【摘 要】谐波对低压电器的影响主要表现为引起电气设备（电机，变压器和电容器等）附加损耗和发热，使同步发电机的额定输出功率降低，转矩降低，变压器温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短设备的使用寿命，甚至损坏：降低继电保护、控制以及检测装置的工作精度和可靠性等。
【关键词】谐波；低压电器；影响；消除
1. 前言
在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备（又称为非线性负荷）供电的结果。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电能质量变坏。因此，谐波是反映电力质量的重要指标之一。谐波的危害表现为引起电气设备（电机、变压器和电容器等）附加损耗和发热：使同步发电机的额定输出功率降低，转矩降低，变压器温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短设备的使用寿命，甚至损坏降低继电保护、控制以及检测装置的工作精度和可靠性等。谐波注入电网后会使无功功率加大，功率因数降低，甚至有可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备以及干扰通信线路的正常工作。
2. 谐波产生的原因
谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压与产生的电流不成线性（正比）关系而造成的波形畸变。当电力系统向非线性设备及负荷供电时，这些设备或负荷在传递（如变压器）、变换（如交直流转换器）、吸收（如电弧炉）系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送大量的谐波，使电力系统的正弦波形畸变，电能质量降低。谐波的产生主要来自下列具有非线性特性的电气设备：
（1）具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如变压器、电抗器等。（2）以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等。（3）以电力电子元件为基础的开关电源设备，如各种电力变流设备（整流器、逆变器、变频器）、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等，它们大量的用于化工、电气铁道、冶金、矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。
3. 谐波对低压电器的影响
3.1 谐波对变压器的影响。
对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，谐波电压则会增加铁损。与纯正基本波运行的正弦电流和电压相较，谐波对变压器的整体影响是温升较高。须注意的是：这些由谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降。为非线性负载选择正确的变压器额定容量时，应考虑足够的降载因素，以确保变压器温升在允许的范围内。还应注意的是由于谐波所造成的额外损失将按所消耗的能量（千瓦/小时）将反应在电费上，而且谐波也会导致变压器噪声增加。
3.2 谐波对电力电缆的影响。
在导体中非正弦波电流所产生的热量与具有相同均方根值的纯正弦波电流相比较，则非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应所引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如同增加导体交流电阻，进而导致I2Rac损耗增加。
3.3 谐波对电动机的影响。
（1）谐波电流和电压对感应所造成的主要效应为在谐波频率下铁损和铜损的增加所引起之额外温升。这些额外损失将导致电动机效率大为降低，并影响转矩。当设备负荷对电动机转矩的变动较敏感时，其扭动转矩的输出将绝对影响所生产产品的质量。
（2）对于旋转电机设备，与正弦磁化相比，谐波会增加噪音量。像五次和七次这种谐波源，在发电机或电动机负载系统上，可产生六次谐波频率的机械振动。机械振动是由振动的扭矩引起的，而扭矩的振动则是由谐波电流和基波频率磁场所造成，如果机械谐振频率与电气励磁频率重合，会发生共振进而产生很高的机械应力，导致机械损坏的危险。
3.4 谐波对电子设备的影响。
（1）电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常须靠电压波形的过零点或其它电压波形取得同步运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个相间电压高于另一个相间电压的位置点。这两点对于不同类型的电力电子电路控制是至关重要的。控制系统对这两点（电压过零点与电压位置点）的判断错误可导致控制系统失控。而电力与通讯线路之间的感性或容性耦合亦必将造成对通讯设备的干扰。
（2）计算器和一些其它电子设备，如可编过程控制器（PLC），通常要求总谐波电压畸变率（THD）小于5%，且个别谐波电压畸变率低于3%，较高的畸变量可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断，导致较大的经济损失。
3.5 谐波对断路器和继电保护装置的影响。
（1）像其它设备一样，谐波电流也会引起断路器的额外损失，并提高温升使基波电流承载能力降低。温升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。
（2）机械式低压断路器的固态跳脱装置，系根据电流峰值来动作，而此种型式的脱扣装置会因馈线供电给非线性负载而导致不正常跳闸。电子型脱扣装置则根据电流的有效值（RMS）而动作，而机械式低压断路器的固态跳脱装置，故当有大量谐波电流通过机械式低压断路器时有断路器误动作，造成非故障断电事故。
