1谐波干扰的危害
1.1对发电设备的危害
谐波干扰造成发电机的损耗大增，产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率；另外，谐波在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗，产生振动和
发出异常的噪音。
事实上，发电机中的电流谐波失真度THDI必须小于等于20%
否则发电机的功率也必须进行折算。
1.2对输电设备的危害
1.2.1损耗增加
由于输电线路阻抗的频率特性，线路阻抗随着频率的升高而增加，电缆导体截面积越大趋肤效应越明显。
谐波电流使输电线路的附加损耗增加。
电缆导体中的损耗是基波电流与各次谐波电流产生的损耗之和，可表示为：
QO
损耗=r》IHn2
n二
谐波电流增大时，造成的附加损耗也增加，引起电缆温度过度升高，加速电缆绝缘层的老化，缩短电缆的使用寿命，威胁供电安全。
另外，变压器和输电线路的损耗使传输效率下降。
1.2.2引发谐振
输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合下，会发生串联谐振或并联谐振。
一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。
当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电
容产生谐振，形成谐波放大。
在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动作，以至损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。
对于电力电缆线路，由于电缆的对地电容比架空线路约大10-20倍，而感抗约为架空线路的1/2-1/3，因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成绝缘击穿的事故。
1.2.3中线电流增大
图8-1给出了三相非线性负载的示意图。
图8-1三相非线性负载
2
图8-2三相非线性负载
—A
相
—B
相
C相
—三次谐波、A相—三次谐波、B相
三次谐波、C相
—中线的三次谐波
从图8-1可以看出，三相电流均汇入中线，其中三相基波电流存在120。
的
相位差，在中线上迭加为0,而所有3次及3n次谐波电流在中线上是同相位迭加，导致中线过流，如图8-2所示。
有时，中线上的电流可以达到相线电流的1
倍甚至3倍，而中线导线的截面通常选为相线的一半，这将导致中线严重过热，造成绝缘损坏，而且会在三相变压器线圈中产生环流，导致变压器过热，甚至引发严重火灾事故等。
同时由于变压器无零序磁通回路，零线电流将导致变压器产生很大的漏磁，严重干扰计算机显示器和其它电子设备的正常运行。
1.2.4影响线路的稳定运行
电力线路与电力变压器一般采用各种继电器进行检测保护，而在谐波影响下，容易产生误动或拒动，不能全面有效地起到保护作用。
1.3对供电设备的危害
1.3.1损害电容
电容中的电流值表示为：
I=UC3;
对第k次谐波的角频率为：
3=2nkf（f为基波频率）;
第k次谐波电流为：
Ik=2nkfUC。
由此可见，电容中的电流I随着谐波
次数k的增大而增大，损耗功率随着谐波次数k的增大而增加。
一般情况下，对
于膜纸复合介质电容器，有谐波时的损耗功率不超过无谐波时损耗功率的1.38
倍；对于全膜电容器，有谐波时的损耗功率不超过无谐波时的1.43倍。
但如果
谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过流，损耗功率超过限值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。
电容与电网的
感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，还可能产
生谐波扩大现象，使得电容器因过热、过压等不能正常运行。
另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更起到加速老化的作用，使电容器容易发生故障和缩短使用寿命。
一般来说，电压每升高10%电容器的寿命就要缩短1/2左右。
再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。
电容中的高次谐波成分越多，则电容运行的环境就越恶劣，通常需要使用增强型电容，从而增加了成本。
1.3.2变压器降容
谐波使变压器的铜耗增大，铜耗包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗，其中涡流损耗与谐波频率的平方成正比。
对于三角形连接的变压器，3n次谐波在其绕组中形成的环流造成过热，降低变压器的效率，缩短变压器的寿命；对于全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐
振，使变压器附加损耗增加。
谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁芯中的磁滞损耗增加，磁滞损耗与谐波频率成正比，谐波越大，电压波形越差，磁滞损耗越大。
由于趋肤效应，变压器的阻抗随谐波次数的增大而增大。
变压器的损耗和阻抗的增加，致使变压器只能降容使用，折算系数k由下述经验公式确定：
k」—
n
|1乜,1送Hnn1,6
IIn壬
除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁芯的磁滞伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1kHz左右的成分使混杂噪声增加，甚至发出金属声。
1.3.3降低可靠性
谐波降低继电保护、自控装置的工作精度和可靠性。
按负序（基波）量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。
如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰则会引起发电机负序电流保护误动，若误动引起跳闸停电则后果严重，变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动、母线差动保护的负序电压闭锁元
件误动等，都将严重威胁电力系统的安全运行。
1.3.4影响电力测量的准确性
目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大。
