整数倍。有时候也将低于基波的间谐波称为次谐波。
谐波是怎么产生的？
谐波的产生主要来源于以下几个方面：
电源端：发电机的三相绕组制作难以绝对对称，铁心也难以做到绝对均匀一致，加上发电机的稳定性等其他原因，会产生一些谐波，但通常相对较少。
输配电过程：电力变压器是输配电过程中的主要谐波来源之一。由于变压器的设计需考虑经济性，其铁心的磁化曲线处于非线性的饱和状态，工作时的磁化电流为尖顶型波形，因而产生奇次谐波。较高的变压器铁心饱和程度会使工作点偏离线性曲线，产生较大的谐波电流。
整流晶闸管设备：广泛应用于开关电源、机电控制、充电装置等，是谐波的主要来源之一，由其引起的谐波将近达到全部谐波的 40%。
变频设备：常用于电动机、电梯、水泵、风机等机电设备中，大部分是相位控制，谐波成分复杂，除整数次谐波成分外，还含有一定分数次的谐波成分，且功率一般较大，对电网造成的谐波越来越多。
气体放电类电光源：如高压钠灯、高压汞灯、荧光灯以及金属卤化物灯等，伏安特性的非线性相当严重，有的还具有负伏安特性，会给输电网带来奇次谐波成分。
家用电器设备：空调器、冰箱、洗衣机、电风扇等含有绕组的用电设备中，不平衡电流的变化能使电源波形发生改变。计算机、电视机、温控炊具、调光灯具等，因具有一定的调压整流功能，也会产生高次的奇次谐波成分。
谐波的危害
谐波对电力系统和设备的影响主要体现在以下几个方面：
对电力设备的影响：谐波电流或谐波电压会使发电机、电动机、变压器等设备在定子绕组、转子回路及铁心中产生附加损耗，降低设备效率，加速绝缘老化，缩短使用寿命。例如，谐波电流会使变压器的铜耗增加，导致局部过热、振动和噪声增大。
对电网的影响：谐波会导致电网的电压以及电流波形畸变，增加电路损耗，影响电网有功 / 无功功率。大量的谐波还可能引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，进一步加剧对电网和设备的危害，甚至引发输配电事故。
对测量仪表和保护装置的影响：电网谐波会使测量仪表、计量装置产生误差，导致测量不准确。同时，还会使继电保护和自动装置的测量误差增大，可能造成误动作或拒动，影响电力系统的正常运行和保护性能。
对通信系统的干扰：谐波会在电力系统中产生电磁干扰，影响通信系统的正常运行，如使电话线路产生杂音，降低通话质量；使计算机网络出现误码，影响数据传输。
如何抑制谐波？
抑制谐波的主要方法包括：
采用滤波器：无源滤波器由电感、电容和电阻等无源元件组成，可以对特定频率的谐波进行滤波，但滤波效果有限，且可能会与电力系统发生谐振。有源滤波器由电力电子器件组成，能够实时检测电力系统中的谐波电流，并产生与之相反的电流进行补偿，滤波效果好，但成本较高。
优化电力电子设备的设计：在设计电力电子设备时，可采用软开关技术、多电平技术等，减少谐波的产生。还可以增加设备的滤波功能，如在变频器中内置滤波器，降低输出谐波。
加强电力系统的管理和监测：建立健全电力系统的谐波监测体系，及时发现和处理谐波问题。对电力用户进行谐波管理，限制其谐波注入电网的量。加强对电力设备的维护和管理，确保设备的正常运行，减少谐波的产生。