高次谐波

一、高次谐波的定义

1、对于任意一复合周期振动函数Y（T）按傅氏级数分解表示为：第一项称均值或直流分量，第二项为基波或基本振动，第三项称二次谐波，依次类推或把二次谐波以后的统称为高次谐波 。

2、在电子电气设备控制系统中，遇到的大量和经常需要解决的主要接地问题是系统接地.x3:反映控制节点性质的优先级相对大小,借助模糊聚类分析理论中的标定方法,将三项指标归并为一项综合控制指标aij来反映控制节点nj对故障节点n、的电压控制程度和控制能力

3、2倍以上的正弦波均称为高次谐波.▲高次谐波是电力系统的公害,其危害主要有:(1)谐波电流使输电线路、发电机、电动机、变压器产生附加损耗,温度升高 。

4、由于谐波的频率是基波频率的整数倍数也常称为高次谐波。

二、谐波产生的原因

1在供电系统中谐波的发生主要是由两大因素造成的：

（1）可控硅整流装置和调压装置等的广泛使用，晶闸管在大量家用电器中的普通采用以及各种非线性负荷的增加导致波形畸变。

（2）设备设计思想的改变。过去倾向于采用在额定情况以下工作或裕量较大的设计。现在为了竞争，对电工设备倾向于采用在临界情况下的设计。例如有些设计为了节省材料使磁性材料工作在磁化曲线的深饱和区段，而在这些区段内运行会导致激磁材料波形严重

畸变。

2 谐波对电力系统的危害

谐波对电力系统的污染日益严重，谐波源的注入使电网谐波电流、谐波电压增加，其危害波及全网，对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。现将对具体设备的危害分析如下：

（1）交流发电机。同步电动机及感应电动机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I2nR以外，还由于电流的集肤效应，产生附加损耗，对转子引起热损耗增大。对大型汽轮发电机来说，若发生多次谐波振荡，谐波电流超过额定电流的25％时，由于上述原因可能会导致转子局部过热而损坏。对变压器来说，铁芯产生热损耗，尤其是涡流损耗大，在变压器绕组中有谐波电流，在铁芯中感应磁通，产生铁损。

（2）架空线路谐波电流产生热损，较大的高次谐波电流分量能显著地延缓潜供电流的熄灭，导致单相重合闸失败。电缆中的谐波电流会产生热损，使电缆介损、温升增大。

（3）电力电容器由于谐波电流会引起附加绝缘介质损耗，加快电力电容器绝缘老化。系统谐波电压或电流发生谐振则引起过电压和过电流，对电气设备绝缘损坏，引起噪音与振动。

（4）电子计算机会由于谐波干扰发生失真；工业电子设备功能会因其被破坏。

（5）对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作，造成电能计量的误差。

（6）谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路产生干扰影响。

3 电力系统抑制谐波的措施

为了把谐波对电力系统的干扰（污染）在系统可以接受的范围内，我国和国际上分别颁布了“电力系统谐波管理暂行规定”和IEC标准，明确了各种谐波源产生谐波的极限值。

电力系统抑制谐波的主要措施有：

（1）在补偿电容器回路中串联一组电抗器

在未加Xc前，略去电阻，谐波源In母线处的谐波电压为：Un＝Xsn•In；并联了补偿电容器后，则谐波源的输入谐波电抗为：此时谐波电压，注入系统的谐波电流Un,Isn>In.即并联电容器使系统的谐波被放大了。如果对应某次谐波有Xsn-Xcn=0即发生谐波，则其谐波电流、电压都趋于无穷大。为了摆脱这一谐振点，通常在电容器支路串接电抗器，其感抗值的选择应使在可能产生的任何谐波下，均使电容器回路的总电抗为感抗而不是容抗，从根本上消除了产生谐波的可能性。

