谐波抑制与利用

摘要：针对谐波的危害性，运用数学理论对谐波的叠加和高次谐波的特性进行了定性分析，并在此基础上提出了抑制谐波危害性的方法。同时，对谐波利用的方法也进行了详细的分析。

关键词：高次谐波的谐波叠加

随着现代电气化水平的不断提高，人们对配电质量的要求也越来越高。目前各种稳压设备虽然在逐步更新，但仍未停止对谐波的肆意破坏；相反，以下谐波危害不容忽视。因此，有必要对谐波的产生和危害进行定性分析，以加深我们的认识，在抑制谐波危害的同时，弃恶扬善。

1谐波的危害

谐波的危害应从我的配电系统谈起。我一直采用50Hz交流供电系统，在稳压保护过程中很少考虑谐波的危害。这样就为谐波的产生和延续提供了一个门槛，使得谐波相互作用，一方面损坏电器，另一方面消耗大量电能。50Hz交流供电系统下的正序、负序、零序谐波分类见表1。

表1谐波分类

谐波频率2345678910频率(Hz)100150200250300350400450500相序-0 -0 -0是由于各种谐波的存在，造成50Hz正弦交流电波形失真，影响正常运行。在三相四线供电的干式变压器中，三次谐波代数叠加感应到干式变压器的一次侧，导致线圈过热，同时零线电流过大，甚至烧坏。电机运行过程中，谐波严重扭曲交流电压波形，烧毁电机。在无功功率补偿电路中，谐波会形成谐振，烧毁电容器柜。日常生活中，日光灯管烧坏，启动器无法启动，都是谐波造成的。

谐波的存在除了对电路造成危害外，还制约着配电功率因数的提高。使用电容补偿电路提高功率因数时，必然会带来谐波的负面影响。如果谐波频率高，无功功率补偿电容器很可能会击穿。

2谐波的定性分析

不同的谐波在电路中有不同的作用。本文对谐波的两种常见影响进行了定性分析，找出了原因并加以抑制。

2.1谐波的叠加特性

谐波的叠加与相序有关。在同一个电路中，当一些谐波相互作用时，它们会相互削弱或抵消，但更多的场合往往会相互重叠，造成明显的波形失真。比如只有三次谐波出现时，波形如图1所示；当三次和五次谐波同时出现时，正弦波会发生明显的变化，如图2所示。

图1u1、u3及其叠加波形

图2u1、u3、u5及其叠加波形

如果叠加继续，正弦波会发生质的变化。方波可以用傅立叶级数展开如下。

ui=4Um[sin 2ft+(sin 6ft)/3+(sin 10ft)/5

+……+(sin 2kft)/k [/(1)

其中ui为叠加后的电压，Um为基波幅度，f为基波频率50Hz，k=1，3，5.很奇怪。

当然还有很多其他种类的谐波叠加的情况。例如，锯齿波包含一系列偶次谐波(见图3) #p#分页标题#e#

图3锯齿波形

傅立叶级数表达式为

ui=A/2-A[sin 2ft+(sin 4ft)/2+(sin 6ft)/3+……(sin 2kft)/k 】/(2)

Ui为叠加后的电压，a为锯齿波电压幅值，f为50Hz的基频，k为自然数。

从以上分析可以看出，谐波的叠加是不可忽视的，在三相四线制供电系统中较为明显。由于谐波叠加，中性线会因电流过大而发热，如图4所示。此外，配电线路中性母线和端子板的过载和过热也是谐波叠加造成的。

图4三相四线制供电系统的零线电流

和基波一样，高次谐波总是选择低阻抗路径，但不同于基波，高次谐波更喜欢容性电路。因为电容具有通高频、抗低频的特性。可以用数学表达式Xc=1/2fC来分析谐波电路中的电抗Xc与谐波频率f和电容c的乘积成反比，所以谐波频率越高，容抗Xc越小，谐波电流越大，危害性越大。这在无功功率补偿电路中较为明显。如果不重视谐波含量的分析和测量，一味依靠无功补偿来提高功率因数，高次谐波会烧坏补偿电容。此外，高次谐波在日常生活中的危害性常见的例子是荧光灯寿命短和启动器损坏。

当然，谐波的危害远远不止这两个功能。如果负序谐波含量过高，电机会产生反向旋转磁场，使线圈发热；高次谐波会产生电磁场，使配电盘产生机械共振，发出噪声；使控制电路出现故障和其他危险。

3谐波产生和抑制

除了电源本身，谐波也是由非线性负载引起的。在电路中，非线性负载被激励，产生各种谐波，这些谐波相互作用，延伸到整个电路。例如，在包括打印机、电机、整流器等的电路中。谐波极其活跃。即使它们存在于不同的电路中，它们仍然会相互重叠并造成危害，这可以通过谐波测试仪进行测试。那么如何有效抑制呢？可以根据不同的危害采取针对性的措施。

(1)添加保护元件以改变电路特性。比如谐波对电容的危害，使得无功补偿很难发挥更大的作用。可以安装电抗元件或其他无功补偿电路，使其失谐，难以通过，从而起到阻敌作用。如图5所示，在负载前增加一个电抗器可以防止谐波进入。

图5负荷前增加电抗器抑制谐波

目前常用的开关电源，大部分在交流输入端加装了低频电抗器。对于日光灯，安装低谐镇流器，会使灯管寿命明显延长。

（2）谐波叠加常常使配电系统电流过载严重，可以重新分配电路，平衡负载，减轻危害，还可增加干式变压器的容量。

4谐波的利用

谐波的危害是由于我们对它没有进行有效地防止和抑制，当然它有利的方面也是不可替代的。从分析可知，谐波电压幅值都很小，仅为基波的几分之一或几十分之一，在发电机励磁电路中正需要这种特性来励磁。#p#分页标题#e#

例如，在输出380V的三相四线制发电机组中，励磁线圈所需电压只要26伏左右就足够了。这个电压就是由3次谐波提供的。它是通过在发电机定子铁心槽中埋设的辅助绕组而产生的，再经桥式整流送给励磁电路。原理见图6，LF为谐波绕组，U、V、W、N为三相输出。

图6三次谐波电压经整流后给励磁绕组供电

来源：中电力谐波监测及滤波工程技术网