高次谐波

高次谐波

一、什幺是高次谐波

高次谐波（high order harmonic）可分以下几点理解：

1. 对于任意一个复合周期振动函数Y(T)，按傅里叶级数分解表示为：

第一项称为均值或直流分量；第二项称为基波或基本振动，第三项称为二次谐波；依次类推，可把二次谐波以后的统称为高次谐波。

2. 高次谐波的频率是基波频率的整数倍。或者说，2倍以上的正弦波均

称为高次谐波。

3. 非正弦电流波形按傅里叶级数可以分解为基波及一系列不同频率和

振幅的谐波。

当谐波频率为基波频率的整数倍时，称为高次谐波。

当谐波频率为基波频率的非整数倍时，称为分数谐波或旁频波。

当谐波频率低于基波频率时，称为次谐波。

二、高次谐波产生的原因

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。那幺，谐波是如何产生的？主要由以下两大因素造成：

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余量较大的设计。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。

三、高次谐波的危害

与一般无线电的电磁干扰一样，变频器产生的高次谐波会通过传导、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。

感应耦合是指在传导的过程中，与变频器输出线平行铺设的导线会产生电磁耦合，形成感应干扰。

电磁辐射是指变频器输出端的高次谐波会产生辐射作用，对邻近的无线电及电子设备产生干扰。

谐波电流流经系统中包括发电机、输电线、变压器等各种阻抗组件时，必然产生非正弦的电压降，使交流系统内各点的电压波形也发生不同程度的畸变。电压畸变的程度取决于非线性负荷容量与电网容量的相对比值以及供电系统对谐波频率的阻抗；畸变的电压反过来对整流装置从系统中取用的电流波形又有影响，因而谐波电流和谐波电压是相伴而生、相互影响的。

高次谐波是电力系统的公害,其危害主要有:谐波电流使输电线路、发电

机、电动机、变压器等产生附加损耗，温度升高。具体表现在以下几个方面：

3.1 变压器

电流和电压谐波会增加变压器的铜损和铁损，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。

谐波电压使变压器激磁电流增大，效率变低，并恶化其功率因数。

3.2 电容器

1）当高次谐波产生时，由于频率增大，电容器阻抗瞬间减小，涌入大量电流，导致电容器过热，甚至损坏，还有可能产生振动和噪声。

2）由于电容器的容抗和频率成反比，电力电容器对谐波电压最为敏感。谐波电压加速电容器介质老化，介质损失系数tgδ增大，容易发生故障和缩短寿命，谐波电流常易使电容器过负荷而出现不允许的温升。电容器与电力系统还可能发生危险的谐振。此时，电容器成倍地过负荷，响声异常，熔断器熔断，使电容器无法运行。伴随着谐振，在谐振环节常出现过电压，造成电气组件及设备故障或损坏，严重时影响系统的安全运行。

3）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。

3.3 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。

3.4 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,易造成许多误动作。

3.5 其它

高次谐波还会对电脑、通信设备、电视及音响设备、载波遥控设备等产生干扰，使通信中断，产生杂讯，甚至发生误动作；另外还会对照明设备产生影响。

四、高次谐波的抑制

由于谐波的上述种种危害，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/t14549-93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。

从设计制造角度看，高次谐波的抑制对策可分为：选用IGBT功率组件；空间电压矢量控制；

多相迭加，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。

从使用安装角度看可分为：采用进线AC电抗器，出线采用DC电抗器或正弦滤波器；不共享地线，分开供电电源；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铺设，避免交叉，不能避免时，必须垂直交叉，绝对不能平等铺设；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，只选其中几项即可，按现场具体条件、情况而定。

彭会欣

2010.07.27