（2）装设由电容、电感及电阻组成的单调谐滤波器和高通滤波器

单调谐滤波器是针对某个特定次数的谐波而设计的滤波器，高通滤波器是为了吸收若干较高次谐波的滤波器。应装设的滤波器类型、组数及其调谐频率（滤波次数）可由具体计算决定。

如电力机车是大功率单相整流装置，它有谐波问题，根据实测资料，韶山－1型机车电流的谐波含有率大致如表1，影响电力机车注入电力系统谐波电流的因素很多，接触网是影响因素之一，图中Zsn为电力系统的谐波阻抗，供电臂全长为L，臂上只有一辆电力机车，位于离变电所l处。

设接触网单位长度的n次谐波阻抗、导纳分别为Zn、Yn，则其n次谐波特征阻抗Zcn和传播常数γn

可见一般接触网对机车谐波电流起到放大作用，当机车处于供电臂末端（l＝L时）放大作用最大。解决牵引机车的谐波问题，一般方法是在牵引变电所装设3、5、7各次滤波器。近年新投运的部分电力机车改用车载分次滤波器的方式，滤除3、5次谐波效果很好。

（3）增加整流相数

高次谐波电流与整流相数密切相关，即相数增多，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流幅值变小。一般可控硅整流装置多为6相，为了降低高次谐波电流，可以改用12相或36相。当采用12相整流时，高次谐波电流只约占全电流的1％，危害性大大降低。

（4）当两台以上整流变压器由同一段母线供电时，可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成Y型和△形，这就可使5次、7次谐波相互抵消，而只需考虑11次、13次谐波的影响，由于频次高，波幅值小，所以危害性减小。

4 结论

（1）谐波的发生影响整个电力系统的环境，如在通讯中因发生谐波噪声使通话质量下降，使控制和保护设备发生误动作以及使电力装置与系统过载，给电力系统正常运行造成危害。

（2）谐波的管理通常是制定用户公共连接点处的电压谐波含量标准，即制定有关标准，采取相应措施，严格控制，净化电力系统环境。

（3）在测量谐波时必须注意PT与CT的精确度，否则造成误差很大，用CT末屏分压测取系统的谐波电压具有准确、方便的优点。在超高压系统谐波电压测试中得到推广运用。

三、高次谐波治理

高次谐波的对策，从设计制造角度：选用IGBT功率元件，空间电压矢量控制，多相叠加，例如六相，十二相，多重化移相，调制过程中选择合理的参数值等。一般以高品位，名牌和采用新技术的产品为好。从使用安装角度：采用进线AC电抗器，出线采用DC电抗器或正弦滤波器；不共用地线，分开供电电源（变频器，受干扰设备分开供电）；易受干扰的设备采用隔离电感器供电；变频器出线与进线采用屏蔽线并接地，且分开一定距离；进、出线穿金属管并接地；输出使用四芯电缆（一芯接地），电机外壳接地，变频器单独接地；采用绝缘型电源变压器（中性点不接地）；缩短线路长度；电源线和信号线单独敷设，避免交叉，不能避免时，必须垂直交叉，绝对不能平等敷设；信号线屏蔽层不接到电机或变频器的地，而应该接到控制线路的公共端；必要时可采用零序电抗器、电涌吸收器、电涌抑制器，输入抑制电抗器；使用绞线布线。亦可降低变频器的载波频率来消除干扰的影响。一般频率降低干扰会下降，但噪音可能要大些，电流波形平滑性要差些。具体可根据现场调试而定，必须时采用专用的变频电机。

总之，采用以上对策后，基本可消除高次谐波的干扰或大大减弱高次谐波的影响。以上诸多措施，只是选其中几项即可，按现场具体条件、情况而定

四、高次谐波的危害

与一般无线电电磁干扰一样，变频器产生的高次谐波通过传导、电磁辐射和感应耦合三种方式对电源及邻近用电设备产生谐波污染。传导是指高次谐波按着各自的阻抗分流到电源系统和并联的负载，对并联的电气设备产生干扰，感到耦合是指在传导的过程中，与变频器输出线平行敷设的导线又会产生电磁耦合形成感应干扰电磁辐射是指变频器输出端的高次谐波还会产生辐射作用，对邻近的无线电及电子设备产生干扰 高次谐波的危害具体表现在以下几个方面：

