内容摘要：
本文主要讨论了谐波及谐波问题的解决方案。首先介绍了谐波及其造成的干扰，然后介绍了谐波对电容器装置造成的威胁。通过分析串联与并联谐振现象，指出采用串联电抗器的补偿装置是解决谐振的有效措施，是未来的发展趋势。
关键字：谐波 谐振 无功补偿 电抗器
1. 引言
本文主要讨论谐波及谐波问题的解决方案。60 年代初，有关专家就认识到了变流器对电网的干扰。80 年代初，由于设备和供电系统日益频繁地受到不明干扰，谐波问题在欧洲才真正被提上议事日程。
当今，许多生产过程已经离不开大功率电子设备，每家企业或多或少都会安装以下设备：
－ 照明控制
－ 开关电源设备（电脑、电视）
－ 电动机转速调节设备
－ 饱和的电感铁芯
－ 不间断电源
－ 电焊机
－ 电弧炉
－ 数控机床
－ 稳流装置
－ 电火花加工机床
所有这些非线性负载都会产生谐波，从而对电网设施和连接设备造成干扰。造成干扰的原因未必在企业内部，邻近企业向电网输出的谐波同样会造成这种干扰。所以，在安装补偿装置之前，务必进行电能质量分析，以选用合适的装置。
2. 什么是谐波
谐波是指几倍的电网频率。
电网频率 = 50Hz
三次谐波频率 = 150Hz
五次谐波频率 = 250Hz
七次谐波频率 = 350Hz
等等，以此类推。
按照傅里叶级数进行分解，可将非正弦形信号分解为基波信号及其整数倍的各次谐波信号。
3. 谐波的产生
由于晶闸管的开关动作及二极管和晶闸管的非线性特点，变流器从电网中接收的电流大大偏离正弦波形。
按变流器的脉动数不同，会出现特定的谐波。6 线圈的变流器，只会出现 5、7、11、13、17、19…次谐波。变流器的脉动数越高，其可能出现的最低频率的谐波次数也越高。其他负载如荧光灯电子稳流器，会产生很大的三次谐波（150Hz）。
这种非正弦形电流会给电网阻抗（电阻）带来非正弦形的电压降。电网阻抗会产生谐波电压，其振幅等于注入谐波电流与相关电流频率的电网阻抗的乘积。谐波次数越高，振幅越小。
4. 哪里会出现谐波
哪里有产生谐波的用电设备（见引言），哪里就会有谐波。然而谐波也可能会通过供电局的进线进入企业电网。也就是说，邻近企业的谐波也会影响本企业的设备运行。
5. 谐波的干扰
非线性负载 ® 电流谐波
电流谐波 ® 电压谐波
电流谐波的干扰：电容器过载，特别是谐振时。
电压谐波的干扰：中央遥控设备干扰；
其他需要正弦波形电网电压的变流器干扰；
闪光灯干扰；
电脑及计算机数控机床断线。
6. 谐波电流的干扰
非线性负载会产生谐波电流，分离变压器和换向电抗器均不能对此有任何改变。一方面谐波电流会导致电压谐波，另一方面谐波电流本身也会对电网构成额外负荷，首先导致电容器组过载。尤为危险的是：当谐振出现时，谐波电流会累进增加，产生更大的负荷。
7. 谐波电压干扰
谐波电流会在电网阻抗方面产生谐波电压，该电压会与正弦波形的 50Hz 电网电压相重迭。
后果：电网电压发生畸变。
另外，电压谐波还可能推移电网电压的过零点。电子设备，包括过零点触发的变流设备的运行都
会受到明显干扰。
8. 谐波为什么对电容器构成威胁
电网中的电容（电容器）与变流器共同引发振荡，振荡又使电网电压进一步发生畸变。振荡频率取决于电网参数。
电容器在一定情况下会使电压质量恶化，结果导致进一步加强电网上业已存在的谐波（有时会使谐波份额翻倍）。同时，电容器自身引发的谐波会额外增加电容器的负荷，相位补偿电容器尤为如此。电容器负荷增加表现为接收电流提高，这就意味着电容器将发生热过载，使用寿命缩短。
9. 谐振现象
更重要的是，当电容器与网上的电感形成串连或并连振荡回路时，可能出现谐振现象。
如果补偿装置在低压电网上运行，电容器在一定情况下可吸收谐波电流。此时，电容器与变压器电感构成一个串连振荡回路。谐波频率靠近振荡回路的谐振频率时，振荡回路近似形成短路，吸收中压电网中的电流，由此会导致电容器过载。此外，在电容器和电感方面，会产生很高的电压，甚至出现电压击穿。电容和电感的分电压此时会大于总电压。
如果电容器与变压器电感形成并连振荡回路。当振荡回路的谐振频率与存在的谐波频率重合时，一方面会由于高电网阻抗产生高电压谐波，另一方面在电感与电容之间会出现平衡电流，该电流要比从谐波源流入电网的电流高出数倍。结果造成电容器过载，同时也会额外增加设备的负荷。
10. 如何防止谐振？
每一个电网都是一个振荡回路，并拥有一个或几个固有频率，同样也会有一个或几个谐振点。
