谐波的产生与危害和抑制

一、谐波的概念

1、谐波

非正弦波实际上由许多不同频率，不同幅值的正弦波组成。非正弦交流可通过数学分析，分解成许多频率不同、幅值不同的正弦波。这些大于基波频率整数倍的不同频率、不同幅值的正弦波称为谐波。

**2、矩形波和三角形波中包含的谐波 **

根据数学分析，矩形波与三角形波可分别用以下两式表示:

矩形波

u=4Um/π (sinωt+1/3sin3ωt+1/5sin5ωt+…)

三角形波

u=8Um/π (sinωt+1/9sin3ωt+1/25sin5ωt+…)

4Um/πsinωt、8Um/πsinωt 部分称为基波，其角频率为ω，其幅值分别为4Um/π、8Um/π；

4Um/3πsin3ωt、8Um/9πsin3ωt部分称为三次谐波，其角频率是基波角频率的三倍(3ω)，其幅值分别为4Um/3π、8Um/9π；

4Um/5πsin5ωt、8Um/25πsin5ωt部分称为五次谐波，其角频率是基波角频率的五倍(5ω)，其幅值分别为4Um/5π、8Um/25π。

除上述几个谐波分量外，还有许多频率更高的谐波分量。这些谐波分量的特点是其幅值随角频率的增高而减小，且与非正弦波的波形形状有关。

二、谐波的产生

1、发电系统产生的谐波

由于发电机三相绕组在制造过程中很难做到完全对称，铁芯也很难做到绝对均匀一致等原因，发电时多少会产生一些谐波，总体来说数量较小。

2、变电系统产生的谐波

由于电力变压器铁芯饱和，磁化曲线的非线性，加上设计时要考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线上接近于饱和段，就使磁化电流呈现尖顶波形，从而含有了奇次谐波。其大小与磁路的结构形式、铁芯饱和度相关。饱和度越高，变压器的工作点就会越远地偏离线性，造成的谐波电流越大。

3、供电系统产生的谐波

由于供电系统中存在着非线性负荷，当电流流过和所加的电压不是线性关系时，就会发生非正弦电流，这就是谐波电流。非线性负荷设备有开关电源、不间断电源、变频调速装置、电子荧光灯镇流器、包含磁性铁芯设备以及部分家用电器如电视机、计算机等。

1）半导体整流设备

由于半导体广泛应用于开关电源、不间断电源等许多方面，由其产生的谐波给电网造成大量的电污染。半导体整流装置是采用移相控制，从电网吸收了缺角的正弦波，从而给电网剩下的是另一部分缺角正弦波，在剩下部分中就会含有大量谐波。据统计，由整流装置所产生的谐波占电网所有谐波的40%左右，是最大的谐波源。

2）变频调速装置

由于变频调速装置的逆变电路开关特性，对所供电电源形成一个典型的非线性负载。更由于采用相位控制，谐波成分复杂，除含有较多整数次谐波，还有分数次谐波，这类装置功率一般较大，随着变频调速广泛的应用，对电网造成谐波也会越来越多。变频器产生谐波主要是5次、7次谐波。

3）非线性照明装置

非线性照明装置主要有荧光灯、高压气体放电灯、金属卤化物灯等。通过测量和分析这些装置的伏安特性，可知其非线性十分严重，个别还具有负的伏安特性，它们都会给电网造成奇次谐波电流。

4）家用电器

电磁炉、电视机、录像机、计算机等设备，因内部有调压整流装置，就会产生较多的奇次谐波。在这些有绕组的设备中，不平衡电流的变化也可能造成波形改变。这些家用电器尽管功率较小，但数量较大，也是谐波的主要来源。

三、谐波的危害

在非正弦交流中，除含有角频率为ω的基波以外，其它不同角频率的谐波分量均为高次谐波。这些高次谐波如不采取措施加以抑制，将窜入系统和其它用户，引起许多不良后果。

1、使电网的电压和电流波形发生畸变，致使电能品质变坏，甚至使某些精密仪器无法使用。

2、使电器设备如变压器、电动机的铁耗、铜耗增加，造成电器设备在运行期间过热，降低正常出力，引起噪音变大。

3、影响控制、保护及检测装置的工作精度和可靠性，电磁式继电器、晶体管继电器和感应式继电器非常容易受到谐波影响，会产生相应误动或拒动。

4、使某些具有容性的电气设备如电容器和电气材料如电缆的绝缘层发生过热而烧毁，谐波会使电容器后端电压增大，电容器电流增幅更大，电容器损耗的功率增加，从而异常发热，加速绝缘介质老化，在谐波严重情况时会发生电容器被击穿甚至爆炸。

5、对弱电系统如通讯线路及控制电路造成严重干扰，使信号失真，甚至使弱电系统无法正常工作。相线和中性线之间非线性负荷会形成三次谐波电流，并在中性线上叠加。因为三次谐波电流和其倍数次谐波是呈零序特征的，所以在中性线上的三次谐波电流是三相中所有三次谐波电流的总和，会引起电流和电压畸变，并产生150HZ的电磁场，对周围通信设备及通信系统、电子控制、保护设备产生干扰。

6、更为严重的是可能在某一高次谐波的条件下引起网路并联或串联谐振，产生谐振过电压或过电流，则破坏性更大，后果极为严重。

四、谐波的抑制

1、改善供电环境

1）改变供电结构

把能产生大量谐波的非线性负荷和不产生谐波的用电设备分布在不同供电母线上，使谐波相互补偿并抵消，可降低电网中谐波的含量。

2）增大中性线容量

单相供电配电中，中性线的截面积应不小于相线的截面积，在电视机、计算机、电磁设备等电子设备密集使用场合，TN系统配电回路的N线截面积应不小于相线截面积的2倍，从而增大N线的载流量，就会避免导线过载发热而损坏。

2、减少谐波的波源

1）通过增加整流器脉动数，谐波电流会减少，也就减少了谐波。

2）采用脉宽调制方法，把电流、电压调成等幅但不等宽的一系列交流输出电压脉冲，从而达到抑制谐波。

3）在三相整流变压器处采用Y，d或采用D，y的接线方式，可以有效消除3的倍数次谐波。

3、在谐波波源处吸收谐波

利用滤波设备在谐波波源处吸收谐波电流，可以有效抑制谐波。