什么是谐波?谐波从哪里来
谐波的含义
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立叶级数分解，除了基波频率的电量，其余大于基波频率的电流产生的电量，称为谐波。谐波次数是谐波频率与基波频率（n=fn/f1）的比值。谐波波形图如下图1所示，谐波分解图如下图2所示。
图1
图2
谐波的产生
在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数，例如基波频率为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。因此，畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波……等。
什么是非线性设备？
简言之，设备中产生的电流波形是断续的或突变的，它不是一个可采用线性法则进行运算的连续函数，一般要采用傅里叶级数来描述它。
例如：
上图为三相整流回路，整流后的电流波形为阶梯方波，右图是按傅里叶级数展开后的频谱，其中五次和七次谐波比例很高。
又如：
上图为单相整流回路，整流后的电流波形为断续波形，右图是按傅里叶级数展开后的频谱，其中三次谐波比例很高。
谐波源
所有非线性负荷，都能产生谐波电流。产生谐波的设备类型有：开关模式电源(SMPS)、电子荧光灯镇流器、调速传动装置、不间断电源(UPS)、磁性铁芯设备（变压器、电机等）及家用电器（如电视机）等，如下图3到图8所示。
图3 开关模式电源（整流型器件产生）
图4 镇流器（整流型器件产生）
图5 家用电器（整流型器件产生）
图6 不间断电源
图7 调速传动装置
图8 变压器
各种整流设备、交直流换流设备和电子电压调整设备，电熔炼设备、电化学设备、矿井起重设备、露天采掘设备、电气机车等，还有种类繁多的照明器具、娱乐设施等。
随着电力电子技术的发展，各类电力电子设备，如变频器等在企业的应用越来越广泛，大大提高了企业的生产效率，但变频器工作时会产生大量的谐波电流，谐波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦。变频器和变频器的基本电路图如下图9和图10所示。
图9变频器
图10变频器基本电路图
谐波电流有什么危害
■ 导致电缆过热
谐波电流流过电缆时，会导致电缆过热。造成这种现象的原因是交流电流的趋肤效应。趋肤效应是交流电流流过导体时，向导体的表面集中的一种物理现象，电流的频率越高，电流越向导体表面集中。由于趋肤效应，当频率较高的谐波电流流过导体时，导体的有效截面积小于导体的实际截面积。截面积小，意味着有更大的电阻，也就意味着会产生更大的热量。当频率较高的谐波电流流过导体时，导体呈现的电阻比基波电流要大，因此同样幅度的谐波电流比基波电流产生更大的热量。导体损耗与谐波畸变率的关系如图11所示。
图11
■ 导致变压器过热
谐波电流流过变压器时，会导致变压器发出额外的热量，使变压器在没有达到额定功率时便出现温度过高的现象，导致变压器的实际容量降低。在工业上，一些变压器的负荷主要是变频器、中频炉等谐波源设备，这时，发现变压器仅仅达到50%负荷时，就温度过高。在商业上，随着一些建筑物中的节能灯、以PC机为代表的信息设备等非线性负荷增加，变压器过热的现象也十分常见。
过高的温度会缩短变压器的寿命。为了避免变压器过热，当负载是谐波源时，必须降额选用变压器(使变压器不工作在额定功率下)。一种专门用于谐波条件下的变压器称为k等级变压器，这种变压器的绕组和铁心都按照更大功率的情况进行设计，能够承受谐波电流产生的额外的热量。
谐波电流造成变压器过热的原因是谐波电流增加了线圈绕组的电阻损耗(称为铜损)和铁心的损耗(称为铁损)。谐波电流导致导线产生更大的损耗的原因是趋肤效应。
谐波电流导致铁心损耗增加的原因是铁心的涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗的含义是，线圈产生的交流磁场在铁心上感应出电流，电流在铁心的电阻上发热而产生的能量损耗。电磁炉就是利用这个原理。另一个是磁滞损耗，它是铁心内部的磁畴在磁场作用下不断翻转消耗的能量。这两部分损耗都与频率有关，频率越高，损耗越大。
■ 导致变无功补偿装置损坏
谐波电流对无功补偿装置的影响也很常见，这实际已经成为企业进行节能技术改造中不可回避的问题。节能改造中大量使用变频器，而变频器产生严重的谐波电流。这些谐波电流对原来的无功补偿装置造成了不同程度的损坏，常见的现象包括：无功补偿装置不能投切：这一般发生在无功补偿控制器中包含谐波保护装置的场合，当检测到谐波电流过大时，装置进入保护状态，同时会显示谐波过大的提示信息; 无功补偿装置中的保险丝烧断：这是流过补偿装置的电流过大导致的;无功补偿装置中的电容炸裂：这是流过补偿电容的电流过大，导致电容过热引起的。有时，不仅无功补偿器出现故障，甚至变压器也会遭到损坏。谐波电流造成这些危害的根本原因是谐波电流在无功补偿装置与变压器构成的回路中发生了LC并联谐振。LC并联谐振会导致电流方法，烧毁无功补偿装置。