特
别是电能表多采用感应型，当谐波较大时使计量误差增大，测量不准确。
1.4对用电设备的危害
1.4.1视在功率增大
线性负载在一个正弦周期内电压与基波电流的乘积（UXI）为正值，如图8-3
所示，而非线性负载在一个正弦周期内电压与
3次谐波电流的乘积为零（UX
IH3=0），如图8-4所示。
*1
U
X
I
th
UxI的
\
\乘积\—
//
A
T
4
+UI
+UI
+UI
+UI
图8-4非线性负载
从图8-5中可看出，视在功率S（VA是有功功率P（W和无功功率Q（var）的矢量和:
S（VA）=P（W/cos①。
线性负载时：
①=0,cos①=1^S（VA=P（W。
非线性负载时：
存在谐波成份，无功功率Q（var）>0,①>0,0P（W。
因此，当有功功率相同时，非线性负载的无功功率加大，功率因数降低，视在功率大于线性负载的视在功率。
1.4.2对电动机的危害
电动机的铁芯、绕组产生的附加损耗和磁滞、涡流等损耗随着谐波频率的增高而增高，严重时使电动机过热。
由于电动机的出力一般不能按发热情况进行调整，由谐波引起电动机的发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的。
试验表明，在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压
时，电动机的绝缘寿命要减少一半。
因此，国际上一般建议在持续工作的条件下，电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2%。
负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力，降低电动机的效率。
谐波会产生显著的脉冲转矩，这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振，并使汽轮机叶片产生疲劳循环。
另外，谐波电流的频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。
1.4.3对低压开关设备的危害
对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响而使铁耗增大并发热，且脱扣困难，谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的趋肤效应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。
由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。
对于漏电断路器来说，由于谐波的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。
对于电磁接触器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。
对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低，在工作中它们都有可能造成误动作。
1.4.4干扰通信系统的工作
电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，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，甚至会威胁通信设备和人员的安全。
另外高压直流（HVDC）换流站换相过程中产生的电磁噪声（3kHz〜10kHz）会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。
1.4.5干扰敏感性的电子设备
据统计，带有微处理器的电子设备出现问题的原因，很多都是由于谐波干扰造成的。
对于计算机网络、有线电视、报警与楼宇自动化等电子设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合，产生干扰。
其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰这些设备。
如计算机的图形发生畸变、画面亮度发生波动变化、出现数据乱码、数据错误、接收/传送失败、丢失文挡、工作异常、死机等软件故障和硬件问题，还会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能,造成噪声干扰和图像紊乱。
每一种设备自身也成为了一个干扰源，加剧了电网的污染和破坏程度，反过来又影响了设备的正常工作，如此陷入了恶性循环。
这些设备在当今信息社会被广泛应用，起着重要作用，谐波干扰所造成的损失往往是不可估量的。
1.5对人体的危害
从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁
康。
2谐波干扰产生的机理
在电力生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。
谐波干扰的危害如此严重，只有准确分析了谐波干扰产生的机理，才能对症下药，提出有效的治理方法。
2.1谐波的基本特征参数
2.1.1单次谐波电流的有效值（IHrms）
按照傅立叶级数展开时，各次谐波电流都是正弦波，因此可以测量每次谐波的有效值，但这些正弦波的频率各不相同，为基波频率的整数倍：
IH1为基波成份（50Hz或60Hz）；IHk为谐波成份，其中k为谐波次数（50Hz或60Hz的k倍）。
2.1.2总电流有效值（Irms）
它是基波电流有效值IH1与谐波电流IHk的平方和的根值。
2.1.3各次谐波的含量
各次谐波的含量都可以用一个百分数来表示，即该次谐波电流的有效值与基
波电流有效值之比：
IH
Hk^k次谐波的失真度=—"00
IH1
2.1.4电压和电流的谐波失真度
非线性负载同时产生电流和电压的失真，这是因为每次谐波电流都会产生对应同频率的电压谐波，正弦波的总失真度用百分数来表示：
例如：
总电流谐波失真度TDHI%，是基于电流谐波的度量:
.IH2亠IH3亠IH4亠…亠Hk亠…
THDI
%=100•
IH1
或
THDI%=100Jh22+H32+HI...+H/+•••
三相整流器输入电流如图8-6所示，其谐波频谱为：
Ih5=33%Ih7=2.7%、
Ih11=7.3%、Ih13=1.6%、Ih17=2.6%、Ih19=1.1%、Ih23=1.5%、Ih25=1.3%，计算THDI%
THDI%=±100Qh2^H32+H42十..+Hk2+...
