1、概述
公共电网和工业电网中的谐波量逐渐增加是全世界共同的趋势，很明显地，这和工业应用及商用建筑大楼中大量使用非线性负载和设备有着直接的关系。这些非线性设备通常为晶闸管或二级管整流器谐波，它们将导致电网中的电力品质下降，常可出现在下列行业应用实例中。×变速驱动装置(VSD)，用于：-制造业和加工业-冶金工业中的感应加热-商业建筑中的电梯、空调泵、风机×商业和工业建筑楼房中的计算机及其它重要负载所用的不间断电源(UPS)
2、谐波的影响
2.1变压器对变压器而言，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。而当你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子，以确保变压器温升在允许的范围内。还应注意的是用户由于谐波所造成的额外损失将按所消耗的能量(仟瓦一小时)反应在电费上，而且谐波也会导致变压器噪声增加。
2.2电力电缆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。
2.3电动机与发电机谐波电流和电压对感应及同步电动机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影响所生产产品的质量。例如：人造纤维纺织业和一些金属加工业。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。
2.4电子设备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可能造成对通讯设备的干扰。计算机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。
2.5开关和继电保护像其它设备一样，谐波电流也会引起开关之额外温升并使基波电流负载能力降低。温升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。旧式低压断路器之固态跳脱装置，系根据电流峰值来动作，而此种型式之跳脱装置会因馈线供电给非线性负载而导致不正常跳闸。新型跳脱装置则根据电流的有效值(RMS)而动作。保护继电器对波形畸变之响应很大程度取决于所采用的检测方法。目前并没有通用的准则能用来描述谐波对各种继电器的影响。然而，可以认为目前在电网上一般的谐波畸变不会对继电器运行造成影响。
2.6功率因数补偿电容器电容器与其它设备相较有很大区别，电容器组之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，这将导致电容器组温升提高并增加绝缘材料的介质应力。频繁地切换非线性电磁组件如变压器会产生谐波电流，这些谐波电流将增加电容器的负担。应当注意的是熔丝通常不是用来当作电容器之过载保护。由谐波引起的发热和电压增加意味着电容器使用寿命的缩短。在电力系统中使用电容器组时，因其容性特点在系统共振情况下可显著的改变系统阻抗。必需考虑系统产生谐振的可能性。系统谐振将导致谐波电压和电流会明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电流。
2.6.1谐波与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10-15倍。被放大之谐波电流流经电容器可导致其内部组件过热。需注意的是，在相同电流幅值条件下高频谐波电流所造成之损失要高于基波频率电流。
2.6.2谐波与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，由电容器组之电容和供电变压器之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。
2.6.3建议不论何时，只要有非线性负载(直流驱动器、换相器、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，此时设计无功功率补偿系统，一定要倍加小心。为避免在连接电容器组之系统产生并联或串联谐振，应采用滤波或调谐式电容器组。在那些电管部门对谐波量有限制的地方，通常安装滤波电容器组是必须的，以满足例如IEEE标准519-1992或ENGINEERINGRECOMMENDATIONG5/3上标明之要求。典型的滤波电容器组设置五次、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需要补偿的无功量。在某些情况下，甚至一个滤波分支路就可满足电压畸变之限制和目标功率因数。为了设计滤波电容器组，应对会产生谐波的负载进行调查及整合，对既设工厂而言进行实地谐波测量是最理想的方式。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之单次谐波电压畸变，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，请注意，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。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。调谐式电容器组的典型范例，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%。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。当设计无功电力补偿系统时，假如设计一个新商业大楼，如果不知道大楼将有什么样的负载，通常较合理的作法是采用额定电压高于系统电压(例如在400V系统采用525V电容器)的电容器组。使用较高额定电压的电容器则在将来负载会产生谐波时，仅须增设电抗器而不须更换电容器组。无论何时，只要怀疑电容器组周围温度可能会超出其允许的最高温度上限值时，则建议在电容器配电盘内加设冷却风扇。还要提请注意的是在采用调谐式或滤波电抗器的地方，一定要使用强迫冷却方式，因为与电容器组相比，电抗器会产生更大的热量。
