【正文】 z。諧波次數(shù)不能為非整數(shù)，因此也不能有非整數(shù)諧波。就諧波的概念可見諧波有以下特征：1)諧波的次數(shù)n必須是整數(shù)倍即4，5??。2)諧波和暫念現(xiàn)象必須加以區(qū)別，諧波的波型是周期性的和不變的，而暫態(tài)現(xiàn)象的的波形每個(gè)周波都在發(fā)生著變化，為了區(qū)別暫念現(xiàn)象和諧波一般在計(jì)算電壓(電流)畸變率時(shí)，采用諧波電壓(電流)的平均有效值或畸變率，其時(shí)間區(qū)閫取3秒。3)短時(shí)問諧波和暫態(tài)中的諧波分量，短時(shí)間諧波問題是指大功率晶閘管在工作時(shí)產(chǎn)生的短時(shí)間突發(fā)電流脈沖，這種突發(fā)的脈沖包含著暫念分量和諧波分量，如果它引起的電壓畸變是間斷性的持續(xù)時(shí)間不超過2s，兩個(gè)脈沖不小于30ms，這種暫念分量和諧波分量是允許的。暫態(tài)過程的實(shí)測(cè)波形是一個(gè)帶有明顯高頻分量的畸變波形，但盡管暫態(tài)過程中含有高頻分量，暫態(tài)和諧波卻是麗個(gè)完全不同的現(xiàn)象：諧波按其定義束說是在穩(wěn)態(tài)情況下出現(xiàn)的，并且其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。產(chǎn)生諧波的畸變波形是連續(xù)的，或至少持續(xù)幾秒鐘，而暫念現(xiàn)象則通常在幾個(gè)周期后就消失了。暫念常伴隨著系統(tǒng)的變化，例如投切電容器組等，而諧波則與負(fù)荷的連續(xù)運(yùn)行有關(guān)。 電力系統(tǒng)諧波的表達(dá)式供用電系統(tǒng)中，通常認(rèn)為電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)交流電壓和交流電流呈正弦波形。在進(jìn)行諧波分析時(shí)，正弦電壓通常由下數(shù)學(xué)式表示： (2．1)式(2．1)中：U為電壓有效值，為初相角，為角頻率。正弦電壓施加在線性無源元件電阻、電感和電容上，其電源和電壓分別為比例、積分和微分關(guān)系，仍為同頻率的正弦波。但當(dāng)正弦電壓施加在非正弦電路上時(shí)，電流就變?yōu)榉钦也?，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會(huì)使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。?dāng)然，非正弦電壓施加在線性電路上時(shí)，電流也是非正弦波。理論上任何周期性波形都可以分解成傅立葉級(jí)數(shù)形式，稱為諧波分析或頻域分析。諧波分析是計(jì)算周期性畸變波形的基波和諧波的幅值和相角的基本方法。對(duì)于周期為T=2／的非正弦電壓，一般滿足狄力赫利條件，可以分解為如下形式的傅立葉級(jí)數(shù)：u(t)=a0 + (22)式(22)中： (23）a= （n=1,2,3…） (24)b= （n=1,2,3…） (25)在傅立葉級(jí)數(shù)中頻率的分量稱為諧波，均以非正弦電壓為例，頻率為的分量稱為基波，大于諧波次數(shù)為基波頻率和基波頻率的整數(shù)比。以上公式及定義均以非正弦電壓為例，對(duì)于非正弦電流的情況也完全適用，把式中比轉(zhuǎn)成i即可。 電力系統(tǒng)諧波的標(biāo)準(zhǔn)由于電網(wǎng)中的諧波電壓和電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)本身和用電設(shè)備造成很大的危害，所以必須限制諧波電流流入電網(wǎng)和控制諧波電壓在允許的范圍內(nèi)，以保證供電質(zhì)量。世界許多國(guó)家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，或由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的定。各級(jí)電網(wǎng)的諧波水平一般用諧波電壓含有率或總諧波畸變率來反映。世界各國(guó)所制定的諧波標(biāo)準(zhǔn)大都比較接近，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議 (CIGRE)和國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)都成立了專門工作組擬定電力系統(tǒng)和電工產(chǎn)品的諧波標(biāo)準(zhǔn)，很多國(guó)家對(duì)諧波也制定了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一些國(guó)家的電壓總諧波畸變率的大致范圍為:低壓電網(wǎng)(1kV)，一般5%，個(gè)別3%、7%。中壓電網(wǎng)(24一77kv)，一般2%5%、個(gè)別6%。高壓電網(wǎng)(84kV及以上)，一般 1% %，個(gè)別2%5%。我國(guó)原水利電力部于1984年根據(jù)原國(guó)家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)批轉(zhuǎn)的《全國(guó)供用電規(guī)則》的規(guī)定，《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)問題，結(jié)合國(guó)情，吸取國(guó)外諧波標(biāo)準(zhǔn)研究成果的基礎(chǔ)上于1993年又發(fā)布了 GB/《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，該標(biāo)準(zhǔn)從1994年3月l日開始實(shí)施。