=J0.332+0.0272+0.0732+0.0162+0.0262+0.0112+0.0152+0.013
=<0.01164―it34%
图8-6三相整流器输入电流
leffTH,,.1THDI2=IH「.10.342=1.056I,
因此，电流的有效值比基波电流的有效值增大了5.6%,即比没有谐波时的额
定电流增大5.6%，这将在导体中造成温度升高。
2.1.5峰值因数（CrestFactor）
峰值因数（Fc）定义为峰值（最大幅值）与有效值的比率，用来表示信号（电
流或电压）形状的特征：
峰值
Fc=
有效值
线性负载的典型峰值因数是1.414，六脉冲整流器的典型峰值因数从1.5到2,小型计算机的典型峰值因数从2到2.5，微机的典型峰值因数从2到3。
峰值因数对UPS容量有一定影响，例如：
200KVAUPS勺峰值因数Cf=3:
1，其额定电流In=303A，贝U:
UPS峰值电流为303Ax3=909A
假设：
负载峰值因数为3.5:
1，贝
UPS对于该负载所提供的电流有效值为909A/3.5=259.7A
即：
UPS的使用容量为259.7Ax220Vx3=171.4KVA因此：
1714
UPS的功率折算=—-=0.857=85.7%
200
Cf=xIn
Cf=3,5InA
■At八
V
线性负载
非线性负载
图8-7峰值因数的影响
2.2谐波干扰产生的机理
2.2.1发电机
发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁芯也很难做到绝对均匀一致及其他一些原因，发电机多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。
而且，当对发电机的结构和接线采取一些措施后，可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。
2.2.2输配电系统
输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁芯的饱和，磁化曲
线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。
它的大小与磁路
的结构形式、铁芯的饱和程度有关。
铁芯的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。
2.2.3用电设备
近年来随着电子技术的发展，电网中非线性负载呈逐渐增加的趋势，非线性负载在工作时向市电反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，进而导致与电网相联的其它负载产生更多的谐波电流，电压畸变的程度取决于谐
波电流的频率和幅值。
整流器、充电器、开关电源、调光器、变频调速器、计算机、感应电炉、荧光灯、微波炉、电视机、电话、传真机等等都是非线性负载，典型的如图8-8所示。
图8-8非线性负载
2.2.3.1变频装置
变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。
223.2以电弧为工作介质的设备
这部分设备包括电弧炉、电石炉和气体放电类电光源。
由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。
其中主要是27次的谐波，平均可达基波的8%^20%，最大可达45%
荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。
其
非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。
在普通的电磁整流器灯光电路中，三次谐波的典型值约为基波（50Hz）值的13%-20%。
而
在电子整流器灯光电路中，谐波分量甚至高达80%。
，
图8-9调光器、加热器
223.3家用电器
电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。
在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波
形改变。
这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。
计算机装
有一个二极管/电容型的供电电源，这类供电电源仅在交流正弦波电压的峰值处产生电流，因此产生大量的三次谐波电流（150Hz）。
图8-10开关电源负载：
计算机、家用电器等
典型的谐波含量值如下：
H1=100%,H3=75%,H5=25%,H7=18%,H9=30%,
H11=5%,H13=4%・THDI=87%!
!
!
