谐波阐述

---

谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。产生的原因：由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。

 

■周期性波形的展开：

根据傅立叶级数的原理，周期函数都可以展开为常数与一组具有共同周期的正弦函数和余弦函数之和。

其展开式中，常数表达的部分称之为直流分量，最小正周期等于原函数的周期的部分称之为基波或一次谐波，最小正周期的若干倍等于原函数的周期的部分称之为高次谐波。

因此高次谐波的频率必然也等于基波的频率的若干倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推。不管几次谐波，他们都是正弦波。

 

■谐波的危害：

降低系统容量如变压器、断路器、电缆等

加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备

危害生产安全与稳定

浪费电能等。

 

■谐波的治理：

有源电力滤波器是治理谐波的理想产品。

 

谐波产生原因

---

在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。

 

用傅立叶分析原理，能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。

 

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。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。

 

谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19 …。n倍于电网频率。功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。

 

其他功率消耗装置，例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3 次谐波( 150 赫兹)。

 

在供电网络阻抗( 电阻) 下这样的非正弦曲线电流导致一个非正弦曲线的电压降。在供电网络阻抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流频率的供电网络阻抗Z的乘积。次数越高，谐波分量的振幅越低。

 

只要哪里有谐波源那里就有谐波产生。也有可能，谐波分量通过供电网络到达用户网络。例如，供电网络中一个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设备产生的谐波所干扰。

 

谐波对电容器组的影响

---

谐波对电容器组的影响也比较严重，主要有以下几种情况。

● 电容器由于谐波电流而过载，因为电容器的电抗随着频率的升高而减小，这使得电容器称为谐波的吸收点。同时，谐波电压产生大电流会引起电容器熔丝熔断。

● 谐波往往会使介质损耗增加，其直接后果是额外的发热和设备的寿命缩短。

● 电容器和电源电感结合构成并联谐振电路，其谐振频率可以计算得出。在谐振情况下谐波被放大，最终的电压会大大高于电压额定值并导致电容器损坏或熔丝熔断。

 

谐波对变压器的影响

---

谐波环境下的变压器会受到如下损害。

● 负载损耗增加。负载损耗包括铜耗和杂散损耗(线圈涡流损耗)。杂散损耗是决定由非线性负载引起的变压器铁心额外发热损耗的重要因素。

● 磁滞和涡流损耗增加。这些损耗会随着频率的升高而大大增加，而且由谐波引起的涡流损耗比由谐波引起的磁滞损耗大。

● 变压器电感与功率因数校正电容器之间可能产生谐振。

● 由于峰值电压增加而导致绝缘应力增加。

上述损耗会导致变压器发热及相应的寿命损失。

 

谐波对保护装置、通信电路和电子设备等的影响

---

谐波还会干扰保护继电器、测量设备、控制电路和通信电路以及用户电子设备等，还会使灵敏设备发生误动作或元件故障。谐波在以下几个方面影响保护和控制装置、测量设备、通信电路和电子负载。

● 谐波影响断路器的开断能力。

● 受电压和电流峰值或零值控制的继电器会受到谐波的影响。在有谐波存在时，机电型继电器的延时特性会改变。零序电流继电器不能区分零序电流和3次谐波电流，从而导致误跳闸。

● 测量仪表对非正弦信号呈现出不同的响应特性，从而导致计量不准确。

● 谐波通过感性耦合干扰电话线路。

● 由于过零点的移动，谐波影响电子装置和控制电路的正常工作。

● 谐波干扰用户负载，这对计算机系统特别值得关注。

● 谐波缩短白炽灯的寿命和引起荧光灯的故障。