表1一I公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值 The limited value of Public electric grid harmonic voltage (Phase voltage) 電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電壓（%）電壓總諧波畸變率（%）各次諧波電壓含有率（%）奇次偶次6/1035/66110對(duì)于不同電壓等級(jí)的公用電網(wǎng)，允許電壓諧波畸變率也不相同。電壓等級(jí)越高，諧波限制越嚴(yán)格。另外，對(duì)偶次諧波的限制也要嚴(yán)于對(duì)奇次諧波的限制。表1一1給出了公用電網(wǎng)諧波電壓限值。 電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生所謂諧波是指一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。周期為T=2/。的非正弦電壓u（），勿小在滿足狄里赫利條件下，可分解為如下形式的傅里葉級(jí)數(shù):u(t)=a + 式中，頻率為n(n=1,2…)的項(xiàng)即為諧波項(xiàng)，通常也稱之為高次諧波。電力系統(tǒng)中的諧波來自電6設(shè)備。也就是說來自發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備。由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓波形不可能是一點(diǎn)不失真的正弦波。目前我國(guó)應(yīng)用的發(fā)電機(jī)有兩大類：隱極機(jī)和凸極機(jī)。隱極機(jī)多用于汽輪發(fā)電機(jī)。凸極機(jī)多用于水輪發(fā)電機(jī)。對(duì)于諧波分量而言。隱極機(jī)優(yōu)于凸極機(jī)，但隨著科技進(jìn)步，可控硅、IGBT等電子勵(lì)磁裝置的投入，使發(fā)電機(jī)的諧波分雖有所上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)的端電壓高于額定電壓的10％以上時(shí)，由于電機(jī)的磁飽和．會(huì)使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側(cè)電壓超過額定電壓10％以上時(shí)，也會(huì)使二次側(cè)電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓偏移在177。7％以下。所以發(fā)電、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量鄙比較小，比圍家的考核標(biāo)準(zhǔn)低的多，因此發(fā)電、變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓渡形方面質(zhì)量的主要矛盾。為此，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備。非線性用電沒備是主要的諧波源，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類：第一，電弧加熱設(shè)備：如電弧爐、電焊機(jī)等；第二，交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機(jī)車、電解、電鍍等；第三，交流整流再逆變用電沒備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等；第四，開關(guān)電源設(shè)備：如中頻爐、彩色電視機(jī)、電腦、電子整流器等。由于晶閘管整流在電力機(jī)車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等多方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，給電力系統(tǒng)造成大量諧波。晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，所以給電網(wǎng)帶來的是另一部分的缺角正弦波，顯然留下部分中含有大量的諧波。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占有所有諧波的近40％，它是最大的諧波源。變頻裝置常用于風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中，由于采用了移相控制，諧波成分很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分?jǐn)?shù)次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)造成的諧波就越來越多。電視機(jī)、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因?yàn)橛姓{(diào)壓整流裝置，會(huì)產(chǎn)生較大的奇次諧波。洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)等有繞組的設(shè)備中，因?yàn)椴黄胶怆娏鞯淖兓材苁共ㄐ胃淖?。這些家用電器雖然功率不大，但是數(shù)量巨大，也是諧波的主要源頭之一。 電力系統(tǒng)諧波的危害 對(duì)電機(jī)的危害(1)對(duì)同步電機(jī)的影響：定子繞組為星形接法的旋轉(zhuǎn)電機(jī)接受的高次諧波電流通常只含有正序和負(fù)序分量。