223.4变流设备
整流器、逆变器、变频器等各种电力变流设备采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部
分中含有大量的谐波，电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。
如果
整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。
如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。
下面是几种典型整流器的电路和谐波电流示意图。
图8-11三相整流器：
变频调速器
e1
e3
图8-12三相整流器：
充电器
图8-13三相整流器：
UPS
3谐波干扰的抑制方法
谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题，它不但与供电部门
有关，而且还关系到广大通信运营企业的切身利益。
当今社会努力倡导“高效”
和“节能”，除了努力提高产品的效率和积极推广节能型产品以外，如何在设备
安装和运行中降低损耗是个重要课题，这就涉及到如何治理谐波干扰这种电磁污染。
另外，现代电力系统中的精密电子设备，如计算机、控制系统需要稳定的高品质的供电电压，随着电力污染问题日益严重，各国纷纷出台治理措施和相关标准，对产生电力污染的设备提出明确的限制。
谐波治理就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电流，从而降低谐波电压。
国际标准IEC、ENIEEEE等（IEC62040-3=GB/T7260.3）中规定输入
电压总奇变因数D旳.08（THDU£8%）,各次谐波电压的最高含量列于表8-1:
表8-1国际标准
不是3的倍数的奇次谐波
3的倍数的奇次谐波
偶次谐波
谐波次数
谐波电压%
谐波次数
谐波电压%
谐波次数
谐波电压%
5
6
3
5
2
2
7
5
9
1.5
4
1
11
3.5
15
0.3
6
0.5
13
3
21
0.2
8
0.5
17
2
>21
0.2
10
0.5
19
1.5
12
0.2
23
1.5
>12
0.2
25
1.5
>25
0.2+0.5x25/n
10注：
假设上述谐波电压不同时达到兼容值；通常限制到40次谐波。
国家标准《电能质量、公用电网谐波》（GB/T14549-1993）规定了公用电网谐
波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值，规定如表8-2:
表8-2公用电网的谐波电流限值
标称
电压
（V）
基准短路容量
（MVA）
谐波次数和谐波电流允许值（A）
H2
H3
H4
H5
H6
H7
H8
H9
■H10
H11
H12
H13
380
10
78
62
39
62
26
「44
19
21
1G
28
13
24
谐液次数和谐波电流允许值⑴
H14
H15
H16
H17
H18
H19
H20
H21
H22
H23
H24
H25
380
10
11
12
9*7
13
8.6
16
7.8
8,9
7.1
14
6,5
12
公用电网的谐波电压（相电压）限值
电网标称电压（V）
电压总谐波失真度（％）
各次谐波电压含有率，（％）
奇次..
偶次
380
5%
4.0
2.0
国家标准GB17625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流w16A）》规定了准备接入公用低压配电系统中的电气、电子设备（每相输入电流w16A）可能产生的谐波的限值。
只有经过试验证实符合该标准限值要求的设备才能接入到配电系统中。
这样就可以对低压电气及电子产品注入供电系统的总体谐波电流水平加以限制。
通信电源设备属于A类设备：
平衡的三相设备。
YD/T1095-2000《通信用不间断电源-UPS〉规定电压波形失真度不超过25%
如何满足这些标准的要求，下面简要介绍几种谐波干扰的抑制方法。
3.1电网改造
局部重组电网结构以分离或隔离产生电力污染的设备，或增大电力系统的供电容量
和电缆、开关等方法并没有消除谐波，而且成本昂贵。
用一台1,000kVA的变压
器为6脉冲整流桥供电，当整流器产生的谐波频谱为：
H5=25%H7=14%H11
=9%、H13=8%…时，代入下述公式得到功率折算系数为：
当负载的非线性越大时，功率折算系数越小，需要增加的系统容量就越大。
3.2变压器以不同的方式联接
这种方法仅抑制3次和3n次谐波，例如△型/Y型变压器，如图8-14所示,三次谐波和3n次谐波在△绕组中形成环流，在输入端消除3n次谐波。
三次谐波电流柱厶/¥型变压器中
图8-14变压器的联接
3.3增加整流变压器二次侧的相数
整流器在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk±1和pk（p为整
流相数或脉动数，k为正整数）。
当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效地消除幅值较大的低频项，从而大大地降低了谐波电流的有效值。
例如图8-15的12脉冲整流器采用两组6脉冲整流器经30°移相后迭加，约为6脉冲整流器THDI（30%）的二分之一。
图8-1512脉冲整流器
3.4抗谐波电感器
目前，无源滤波补偿是实际应用最多、效果较好、价格较低的解决方案，串联滤波主要适用于三次谐波的治理；低通滤波主要适用于高次谐波
升级会员 