答:在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时, 与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,从而产生谐波。谐波频率是基波频率的 整倍数,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明,任何重复的波形都可以分解 为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波,每个谐波都 具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次性与奇次性,第3、5、7次编号的为奇 次谐波,而2、4、6、8等为偶次谐波,如基波为50 Hz时,2次谐波为100 Hz,3次谐波则是 150 Hz。一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中, 由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载,出现的 谐波电流是6n±1次谐波,例如,5、7、11、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波。
谐波的危害是多方面的:
(1)对供配电线路的危害:
①影响线路的稳定运行:供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继 电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护,使得在故障情况下保证线路与设备的 安全。由于电磁式继电器与感应式继电器对谐波含量10%以下时有效,高达40%时会导 致继电保护误动作,因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器具 有许多优点,但由于采用了整流取样电路,容易受谐波影响,产生误动。这样,谐波将严重 威胁供配电系统的稳定与安全运行。
②影响电网的质量:电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。民用 配电系统中的中性线,由于荧光灯、调光灯、计算机等负载,会产生大量的奇次谐波,其中 3次谐波的含量较多,可达40%;三相配电线路中,相线上的3的整数倍谐波在中性线上 会叠加,使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外,相同频率的谐波电压与谐波电 流要产生同次谐波的有功功率与无功功率,从而降低电网电压,浪费电网的容量。
(2)对电力设备的危害:
①对电力电容器的危害:当电网存在谐波时,投入电容器后其端电压增大,通过电容 器的电流增加得更大,使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器,虽然允许有谐 波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍,对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功 率为无谐波时的1.43倍,但如果谐波含量较高,超出电容器允许条件,就会使电容器过电 流和过负荷,损耗功率超过上述值,使电容器异常发热,在电场和温度的作用下绝缘介质 会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时,还可能使电网的谐波加剧, 即产生谐波扩大现象。另外,谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形,尖顶电压波易在介质 中诱发局部放电,且由于电压变化率大,局部放电强度大,对绝缘介质更能起到加速老化 的作用,从而缩短电容器的使用寿命。一般来说,电压每升高10%,电容器的寿命就要缩 短1/2左右。再者,在谐波严重的情况下,还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。
②对电力变压器的危害:谐波使变压器的铜耗增大,其中包括电阻损耗、导体中的涡 流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大,这 主要表现在铁芯中的磁滞损耗增加,谐波使电压的波形变得越差,则磁滞损耗越大。同时 由于以上两方面的损耗增加,因此,要减少变压器的实际使用容量,或者说在选择变压器 额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外,谐波还导致变压器噪声增大,变 压器的振动噪声主要是由于铁芯的磁滞伸缩引起的,随着谐波次数的增加,振动频率在 1 kHz左右的成分使混杂噪声增加,有时还发出金属声。
③对电力电缆的危害:由于谐波次数高频率上升,再加之电缆导体截面积越大趋肤 效应越明显,从而导致导体的交流电阻增大,使得电缆的允许通过电流减小。另外,电缆 的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联,提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系 统并联,在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。
④对用电设备的危害:主要是对电动机的危害。谐波对异步电动机的影响,主要是 增加电动机的附加损耗,降低效率,严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产 生负序旋转磁场,形成与电动机旋转方向相反的转矩,起制动作用,从而减少电动机的出 力。另外,电动机中的谐波电流,当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械 振动,发出很大的噪声。
⑤对低压开关设备的危害:对于配电断路器来说,全电磁型的断路器易受谐波电流 的影响使铁耗增大而发热,同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难,且谐波次数 越高影响越大;热磁型的断路器,由于导体的趋肤效应与铁耗增加而引起发热,使得额定 电流降低与脱扣电流降低;电子型的断路器,谐波也要使其额定电流降低,尤其是检测峰 值的电子断路器,额定电流降低得更多。漏电断路器,由于谐波汇漏电流的作用,可能使 断路器异常发热,出现误动作或不动作。对于电磁接触器来说,谐波电流使磁体部件温升 增大,影响接点,线圈温度升高使额定电流降低。热继电器因受谐波电流的影响也要使额 定电流降低。在工作中它们都有可能造成错误动作。
⑥对弱电系统设备的干扰:对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等 弱电设备,电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中,产 生干扰。其中,电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比,传导则通过公共接地 耦合,有大量不平衡电流流入接地极,从而干扰弱电系统。
⑦影响电力测量的准确性:目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型,它们受 谐波的影响较大。特别是电能表(多采用感应型),当谐波较大时将产生计量混乱,测量不 准确。
⑧谐波对人体有影响:从人体生理学来说,人体细胞在受到刺激兴奋时,会在细胞膜 静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转,其频率如果与谐波频率相接近,电网谐波的 电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。
总而言之,电网谐波来自于三个方面:一是发电源质量不高产生谐波;二是输配电系 统产生谐波;三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。