定子中第h次諧波電流的正序和負(fù)序分量分別形成正向和反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)速均為h倍的同步轉(zhuǎn)速。因此，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子就分別感應(yīng)出(h1)和(h+1)次諧波電流。但其主要部分并不在轉(zhuǎn)子繞組中流動(dòng)，而是在轉(zhuǎn)子表面形成環(huán)流。高次諧波電流在發(fā)電機(jī)定子中同樣有集膚效應(yīng)。在定子的雙層繞組中，高次諧波電流主要在沿槽高度的上層線棒里產(chǎn)生附加損耗，并且比下層線棒里的相應(yīng)附加損耗要大好幾倍。諧波電流對(duì)隱極式同步電機(jī)的定子零部件，也能引起嚴(yán)重問題，甚至構(gòu)成制約條件。諧波電流在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中產(chǎn)生的附加損耗，在一般情況下，轉(zhuǎn)子的附加損耗比定子的附加損耗大得多。(2)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的影響感應(yīng)電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)線尺寸比定子導(dǎo)線的尺寸大得多，所以隨著電流頻率的上升，轉(zhuǎn)子電阻的增加比定子電阻的增加更快。盡管如此，在諧波和其他因素的綜合作用下，可使定子繞組局部發(fā)熱問題相當(dāng)嚴(yán)重。由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載般都是固定連接的，在受到諧波影響時(shí)，不能臨時(shí)降低負(fù)載來避免異常過熱和縮短壽命，在確定允許的諧波電壓時(shí)，應(yīng)使絕大多數(shù)電動(dòng)機(jī)在諧波電壓下不至過分增大消耗壽命的速度。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)承受的諧波電壓折算等價(jià)基波負(fù)序電壓。折算公式為：式中U為等價(jià)基波負(fù)序電壓；為第h次諧波電壓；m為系數(shù)，且m≤1。作為靜止設(shè)備的變壓器，在諧波潮流圖中，它既是諧波源同時(shí)又是傳輸其他諧波源產(chǎn)生諧波的中間環(huán)節(jié)。當(dāng)直流電流、低頻電流地電流流入變壓器繞組時(shí)，變壓器產(chǎn)生嚴(yán)重磁飽和，使其中的諧波電流增大，以致威脅設(shè)備本身和電網(wǎng)的安全運(yùn)行。來自其他諧波源并流過變壓器的諧波電流，在諧振條件下，也能損害變. 壓器。諧波電流除了引起變壓器繞組附加發(fā)熱外，對(duì)外殼、外層的鋼片和某些緊固零件引起發(fā)熱，甚至?xí)饑?yán)重的局部過熱。除此之外，諧波還導(dǎo)致變壓器噪聲增大，有時(shí)還發(fā)出金屬聲。諧波會(huì)大大增加電力變壓器的銅耗和鐵耗，降低變壓器的有效出力，諧波導(dǎo)致的噪聲會(huì)使變電所的噪聲污染指數(shù)超標(biāo)，影響工作人員的身心健康。由于以上量方面的損耗增加，因此要減少變壓器的實(shí)際使用容量。 對(duì)線路的危害諧波對(duì)供電線路產(chǎn)生了附加損耗。架空線路諧波電流產(chǎn)生熱損，較大的高次諧波電流分量能顯著地延緩潛供電流的熄滅，導(dǎo)致單相重合閘失敗。電纜中的諧波電流會(huì)產(chǎn)生熱損，使電纜介損、溫升增大，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費(fèi)。由于中性線正常時(shí)流過電流很小，故其導(dǎo)線較細(xì)，當(dāng)大量的三次諧波流過中性線時(shí)，會(huì)使導(dǎo)線過熱，損害絕緣，引起短路甚至火災(zāi)。增加了輸電線路的損耗，縮短了輸電線壽命。諧波電流一方面在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。對(duì)于架空線路而言，電暈的產(chǎn)生和電壓峰值有關(guān)，雖然電壓基波未超過規(guī)定值，但由于諧波的存在，當(dāng)諧波電壓與基波電壓峰值重合時(shí)，其電壓峰值可能超過允許值而產(chǎn)生電暈，引起電暈，損耗增加。對(duì)于電纜輸電情況，諧波電壓正比于其幅值電壓形式增強(qiáng)了介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度，這會(huì)影響電纜的使用壽命。據(jù)有關(guān)資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60%。 對(duì)電容器的影響諧波對(duì)電容器的危害是通過電效應(yīng)、熱效應(yīng)和諧振引起諧波電流放大問。國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明:受諧波影響而導(dǎo)致的電氣設(shè)備損壞中電容器占有最大比例。諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖頂波形，最不情況是諧波和基波電壓峰值的疊加，峰值電壓上升使電容器介質(zhì)更容易發(fā)電。一般來說，電壓升高10%，電容器壽命縮短1/2。由于諧波使通過電的電流增加，使電容器損耗增加，從而引起電容器發(fā)熱和溫升，加速老化。器溫升每上升8℃，壽命縮短1/2。