諧波產生的原因及危害性

諧波的危害表現為引起電氣冇備(電機、變壓器和電容器等)附加損耗和發熱：使同步發電機的額定輸出功率降低，轉矩降低，變壓器溫度升高，效率降低，絕緣加速老化，縮短使用壽命，甚至損壞：降低繼電保護、控製、以及檢測裝置的工作精度和可靠性等。諧波注入電網後會使無功功率加大，功率因數降低，甚至有可能引發並聯或串聯諧振，損壞電氣設備以及乾擾通信線路的正常工作。
供電係統中的諧波危害主要表現在以下幾個方麵。
1、增加了發、輸、供和用電設備的附加損耗，使設備過熱，降低設備的效率和利用率。
由於諧波電流的頻率為基波頻率的整數倍，高頻電流流過導體時，因集膚效應的作用，使導體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設備的功率損耗、電能損耗，使導體的發熱嚴重。
(1)對旋轉電機的影響
諧波對旋轉電機的危害主要是產生附加的損耗和轉矩。由於集膚效應、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉電機的鐵心和繞組中產生的附加損耗增加。在供電係統中，用戶的電動機負荷約占整個負荷的85%左右。因此，諧波使電力用戶電動機總的附加損耗增加的影響*為顯著。由於電動機的出力一般不能按發熱情況進行調整，由諧波引起電動機的發熱效應是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負序電壓來考慮的。試驗表明，在額定出力下持續承受為3%額定電壓的負序電壓時，電動機的絕緣壽命要減少一半。因此，國際上一般建議在持續工作的條件下，電動機承受的負序電壓不宜超過額定電壓的2%。
諧波電流產生的諧波轉矩對電動機的平均轉矩的影響不大，但諧波會產生顯著的脈衝轉矩，可能出現電機轉軸扭曲振動的問題。這種振蕩力矩使汽輪發電機的轉子元件發生扭振，並使汽輪機葉片產生疲勞循環。
(2)對變壓器的影響
諧波電流使變壓器的銅耗增加，特彆是3次及其倍數次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環流，使繞組過熱；對全星形連接的變壓器，當繞組中性點按地，而該側電網中分布電容較大或者裝有中性點接地的並聯電容器時，可能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。
(3)對輸電線路的影響
由於輸電線路阻抗的頻率特性，線路電阻隨著頻率的升高而增加。在集膚效應的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。在供應電網的損耗中，變壓器和輸電線路的損耗占了大部分，所以諧波使電網網損增大。諧波還使三相供電係統中的中性線的電流增大，導致中性線過載。輸電線路存在著分布的線路電感和對地電容，它們與產生諧波的設備組成串聯回路或並聯回路時，在一定的參數配合條件下，會發生串聯諧振或並聯諧振。一般情況下，並聯諧波諧振所產生的諧波過電壓和過電流對相關設備的危害性較大。當注入電網的諧波的頻率位於在網絡諧振點附近的諧振區內時，會激勵電感、電容產生部分諧振，形成諧波放大。在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大將會引起繼電保護裝置出現誤動，以至損壞設備，與此同時還可產生相當大的諧波網損。對於電力電纜線路，由於電纜的對地電容比架空線路約大10-20倍，而感抗約為架空線路的1/2-1/3，因此更容易激勵出較大的諧波諧振和諧波放大，造成絕緣擊穿的事故。
(4)對電力電容器的影響
隨著諧波電壓的增高，會加速電容器的老化，使電容器的損耗係數增大、附加損耗增加，從而容易發生故障和縮短電容器的壽命。另一方麵，電容器的電容與電網的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等於或接近於某次諧波分量的頻率時，就會產生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運行。
2、影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性
諧波對電力係統中以負序(基波)量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重，這是由於這些按負序(基波)量整定的保護裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎上再疊加上諧波的乾擾(如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源還是負序源)則會引起發電機負序電流保護誤動(若誤動引起跳閘，則後果嚴重)、變電站主變的複合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動，母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發生誤動，嚴重威脅電力係統的**運行。
3、使測量和計量儀器的指示和計量不準確
由於電力計量裝置都是按50Hz的標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下，諧波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能並扣除一小部分諧波電能，從而諧波源雖然汙染了電網，卻反而少交電費；而與此同時，在線性負荷用戶處，電能表記錄的是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能，這部分諧波電能不但使線性負荷性能變壞，而且還要多交電費。電子式電能表更不利於供電部門而有利於非線性負荷用戶。
4、乾擾通信係統的工作
電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，在鄰近電力線的通信線路中產生乾擾電壓，乾擾通信係統的工作，影響通信線路通話的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發電話鈴響，甚至在極端情況下，還會威脅通信設備和人員的**。另外高壓直流(HVDC)換流站換相過程中產生的電磁噪聲(3-10kHz)會乾擾電力載波通信的正常工作，並使利用載波工作的閉鎖和繼電保護裝置動作失誤，影響電網運行的**。
5、對用電設備的影響
諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫麵亮度發生波動變化，並使機內的元件出現過熱，使計算機及數據處理係統出現錯誤。對於帶有啟動用的鎮流器和提高功率因數用的電容器的熒光燈及汞燈來說，會因為在一定參數的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮流器或電容器因過熱而損壞。對於采用晶閘管的變速裝置，諧波可能使晶閘管誤動作，或使控製回路誤觸發。