（3）保护继电器对波形畸变的响应很大程度取决于所采用的检测方法，如保护继电器无滤波形畸变电路，则会造成误动作事故。
3.6 谐波对功率因数补偿电容器装置的影响。
（1）电容器与其它设备相比较有很大区别，因其容性特点在系统共振情况下可显著的改变系统阻抗。电容器组的容抗随频率升高而降低，因此，电容器组起到吸收高次谐波电流的作用，此作用提高温升并增加绝缘材料的介质应力。频繁地切换非线性电磁组件会产生谐波电流，如变压器。
（2）这些谐波电流将增加电容器的负担。应当注意的是熔断器通常不是用来当作电容器的过载保护。由谐波引起的发热和电压增加意味着电容器使用寿命的大大缩短。
3.7 谐波造成的并联谐振。
变速驱动器产生的谐波电流，在经由电容器组电容和电网电感形成的并联谐振回路，可被放大到几十倍，甚至上百倍。 被放大的谐波电流流经电容器可导致其内部组件过热。须注意的是，在相同电流幅值条件下高频谐波电流所造成的损失要高于基波频率电流。
3.8 谐波造成的串联谐振。
在上一级电网系统电压如发生波形畸变的情况下，由电容器组的电容和供电变压器的短路电感形成的串联谐振回路会吸引高次谐波电流流入电容器，串联谐振可导致在变压器的低压侧出现高的波形畸变。
4. 消除谐波的方法
4.1 不使用产生谐波的设备，当然，在现实生产生活中现在是做不到的。
4.2 加装滤波装置（包括无源滤波和有源滤波装置） 。
（1）为了减少谐波对供电系统的影响，最根本的思想是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近防止谐波电流的产生，从而降低谐波电压。
（2）防止谐波电流危害的方法，一是被动地防御，即在已产生谐波的情况下，采用传统的无源滤波方法（由一组无源元件：电容器、电抗器和电阻器组成的调谐滤波装置），减轻谐波对电气设备的危害，同时进行功率因数补偿。另一种方法是主动的预防谐波电流的产生，即有源滤波方法。其原理是利用可关断电力电子器件产生与负荷电流中的谐波分量大小相等，相位相反的电流来消除谐波，其效果要比无源滤波方法好的多，但有源滤波不能进行功率因数补偿，还需另外加装功率因数补偿装置。
（3）此两种消除谐波的方法各有特点：有源滤波（动态）消耗有功，制造与各次谐波相位相反的波形，抵消谐波； 动态响应快，可适合负载随时变化的场合，但不能提高功率因数， 且价格太高。 无源滤波（静态）不消耗有功，利用LC振荡电路将谐波吸收并倒入地；动态响应慢，只适合负载相对稳定的场合（如双拉生产线，纸张制造等），能提高功率因数，且价格较低。
可见，静态的无源滤波装置更加适合消除BOPP生产线的谐波。 在设计制造及使用静态无源滤波装置过程中最致命是如果滤波装置的谐振点设计不当，或由于元件的性能不稳定等原因造成其频率与谐波频率相同，将会发生并联谐振现象。其后果，轻者造成设备大批损坏，重者会发生人身事故。为避免这一现象的发生，在设计时均会将其谐振频率设计为略小于谐波频率。但此两数值相差越大，其滤波效率约低。所以在所使用的元件长期使用都能保证性能优良的前提下才能将此两数值设计为接近，当然其滤波效率也会大大提高。 详细说明：不论何时，只要有非线性负载（直流驱动器、变频器、UPS、及所有整流器）连接到母线上，而又打算在母线上连接电容器组，此时加装无功功率补偿系统，一定要倍加小心。
（4）为避免在连接电容器组之系统产生并联或串联谐振，应采用谐波滤波器或调谐式电容器组。 国家电管部门对谐波量有限制，通常要求必须安装滤波电容器组，以满足国标要求。有关典型的滤波电容器组的设置五次、七次、十一次谐波等3个滤波分支路。滤波分支路的数量取决于要吸收的谐波量和要补偿的无功量。在某些情况下，甚至一个滤波分支路就可满足电压畸变的限制和目标功率因数。
（5）根据IEEE519-1992 标准，单次谐波电压畸变率允许值为基波电压的3%。例如，某些母线在不加电容器的情况下由非线性负载所引起的单次谐波电压畸变，测量值低于3%，那么就可以将任何电气设备连接到此母线上而无须顾忌。然而，不论什么时候，只要把不带电抗器的电容器组连到此母线上，就会出现一个特定的并联和串联谐振频率。如果这一谐振频率与某些谐波频率重合，谐波电流和谐波电压就会被明显放大。
（6）在没有谐波量限制的地方，可以使用调谐式电容器组。但是请记住，在此种情况下，谐波的主要成份都注入到上级电网。所需之段数则取决于负载功率因数和目标功率因数。设计调谐式电容器组时，通常须给出电压畸变限制值。给出的低电压典型值举例如下：U3rd=0.5%U5th=5%U7th=5%。
（7）典型的调谐频率是204Hz和189Hz，分别与6%的电抗器和7%的电抗器相对应。与使用6%的电抗器相比，7%的电抗器通常允许连接更多的非线性负载。设计时要考虑电抗器铁芯的线性度，使其涌流时以及在额定电压畸变情况下不会出现饱和状态。
5. 结语
（1）我国目前电能的30%是经过各类功率变换后供用户使用的。随着功率变换装置容量的不断增大、使用数量的迅速上升和控制方式的多样性等，电力电子装置的潜在负作用将日益突出。同时，家用电器、精密仪器设备发展迅猛，越来越多的电气用户对取用的电能形态和功率流动的控制与处理提出了新的要求。这样，越来越严重的谐波污染与越来越高的电能质量要求形成了一对日趋尖锐的矛盾。
（2）综上所述，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波已成为电能质量另一个重要指标。因此，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，已经迫在眉睫。我国谐波治理的水平还比较低，对电力科技工作者来说，谐波治理问题的研究具有十分重大的理论和现实意义。
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[文章编号]1619-2737（2013）11-20-513