由于電容器的容抗與頻率成反比，因諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電波形畸變比基波電壓的波形畸變大得多，即使電壓中諧波所占比例不大，也生顯著的諧波電流。特別是在發(fā)生諧振的情況下，很小的諧波電壓就會(huì)引起的諧波電流，導(dǎo)致電容器因過流而損。 對(duì)繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置工作的影響諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表劑量不正確。造成電能計(jì)量的誤差。一方面是增加電度表本身的誤差，另一方面是諧波源負(fù)荷從系統(tǒng)中吸收基波功率而向系統(tǒng)送出諧波功率。這樣受害的用戶既從系統(tǒng)中吸收基波功率，又從諧波源吸收無用的諧波功率，其后果是諧波源負(fù)荷用戶少付電費(fèi)，而受害的用戶多付電費(fèi):給供電部門或電力用戶帶來直接的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于配電用斷路器來說，全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱,同時(shí)由于對(duì)電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難，且諧波次數(shù)越高影響越大；熱磁型的斷路器，由于導(dǎo)體的集膚次應(yīng)與鐵耗增加而引起發(fā)熱，使得額定電流降低與脫扣電流降低；電子型的斷路器，諧波也要使其額定電流降低，尤其是檢測(cè)峰值的電子斷路器，額定電流降低得更多。由此可知，上述三種配電斷路器都可能因諧波產(chǎn)生。對(duì)于漏電斷路器來說，由于諧波匯漏電流的作用，可能使斷路器異常發(fā)熱，出現(xiàn)誤動(dòng)作或不動(dòng)作。對(duì)于電磁接角器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點(diǎn)，線圈溫度升高使額定電流降低。對(duì)于熱繼電器來說，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低，在工作中它們都有可能造成誤動(dòng)作。 對(duì)其通信系統(tǒng)的影響諧波對(duì)通信線路的干擾，不但可以損害通話的清晰度，由于諧波和基波的綜合作用，曾有多次觸發(fā)電話響起的記載，在極端情況下會(huì)威脅通信設(shè)備和人員的安全。其中高壓直流換流站換相過程中產(chǎn)生的電磁噪聲會(huì)干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作的閉鎖和繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)，影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。 本章小結(jié)本章對(duì)電力系統(tǒng)諧波作了簡(jiǎn)單扼要的介紹和分析，介紹了基本的定義及表達(dá)式，從而分析出諧波產(chǎn)生的原因。再者，分析了電力系統(tǒng)諧波對(duì)電力系統(tǒng)及通信系統(tǒng)的影響，顯示了其巨大的危害。通過對(duì)諧波源諧波產(chǎn)生機(jī)理的定性分析產(chǎn)生的諧波進(jìn)行測(cè)量和定量計(jì)算打下了基礎(chǔ)。同時(shí)為對(duì)進(jìn)行電力系統(tǒng)諧波管理確立了目標(biāo)。第3章 電力系統(tǒng)諧波的檢測(cè)1）帶阻濾波法這是一種最為簡(jiǎn)單的諧波電流檢測(cè)方法，其基本原理是設(shè)計(jì)一個(gè)低阻濾波器，將基波分量濾除，從而獲得總的諧波電流量。這種方法過于簡(jiǎn)單，精度很低，不能滿足諧波分析的需要，一般不用。2）帶通選頻法和FFT變換法帶通選頻方法采用多個(gè)窄帶濾波器，逐次選出各次諧波分量，基本原理如圖1所示:：基本原理圖利用FFT變換來檢測(cè)電力諧波是一種以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的測(cè)量方法，其基本過程是對(duì)待測(cè)信號(hào)(電壓或電流)進(jìn)行采樣，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)。這兩種方法都可以檢測(cè)到各次諧波的含量，但以模擬濾波器為基礎(chǔ)的帶通選頻法裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件多，測(cè)量精度受元件參數(shù)、環(huán)境溫度和濕度變化的影響大，且沒有自適應(yīng)能力；后一種檢測(cè)方法其優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)測(cè)量多個(gè)回路，能自動(dòng)定時(shí)測(cè)。量。缺點(diǎn)是采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)限制諧波測(cè)量的最高次數(shù)，具有較長(zhǎng)的時(shí)間延遲，實(shí)時(shí)性較差。3）瞬時(shí)功率矢量法1984年，并在此基礎(chǔ)上提出了2種諧波電流的檢測(cè)方法：pq法和ii法。這2種方法都能準(zhǔn)確地測(cè)量對(duì)稱的三相三線制電路的諧波值。i一i法適用范圍廣，不僅在電網(wǎng)電壓畸變時(shí)適用，在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí)也同樣有效。而使