■ 三次谐波的特殊危害
在处理谐波问题时，三次谐波电流需要引起特别的关注。三次谐波电流之所以危害很大，是因为三次谐波电流在中线上叠加，会导致中线电流过大，造成火灾隐患。图12是三次谐波导致零线过热的情况。实际上，20年前，个人计算机刚开始普及的时候，在欧美发达国家，很多建筑物中的火灾是中线过热导致的。现在，欧美国家对电子设备的三次谐波电流进行了严格限制，并在工程中特别关注，中线过热的现象已经很少见到。图12 三次谐波电流导致零线过热 零线上的电流过大之所以危害极大，是因为零线上没有保护装置。配电线路的保护装置一般安装在相线上，因此，相线上一旦出现过大的电流，保护装置会动作，避免线路过热。而零线上没有保护装置，电流过大时，只能任其过热。三次谐波电流本身并不可怕，可怕的是几乎所有的人还没有认识到这种危害，因此没有防范措施，从设计开始就埋下了了隐患。
图12
三次谐波电流的特殊性
三次谐波电流主要是由单相非线性负载产生的。因其频率的特殊性，三次谐波在电网中性线上产生的后果尤为严重。在三相电网中，各相的相位差为 120°；这恰好是三次谐波电流的周期。
由下图可见，各相线内的三次谐波电流在中性线上汇集时，其瞬时值是直接同相相加的，故中性线上的三次谐波电流一般大于相线上的三次谐波电流，甚至会大于相线上的基波电流。
■ 对其他电子设备的不良影响
谐波电流对其他电子造成不良影响的现象越来越多。这主要是因为现代电子设备对电能质量的要求越来越高，当电源电压中包含较多的谐波电压成分是，电路会受到不良影响。读者需要明确的是，谐波电流本身并不会对其他设备产生影响，我们所讲的谐波对其他设备的影响，是通过谐波电压产生的。也就使，谐波电流流过系统阻抗时，产生了谐波电压，谐波电压对电子设备产生了不良影响。谐波电压对其他设备造成的不良影响主要体现在以下几个方面：数字控制设备，PLC、数控机床等，发生误动作;·信号采集系统、测量仪器等的精度降低;电动机发生抖动、过热。
■ 导致意外跳闸
谐波电流导致的一个典型故障现象是意外跳闸，也就是电路的负荷远没有达到额定负荷的状态下，电路保护装置就会动作。谐波电流导致电路保护装置意外动作的机理取决于电路保护装置工作原理。由于电路保护装置的种类繁多，工作原理各异，深入分析他们误动作的机理超出了本讲堂的范围，下面列出一些原因供读者参考。单相电路跳闸的原因大多是因为电流峰值过大，导致电路保护装置动作。通过前面的分析可知，单相整流电路的电流波形为脉冲波形。由于电流持续时间短，要输出同样的功率，脉冲电流的幅度就必须高。换个表述方式，脉冲电流要提供与正弦波电流同样的功率，或者说，脉冲电流要具有与正弦波电流同样的有效值，则脉冲电流的峰值要远高于正弦波电流的峰值才行，具体高出多少与整流电路中的滤波电容的大小、负载的大小等因素有关，大约在2~3倍。如果电路保护装置是通过检测峰值电流来动作的，就会出现误动作。当电路保护装置的触发条件中包含负序电流时，如果电流中包含较大的负序谐波电流成份(例如5次谐波电流)，电路保护装置可能会被触发。
谐波电流导致额外的电能消耗主要体现在两个方面：无功功率和电阻损耗。功率等于电压和电流的乘积。只有当电压与电流同频、同相时，也就是电压与电流具有相同的频率与相同的相位时，产生的功率才是有功功率。谐波电流与基波电压的频率不同，因此产生的功率是无功功率。谐波电流流过变压器、电缆是要发热，根据能量转换定律，这部分热能肯定也是来自发电厂。因此，如果减小了谐波电流导致的各种发热，也就是节省了能量。由于大量使用电力电子设备，变频器，中频炉等，谐波电流的危害已经成为最严重的电能质量问题。解决谐波电流危害的最有效方法就是在谐波源的位置消除谐波电流。这时，上述7个方面的问题都迎刃而解。如果限于条件，只能在母线上采取措施，则有些故障现象可能不会消失。在谐波源处消除谐波电流的最有效方法是安装HTHF谐波滤波器。HTHF谐波滤波器适用于各种三相六脉整流电路的设备，即连即用，不需要任何调试，是解决谐波电流的理想设备。
那么如何治理谐波呢
目前谐波治理的措施主要有3种：
一、受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高他们的抗谐波干扰能力。
二、主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生或减少谐波。
三、被动治理，即外加滤波装置阻止谐波注入电网。被动治理是目前采用最广泛的谐波治理方案。
外加的滤波装置有两种，分别是无源滤波装置和有源滤波装置，他们各有优缺点。无源滤波装置结构简单，安装方便，初期投入小，但是只能滤除固定次数的谐波且易与电网发生谐振；有源滤波装置结构复杂，造价较高，但是补偿效果好，后期维护方便，维护成本低。所以安装有源滤波装置是目前被广泛应用的谐波治理方式。
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