浅谈谐波的产生与危害

浅谈谐波的产生与危害
2023年10月开始某35kV站536分路10kV线路线损率突增，线路电容投不上，为536分路供电的5000kVA主变噪声增大声音异常。

用户
反映：高压用户电容器投不上，当月电费劲率奖惩受罚：农村低压用户
家用电器噪声大，冰箱频繁启动，用户看法很大。

经调查发觉全部现象
发生时间均在每天晚上11点至次日7点，分析认为是相近新上的通讯
铸件厂中频炉产生的谐波引起的。

通信铸造厂为峰谷用户，配变容量
800kVA，为节省成本只在谷段用电，运行时按配变容量20％30％超负荷运行，用电量占分路电量的34.27％，占全站电量的13.79％，造成电
网谐波含量较大，并注入35kV变电站，对电网安全构成威逼，536分路线损增长3.2％，给周边用户造成经济损失，谐波还向下传递影响低压
用户的正常用电。

近几年随着个体经营经济特别是炼钢和化学工业的飞速进展，用
电负荷日趋多样化，一些具有非线性、冲击性、不平衡特征负荷、谐波
丰富的应用设备如整流器（电弧炉）、变频调速装置等用电设备都会不
同程度地对电力系统造成谐波污染，谐波污染事件时有发生，轻者影响
系统设备的运行效率，加添电网损耗，重则损坏设备甚至危害电力系统
的安全运行。

当前，一方面科技的进展对电压质量的要求不断提高，另
一方面电力系统的谐坡负荷逐年加添，对电网的影响逐年加重。

如何很
好的解决这个冲突，限制谐波污染建设绿色电网，是摆在每一个电力工
面前的共同课题。

因此，正确认得谐波，分析谐波产生的原因危害，讨
论抑制谐波的措施具有紧要的现实意义。

1谐波的产生
谐波产生的根本原因是电力系统中某些设备和负荷的非线性特征，即所加电压与产生的电流不成线性关系而造成的波形畸变。

对于伏・安特性为线性的设备或负荷，在施加正弦波形的电压u 后，产生的电流i依旧是正弦波形。

假如接入伏・安特性为非线性的设
备或负荷，在施加正弦波形的电压u后，由于其非线性特性，产生的电
流i为非正弦波形，其频率和系统频率相同。

波形的畸变，从而产生谐波，一切非线性设备和负荷都是谐波源。

非正弦周期波f（wt）可以分解为含有基波频率和一系列为基波整倍数频率的正弦波重量之和，可分别利用傅立叶三角函数和傅立叶指数
形式表示
傅立叶三角函数形式
傅立叶指数形式
总之，任何一个非正弦周期波f（wt）都可以分解成基波和一组整数倍工频正弦波，即基波和各次谐波。

因此，谐波是一个周期性电气量
的正弦波重量，其频率为基波频率的整数倍。

谐波分为偶次谐波波和奇
次谐波，一般奇次谐波造成的危害比偶次谐波更多更大。

2谐波源
当电力系统向谐波源供电时，这些设备和负荷在传递、变换、汲
取系统的基波能量的同时，还把一部分基波能量转换为谐波能量，向系
统倒送大量的谐波电流，造成电力系统正弦波形的畸变，电压质量下降，损坏电力设备，威逼电力系统安全，加添电力系统的功率损耗，给电力
系统和用户带来危害。

当前电力系统的谐波源重要有三大类。

2.1电弧型用电设备
如炼钢的电弧炉、电焊机等，电弧炉在溶化期间和交流电焊机在
焊接期间，其电弧的点燃和猛烈变动形成的高度非线性，使电流不规定
的波动产生大量的谐波。

这类设备在冶炼和大型的加工企业广泛应用。

高耗能负荷是农村电网谐波的重要来源。

2.2电磁饱和型的电器设备
各种铁心设备如变压器、电抗器、电动机等，现在有些电气厂家
为节省原材料，降低生产成本，将铁心设备的工作点进入饱和区引起谐
波的加添。

2.3电子开关型设备
如各种交直流换流装置（整流器、逆变器）、双向晶闸管可控开
关设备等。

这类设备在化工、冶炼、矿山、电气化铁路等大量工矿企业
以及家用电器中广泛应用，且随着电力电子技术的进步正在蓬勃进展。

3谐波的危害
谐波源的注入使电网谐波电流、谐波电压加添，其危害波及全网，它使电力装置和系统过载，加添设备损耗，降低设备运行寿命，影响系
统供电牢靠率，它使电网的电压质量下降，用电设备所处的环境恶化，
对四周的通信系统和电气设备都有不同程度的影响和危害。

谐波污染对
电力系统的危害重要表现在：
3.1引起电网谐振
谐波引起电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，危
害大大加添甚至引起严重事故。

电网重要是按基波设计的，由于LC元件的存在，在某个特定的谐
波时可能产生谐振，电网谐振引起过电压，产生谐波电流，特别注意的
是电容器能和电网上的感性负荷（如配电变压器等感性设备）搭配形成
共振条件，而其大小和谐波频率成反比，因此，电容器更简单汲取谐波
产生共振电流，引起过载，熔丝熔断或烧毁设备。

3.2危害电气设备
使电网中的电气设备产生额外损耗（谐波损耗），降低设备的效率，使设备过热、产生机械振动等故障，造成绝缘部分老化，严重的造
成设备损坏。

（1）谐波对旋转电机引起附加损耗和发热，产生机械振动、噪声。

谐波注入电机后，在定子绕组和转子绕组产生附加热损耗，热损
耗除谐波电流铜损I2R以外，还由于电流的肌肤效应，产生附加损耗，
引起转子热损耗增大。

各次谐波在转子上产生的感应电动势大小不均，
使得转子振动产生噪声、发热甚至烧毁。

（2）谐波使得变压器和线路的附加损耗加添，引起变压器外壳、
外层硅钢片和紧固件发热，引起变压器振动，使噪声增大，影响变压器
的牢靠性。

变压器和线路的损耗构成了电网损耗的重要部分，特别是发生系
统谐波或谐波放大的情况下，谐波网损可达到相当大的程度。

谐波电流在变压器和线路传输中产生的总损耗为
谐波损耗占基波损耗的比例，即谐波损耗增率为
式中△P1――基波电流的基本损耗：
HRIh――h次谐波电流含有率。

从公式可以看出，谐波损耗增率为谐波电流含有率的平方和谐波
次数平方根乘积的总和。

（3）谐波造成电缆绝缘的局部放电、介损和温升增大，损坏电缆。

电力电缆对地电容是架空线路的1020倍左右，而感抗较架空线路
的小，是它的1/21/3左右，因此电缆发生谐振和放大的谐波次数比架
空线路的要低。

而谐波源产生的低次谐波含量较大，因此电力电缆更易
激励发生谐振和谐波放大，引起绝缘介质的谐波过电压而造成击穿。

实
际工作中，受谐波干扰电缆损坏事故时有发生，其薄弱点电缆头爆炸事
故较多。

（4）谐波引起无功补偿装置过电压、过电流，引起电容器附加绝
缘介质损耗，加快电容器绝缘老化，引起电容器发热、异响、击穿、外
壳鼓肚和损坏。

此外谐波过电流使电容器补偿装置的过电流保护。