谐波对电网电能质量影响分析
1概述
在理想的情况下，优质的电力供电应该提供具有正弦波形的电压，但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即谐波。我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率（在我国取工业用电频率50Hz为基波频率）整数倍的正弦分量又称为谐波。在供电系统中产生谐波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中向电网反馈谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电能质量畸变。因此，谐波是电能质量的重要指标之一。
供电系统中的谐波问题已引起各界广泛关注，为保证供电系统中所有的电气、电子设备能在电磁兼容意义的基础上进行正常、和谐的工作，必须采取有力的措施，抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。
2谐波源
在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。
在发电环节中对发电机的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。
谐波的产生主要是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现象的设备如：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电力设备如：各种电力交流设备（整流器、逆变器、变频器）、相控调速和调压设备，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、电气化铁道、冶金、矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。
以上这些非线性电气设备显著的特点：即使电网给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于他们具有其电流不随着电压同步变化的非线性的伏安特性，使得流过电网的电流是非正弦波的，这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成，即产生了谐波，使电网电压严重失真，此外电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。
接入低压供电系统的非线性设备产生的谐波电流可分为稳态谐波和动态谐波两大类。所谓稳态的谐波电流电指这种谐波的幅度不随时间变化，如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波，这类设备电网来说表现为恒定的负载。由激光打印机、复印机、微波炉、焊机等产生的各次谐波的幅值随时间变化，称之为动态谐波，这类设备对电网来说是一个随运行工作变化的负载。
随着电力电子设备使用不断增加，同时这些设备产生的谐波又具有较大的振幅，所以目前它们是供电系统中的主要谐波源，敏感性负荷越来越多，谐波越来越引起电力系统的关注，作为电能质量重要考核指标之一。
3谐波危害
增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率，由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频率电流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗，使导体的发热严重。
（1）对电动机影响
谐波对旋转电机的影响主要是引起附加损耗和过热，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。这些将缩短电机的寿命，情况严重时甚至会损坏电机。曾经有过这样的例子。某工厂的电动机运行一直正常，但一段时间以来却连续出现损坏。经查，接于同一电网的邻近工厂新投入的大型整流装置，因未采取消除谐波的措施，其谐波电流流入该厂而使电动机连续损坏。
（2）对输电线路的影响
谐波对电晕起始和熄灭的影响是峰一峰电压的函数。峰值电压与谐波和基波的相角关系有关，所以即使有效值电压在限值以内而峰值电压高出额定值也是可能的。因此，在输电线路的设计中要适当考虑这一影响，以降低事故的可能性。
超高压长距离输电线路，常采用单相自动重合闸来提高电力系统稳定性。较大的高次谐波电流(几十安培以上)能显著地延缓潜供电流的熄灭，导致单相重合闸失败或不能采用较小的自动重合闸时间，不利于系统稳定运行。
在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增加了介质的电场强度。这一影响增大了局部放电、介损和温升，缩短了电缆的使用寿命，增加了事故次数。电缆的额定电压等级越高，谐波引起的上述危害也越大。
谐波会使线路或设备产生更多的附加发热，从而影响绝缘寿命。除此之外，由于谐波电流会产生较高频率的电场，这种情况下绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使温升增加，也会影响绝缘寿命。
（3）对变压器的影响
谐波电压的存在增加了变压器磁滞损耗、涡流损耗以及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。
变压器副边输出谐波电压使输电线路热损耗增加，绝缘老化，寿命缩短；据有关部门试验，相同的电缆铺设条件，若通过一般的工频电流，其使用寿命为25年，而含有高次谐波的非正弦电流，其使用寿命只有9年。
（4）对无功补偿电容器的影响
电力谐波和电容器之间的作用是相互的，它不仅在电容器中产生额外的电力损耗，而且可能与电容器一起产生串联或并联谐振。在工频频率下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。但对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振。这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。
在电容器的作用下，谐波电流可以被放大2～5倍，而在谐振时可达30倍以上。谐振引起的过电压和过电流会大大增加电容器的损耗和过热，这将会导致电容器的损坏。
（5）对继电保护装置的影响
谐波对继电保护的影响主要表现为使继电器动作特性畸变或效果降低，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。并且由于不同类型继电器的设计和工作原理不用，谐波的影响程度也不尽相同。
（6）对计量表的影响
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）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，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流域（HVDC）换流站换相过程中产生的电磁噪声（3-10KHZ）会干扰电力载波通信的正常工作，并利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失损，影响电网运行的安全。
（8）对用电设备的影响
谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。
4抑制谐波的主要措施
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用户和电气设备制造厂的切身利益。为减少供电系统的谐波问题，一般从管理和技术措施上采取以下几个方面的对策：
（1）增加换流装置的相数
换流装置是供电系统的主要谐波源之一。理论分析表明，换流装置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，可以有效的消除幅度较大的低频率，（其特征谐波次数分别为12k±1和12k），从而可降低谐波电流的有效值。
（2）加装滤波装置（包括无源滤波和有源滤波装置）
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，设法在谐波源附近减少谐波电流，从而降低谐波电压。防止谐波电流危害的方法，安装交流滤波器，交流滤波器能有效地抑制谐波电流，是电网电压畸变减轻，供电质量提高，同时反过来又使大功率负荷的效率充分发挥，寿命相对延长，有源滤波器同时可提供的容性、感性无功，具有一定的无功补偿作用，使系统的功率因数提高。
5补偿方式介绍
目前配电网普遍采用的谐波补偿方式有三种:分别为集中补偿、支路补偿和就地补偿。
（1）集中补偿
集中补偿是将滤波器装设在用户专用变电所或配电室的低压母线上，对谐波进行统一补偿。这种补偿方式比较适合在非线性负荷集中、离变电所较近，谐波补偿容量较大的场合。
集中补偿的优点:可以就地补偿变压器的谐波引起损耗，保护变压器。可以补偿变电所母线、变压器和受电线路的谐波，节约能源;当负荷变化时，能对母线谐波起到补偿作用，从而改善电能质量;便于管理、维护、操作及集中控制。
集中补偿的缺点:它只能减少装设点母线上的谐波，保证网侧的用电环境，而不能减少用户其他支路负载的谐波影响。
（2）支路补偿
支路补偿是将滤波器按低压配电网的谐波负荷分布分组装设在相应的母线上，或者直接与低压干线相联接，形成低压电网内部的多条支路补偿方式，适合负荷比较分散的补偿场合。
分散补偿的优点:对负荷比较分散的电力用户，实现谐波负荷就地治理，减少配电网络中谐波影响，保证谐波不会与其他支路的谐波叠加;补偿方式灵活，易于控制。
分散补偿的缺点:补偿设备的利用率较集中补偿方式低;安装分散，维护管理比较不方便。
（3）就地补偿
就地补偿是将滤波器直接装设在用电设备旁边（谐波源负荷），与用电设备的供电回路并联，以减小用电系统的谐波，从而保证整个系统的供电环境。
就地补偿的优点:谐波仅仅与其所治理的用电设备相互抵消，不流向配电网络其它地方，谐波危害可以减小到更小，使配电更洁净，效果最好。
就地补偿的缺点:对于电网内公用负荷，与集中补偿和分散补偿相比，补偿相同容量的谐波负荷所需的补偿滤波器总容量和补偿装置总数量增加，由此引起投资较大，补偿装置利用率较低。
