在电力系统中谐波的危害

1.概述

在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。

“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。

到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。

谐波研究的意义，是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

2.谐波的危害

理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。

(1)增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备及其线路的温度过热，降低设备的利用率和经济效益：

①电力谐波对输电线路的影响：

谐波电流使输电线路的电流加大电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于所在网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力电缆线路会造成振动或者绝缘击穿等现象。

②电力谐波对变压器的影响：

由于谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖，不仅导致变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加，而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加，所以变压器在严重的谐波负荷下将产生局部过热，噪声增大，从而加速绝缘老化，缩短变压器等电气设备的使用寿命，降低供电可靠性。

③电力谐波对电力电容器的影响：

含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同是电容器还可以对谐波进行放大多倍，在将谐波输回电网中去。使故障加剧。

④电力谐波对电子设备的影响的影响：

谐波对电子产品影响是最大的,作为电子产品由于耐压比较小的产品,在高次谐波的反复冲击下绝缘老化击穿/甚至烧坏,同时还会对周边的电子设备产生干扰.引起不必要的误动

作.

(2)影响继电保护和自动装置的工作可靠性：

继电保护自动装置对于保证电网的安全运行具有十分重要的作用。但是，由于谐波的存在，易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动，特别在广泛应用的微机保护、综合自动化装置中表现突出，引起区域电网瓦解，造成大面积停电等恶性事故。

(3)对通讯系统工作产生干扰：

电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端的情况下，还会威胁着通信设备和人员的安全。

(4)对用电设备的影响：

对旋转的发电机、电动机，由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中产生附加损耗，从而降低发输电及用电设备的效率，更为严重的是谐波振荡容易使电机产生震荡力距，可能引起机械共振，造成汽轮机叶片扭曲和轴磨损并产生疲劳循环。

(5)对电力系统的影响：

当电网参数配合不利时，在一定的频率下，形成谐波振荡，产生过电压或过电流，危及电力系统的安全运行，引发输配电事故的发生。此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响，甚至不能正常工作,它已经成为当前电力系统中影

响电能质量的大公害。对于小容量的系统影响更为明显,大容量的系统可以承受部分谐波,但是一样需要进行治理。

案例

（1）上海某高层大厦一台变压器设计为全部带空调负荷，但投运后由于大量谐波的存在，使得变压器根本就没有办法正常运行。

（2）90年亚运会期间网球中心电压暂降造成照明失电10余分钟（照明灯为镝灯，需冷却启动），使场内照明黑了一半，这次事故在国际上造成了非常不好的影响。

（3）某商厦工程大量采用日光灯，全部采用电子镇流器，正常情况下，零线中产生很大电流，造成电缆发热，变压器温升过高（典型的谐波问题）。

（4）某证券公司由于谐波使得网络速度变慢、数据出错，实时交易的动态信息显示屏幕出现大片空白，数据刷新和交易的速度都极慢，且经常中断，根本无法进行交易。

（5）某宽带运营商由于突然断电造成宽带网络客户不能正常上网，客户索赔几百万元。

（6）北京某化工厂2005年1月18日，外网波动引起断电，聚氯乙烯装置爆炸，停电5-6小时，直接损失30万元。

（7）某钢铁企业2004年一次停电导致所有生产线上的产品作废，损失上亿元。

（8）2004年3～8月吉林省农电局一条10kV配电线（约40km）末端49个台区先后发生了500多次低压电器设备（包括电视机、计算机、冰箱温控器、交换机模块、VCD、加油机电源板等等）烧损事故，经测试分析，是某钢厂中频炉谐波，因长线“谐波容升电压”效应所致。

（9）1993年2月河南省信阳和驻马店地区220kV计驻线（双回线，一回线停电检修）因电气化铁路牵引站的谐波引发高频保护误动，引起大面积停电事故（两个220kV2×240MVA变电站停电）。

（10）河南省220kV柳林变电站原10kV8组6600kVar并联电容器，因3次谐波影响原串联电抗器选配不当等原因大量损坏，不得不全部更换（现为8×8000kVar）。

（11）例如：一个计算中心失电2s就可能破坏几十个小时数据处理结果，导致几十万美元产值损失；1～2周波供电电压暂降，就可能破坏半导体生产线，导致上百万美元损失。据统计美国因电能质量问题造成的损失每年高达260亿美元。

（12）2005年由国际铜业协会（中国）的一次“中国电能质量行业现状与用户行为调研报告”中，调查了32个行业，共92个企业中有49个企业，因电能质量问题，在经济上损失2.5～3.5亿元（人民币），每个企业年经济损失约10万～100万（人民币）（其中有四家年损失1000万元以上）。