摘要：自上世纪九十年代中期以来，随着县域经济的快速发展，社会用电负荷中的非线性负荷尤其是工业上使用电弧炉、中频炉等逐渐增加，造成赵县电网中高次谐波问题日益严重，文章对此综述了电网谐波的产生、危害和解决方法。
关键词：电网 谐波 危害
自上世纪九十年代中期以来，随着县域经济的快速发展，工业上使用电弧炉、中频炉等非线性负荷日益增加，这些设备具有简单可靠，易于维护和节省能耗的优点，尤其在赵县的县城和新寨店工业园区的民营企业中应用广泛，电网中谐波问题日益严重，对电网产生了不良影响，如功率因数低、产生谐波电流、无功冲击大等等。
电网中理想的电压电流波形是50Hz的正弦波，电压与电流的相位一致，功率因数为1。实际电网中的负荷千差万别，尤其随着经济发展，大量非线性负荷增加，特别是电力电子技术、节能技术和控制技术的进步，在通信、交通、汽车工业、工程机械、冶金钢铁、煤矿、石油石化等部门大量使用各种整流设备、交直流换流设备、电力电子调压设备、电熔炼设备、电化学设备、矿井起重设备、露天采掘设备、电气机车等与日俱增，这些非线性负载会产生大量的谐波电流并注入到电网中，使电网电压产生畸变，这种谐波污染会对电网和用户带来越来越多的干扰和影响，影响用电设备安全，增加电能损耗。
1 谐波的定义与危害
根据国标《电能质量公用电网GB/T 14549-93》的定义：“谐波（分量）为对周期性交流分量进行傅立叶分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。”也就是说谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整倍数。
谐波研究的意义在于谐波会严重影响用电设备和供电系统的安全、可靠与经济运行。供电系统中谐波的危害主要表现在以下几个方面：①诱发电网谐振，导致谐波过电压和过电流，引起严重事故，损坏电容器补偿等电气设备。②导致异步电机和变压器产生附加损耗和过热，其次是产生机械振动和谐波过电压，降低效率和利用率，缩短使用寿命。③谐波电流频率增高会引起电力电缆和配电线的集肤效应，导线电阻增大，线损加大，发热增加，绝缘过早老化，容易发生接地短路故障，形成火灾隐患。④对通信、电子或自动控制设备产生严重干扰。⑤谐波电流使断路器遮断能力降低，导致断路器、接触器等不能安全稳定工作。⑥致使电力保护装置误动或拒动，导致区域性停电事故。⑦使电力系统各种测量仪表误差增大，甚至无法工作。⑧干扰或影响各类低压电器的正常使用。
2 电网谐波的产生
2.1 电源本身谐波 由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。
2.2 非线性负载产生的谐波 谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。当电流流经线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系，不会产生谐波；而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦电波，即产生了谐波。如果非线性负载是电弧炉、中频炉等大型设备则产生多种高次谐波，对系统的危害也更加严重。
2.3 主要的非线性负载装置 开关电源产生的高次谐波，它由五部分组成：一次整流、开关振荡回路、二次整流、负载和控制，这几个部分都可能产生高次谐波。
3 吸收谐波办法
由于谐波引起的危害在不断扩大，为了减少电力系统中谐波问题，我国于93年发布实施了《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-1993），对谐波、负序电流注入电网的量做出明确的规定，以保证电网的供电质量。目前主要从两个方面对谐波进行治理。
一方面是提高供电电压等级，以提高与电网公共连接点的短路容量，使谐波对电网和自身的影响在允许范围内，但这并不是通过消除谐波本身对电网的不利量值来解决电网的影响，而是把这些量值送到更高电压等级的电网去扩散，以降低对电网的影响。
另一方面是从谐波源着手，在根本上消除大部分谐波量值，以使其对电网的干扰降至最低。通常采用无源LC滤波装置及有源滤波装置APF两种谐波抑制装置。就目前情况来说，这种方法的使用效果更加明显，使用前景更加理想。
3.1 无源LC滤波装置 无源LC滤波装置是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，其基本原理是利用电路谐振的特点，形成某次或某些谐波的低阻抗通道，将大部分谐波电流分流，分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器等几种。单调谐滤波器仅针对某一特定设计频率，例如3次、5次、7次等，形成对特定次数谐波的低阻抗通道。实际中常用几组针对不同频率的单调谐滤波器和一组二阶高通滤波器组成滤波成套装置。LC滤波器中含有一定量的电容，可提供固定容量的无功功率，起到一定的改善功率因数效果。
无源滤波具有投资少，效率高，结构简单，运行可靠及维护方便等优点。但无源滤波也存在诸多缺点如受系统参数影响较大，只能消除特性的几次谐波，滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调，有效材料消耗多、体积大等。
3.2 有源滤波装置
有源滤波器（Active Power Filter，縮写为APF）。APF的工作原理是并联接入电力系统，通过实时检测负载电流波形，得到需要补偿的谐波电流成分，并将其反向，通过控制IGBT的触发，将反向电流注入供电系统，实现滤除（抵消）谐波功能。另外，还可提供超前或滞后的无功电流，用于改善电网功率吸数、实现动态无功补偿。APF相当于给谐波电流提供了接近于0的极低阻抗通道，以免谐波电流注入系统。
与无源滤波器相比，APF有以下特点：①不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；②滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；③具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。同时APF也存在造价高、运行损耗大、容量受到限制等缺点。
4 滤波器装置在工程中的合理应用
4.1 总补偿方式 当配电系统的非线性负载位置分散且单台容量较小时，宜采用集中补偿方案。如轻工业园区，各工厂规模较小，设备较少，往往整个工厂的变压器安装容量不到1000kVA，在低压电源总进线处安装APF，就能有效地消除谐波。
4.2 部分补偿方式 当配电系统的非线性负载集中在某几条支路时，宜采用部分补偿方案。如工程机械联合生产车间的焊接区与涂装区，设备均集中在某一区域，一般采用单独的母线供电，可在母线的供电端安装相对应的无源滤波器，这样即能有效地抑制谐波又节省投资。
4.3 局部补偿方式 当配电系统的非线性负载集中，单台容量较大时，宜采用局部补偿方案。如钢铁行业的电弧炉、水泥行业的煅烧用大型转窑等，这类设备对其他设备的干扰很大，应就地安装APF进行消谐。
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