低压谐波治理及无功补偿
一. 谐波概述：
(一)谐波定义：
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到很多大于电网基波频率的分量，这部分电量称之为谐波。谐波频率和正常的基波频率比值(n=fn/fl)称为谐波次数。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到污染。现在技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害、抑制及滤除，其频率范围一般为2≤n≤50(我国电源频率为50hz-60hz)
(二)谐波产生的原因：
工矿企业供配电系统中的高次谐波除来自外部电网(称为背景谐波，以电压的形式存在)，谐波产生的主要原因是由于非线性负载所致，如市政给排水工程中拖动风机、水泵以及搅拌器的交流变频装置和直流传动装置，这些装置都是利用电力半导体技术将工频正弦波通过整流、斩波和逆变等措施，变成直流或频率可调的交流电。当电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，既有谐波电流产生。
(三)谐波源：
向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如：
1.电弧炼钢炉2. 整流器及整流设备
3.焊机设备4. 电子控制照明装置(如调光电子荧光镇流器)
5.UPS电源系统6.风机或水泵的变频调速装置
7.高层电梯8.TV影视设备、TV影视监视设备
9.磁饱和稳压装置10.计算机、打印机、复印机、变频冰箱等。我们企业越来越多的使用产生谐波的电气设备，如：交流变频装置、轧钢机直流传动设备，晶闸管串接调速的风机水泵等，这些设备受用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及工作状态况，而与电网参数无关，所以可视为恒流源。各种晶闸管电路产生的谐波次数和其电路形式有关，称为该电路的特性谐波。对称三相变流电路的网侧特征谐波次数为：PN±1(正整数)。式中P为一个电网周期内脉冲触发次数，除特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，上述电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波，当电网接有多个谐波源时，由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同，其和将小于各分量的算术和。变压器激磁电流中含有3、5、7、9等各次谐波分量，由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法，为3次谐波提供了通路，所以3次谐波电流一般情况下不会流入电网。
(四)谐波的含量及危害：
由于谐波的产生将改变电源原由50Hz-60Hz的电压性质，从而产生附加的谐波损耗，使变配电和用电设备效率降低，加速电缆绝缘老化而使其容易被击穿，影响自动化装置动作的准确性，对通讯线路和控制信号造成电磁及射频干扰等。
按有关规定，谐波的含量大于15%为严重污染电力网，在这种情况下一般电器都无法正常工作，这就必须采取谐波治理措施;电力网谐波含量在8%-10%为中度污染，这时一般用电设备还可以工作，但对于特殊用电设备就不能正常工作了，如无功补偿装置就是此种情况，我们向电力网投切的一般电力电容器没有抗谐波功能，如果此时电力网谐波含量在8%-10%以上投入电力电容，那么电力电容将在谐波的作用下发生谐振，并在电容内部产生数倍于额定电流的谐振电流，于是就会发生无功补偿装置在运行很短的时间内电力电容器就被击穿而失去电容容量，谐波的干扰也将使无功补偿装置中的小型断路器(熔断器)、接触器(复合开关)、热继电器等电器保护元件过热、失灵、熔焊、误动作、接地保护装置功能失常，由于谐波源的存在而且需要无功补偿时，普通补偿装置将难以正常工作，这时就必须采取先治理后补偿的新方案。
二、 谐波治理：
为了能把谐波对电力系统的干扰限制在系统可以接受的范围内，我国颁布了电力系统谐波管理暂时规定(SD123-84、GB/T14549-93)和IEC标准，明确了各种谐波源产生谐波的极限值。
电力系统治理谐波的主要措施有：
(一)装设由电感、电容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。
(二)增加整流相数。高次谐波电流与整流相数密切相关，相数增多，高次谐波的最低次数变高，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，可以改为12相、24相或48相。当采用12相整流时，高次谐波电流只约占全电流的10%左右，危害性大大降低了。
(三)在补偿电容器回路中串联一组电抗器，如果对应某次谐波有Xln-Xcn=0即产生谐波，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(选电压等级有要求)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。
(四)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△形和Y形，这就可使5次、7次谐波相互抵消，而只需要考虑11次、13次谐波的影响，由于频率高，波幅值小，所以危害性将大大减小。