1、变压器：电流和电压谐波将增加变压器铜损和铁损，结果使变压器温度上升，影响绝缘能力，造成容量裕度减小。谐波还能产生共振及噪声。

2、感应电动机：电流和电压谐波同样使电动机铜损和铁损增加，温度升。同时谐波电流会改变电磁转距，产生振动力矩，使电动机发生周期性转速变动，影响输出效率，并发出噪声。

3、电力电容器：当高次谐波产生时，由于频率增大，电容器阻抗瞬间减小，涌量电流，因而导致过热、甚至损坏电容器，还有可能发生共振，产生振动和噪声。

4、开关设备：由于谐波电流使开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率，使暂态恢复峰值电压增大，破坏绝缘，还会引起开关跳脱、引起误动作。

5、保护电器：电流中含有的谐波会产生额外转距，改变电器动作特性，引起误动作，甚至改变其操作特性，或烧毁线圈。

6、计量仪表：计量仪表因为谐波会造成感应盘产生额外转距，引起误差，降低精度，甚至烧毁线圈。

7、电力电子设备：电力电子设备通常靠精确电源零交叉原理或电压波形的形态来控制和操作，若电压有谐波成分时，零交叉移动、波形改变、以致造成许多误动作。

8、通讯干扰： 非线性负荷供电系统产生的谐波对与其邻近的通讯线路产生静电感应及电磁感应，在通讯系统内产生不良影响。

9、同步发电机的影响：电力系统中的同步发电机，特别是以非线性负荷为主或以发电电压直接供给非线性负荷的同步发电机，高次谐波对其有较大不良影响。谐波电流引起定子特别是转子部分的附加损耗和附加温升，降低了发电机的额定出力。

10、对电缆线路绝缘的影响：对电缆线路，非正弦电压使绝缘老化加速，漏泄电流增大；当出现并联谐振过电压时，可能引起放炮并击穿电缆。

11、对测量仪的影响：高次谐波会引起电度表误差，谐波频率愈高，误差愈大，且均为负误差。

12对继电保护自动装置等的影响： 当谐波电压水平较高时，对供电系统的电压自动调节的误差有所增加。负序系统的高次谐波电流对具有负序电流谐波滤波装置的继电保护装置有不良影响。谐波电流恶化甚至破坏利用电力线路作为联系通道的远动装置的工作。

13、对整流装置的影响： 高次谐波对脉冲—相位控制的可控硅（晶闸管）整流装置有较大影响，可能造成脉冲丢失而烧坏可控硅管。由于谐波的这些危害，所以在设计和建设非线性负荷的配电时，必须满足国家制订的谐波标准《电能质量公用电网谐波》gb/t149-93要求，采取抑制和消除谐波的措施。抑制和消除谐波，主要归结为抑制和消除谐波电流，使电压畸变率和系统注入公共连接点的谐波电流符合国家标准。

五、高次谐波电流

由于目前的变频器几乎都采用PWM控制方式，这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源 侧产生高次谐波电流，并造成电压波形畸变，对电源系统产生严重影响。

随着电力电子技术的飞速发展，各种新型用电设备越来越多地问世和使用，高次谐波的影响越来越严重。电力系统受到谐波污染后，轻则影响系统的运行效率，重则损坏设备以至危害电力系统的安全运行。以前，电力系统考核电能质量的主要指标是电压的幅值和频率，现在世界各国都把电网电压正谐波形畸变率极限值作为电能质量考核指标之一，正确认识谐波已成为电力工作者的重要任务之一。因此，研究和分析谐波产生的原因、危害和抑制谐波的措施具有重要的实际意义。