电网的谐振频率可通过一些公式根据变压器功率、变压器相对短路电压、无功补偿功率、电网频率等参数进行估算。并且谐振频率随着这些参数的变化而变化。例如：一个实际电网的谐振频率与投入的电容器功率之间的关系见下表：
谐振频率随着电容器投切而发生变化。在以上例子中，有可能与 7 次谐波发生谐振。需注意，这里只是一个近似值，未考虑开关用电设备对电网可能造成的影响及由此带来的谐振频率推移。
计算出的频率如与谐波重合，则谐振现象肯定会出现。如计算出的频率与谐波不一致，依然很难得出准确的结论，因为电网参数及电网短路功率是不断变化的。因此，不可能百分之百地计算出可能的谐振点。
低负荷运行时间：
对测定谐振点来说，重要的是要搞清企业的低负荷运行时间。由于这时工作负荷的抑制作用相对较小，谐波电压会上升。
解决办法：
为避免谐振现象，必须使用串连电抗的补偿装置。
11. 什么是串连电抗的补偿装置？
串连电抗的补偿装置中，每一组电容器都串连一个电抗器，形成一个串联振荡回路。电容器按补偿功率选定（如 50kVar）。通过电抗器确定串连振荡回路的谐振频率，一般在 134 至 214Hz 之间。
谐振频率必须低于出现的最低谐波。如果 5 次谐波为最低谐波，则谐振频率必须小于 250Hz。
一个串连振荡回路在其谐振频率之上时呈感性，故不可能引发谐振；串连振荡回路在其谐振频率之下时呈容性，用于无功补偿。
带电抗器的补偿装置中，经常使用的另一个概念是电抗率，用 p 表示。
电抗率的计算如下：
p（单位：％）＝ XL /XC
其中，XL为电抗器电抗，XC为电容器电抗。
以下列出几组常见数据：
如果最低谐波为 5 次谐波（250Hz），则为防止谐振可选择 5,67%或 7%的电抗率。如果出现的是三次谐波，则必须选择 14％的电抗率。
确定谐波份额只能通过对电网进行分析。进行电能质量分析及最终确定电抗率时，还要搞清选择的电抗率对于谐波份额来说是否足够。
12. 电网净化
串连振荡回路中，其谐振频率附近的信号被吸收，这一特点的益处在于可由此对电网进行净化，也就是说，按电抗率不同，谐波份额也可以相应地被从电网中吸收。
例如，电抗率为 5.67%的补偿装置，可吸收 5 次谐波（250Hz）的 40％－50％。电抗率为 7％的补偿装置则只能吸收 15％－20％。电抗率为 14％时，对 5 次谐波的吸收实际为 0。
如果谐波份额过高，则电抗率较低的补偿装置可能发生过载。所以在安装这样的装置之前，建议对谐波份额进行精确测量。
13. 现有补偿装置加装电抗器
电容器串连电抗器时，电抗器部分会出现电压降，这又会导致电容器部分的电压升高。电抗率越高，电压升高越大。因此，现有的未加电抗器的补偿装置一般情况下不能再加装电抗器。带电抗器的补偿装置中，电容器的额定电压至少为 440V，电抗率为 14％时，电容器的额定电压甚至要达到 525V。
如果现有的未加电抗器的补偿装置中装有额定电压较高的电容器，这时也要注意，这些电容器在使用过程中容量已有所减少。如将这样的电容器再串连电抗器，谐振频率会发生推移，吸收的谐波电流可能过大。这会导致电抗器和电容器发生过载。
14. 何时必须串连电抗器？
是否需要串连电抗器？谐波份额达到多大时需要串连电抗器？
首先须明确，谐振总是要出现的，也就是说，在谐波份额很小的情况下也会出现谐振。
尽管如此，确定补偿装置是否需要加装电抗器，依然有一些可循之规。
筹建企业时当然不可能准确地测定谐波，但使用哪些设备是已知的。依照引言中的设备清单可以确定产生谐波的设备。搞清这些设备之后，需要注意以下几点：
如果这些产生谐波的设备功率（KW）超过企业总功率的 15％，则应在补偿装置中串连电抗器。
上述比例关系也应在低负荷运行时间进行考查，因为这时用电设备的电网抑制消失，容易产生推移，导致快速形成谐振。
例如：企业的总功率为 180KW，非线性负载的功率为 27KW，此时应安装串连电抗器的补偿装置。
在补偿装置中串连电抗器的另一个标准是：5 次谐波时，谐波电压高出电网电压 2％；或者总的谐波频谱的谐波电压高出电网电压 3％。要确定这些数值须对电网进行分析。
例如：电网电压为 400V 时，5 次谐波电压的界限值为 8V。
2％的界限值看上去显得很低，赛通电气公司的电容器完全可以承受这种电网情况，但之所以选择 2％的界限值，是由于即使电压很低，谐振的危险依然存在。
供电电网的谐波电压：
以下数值为 VDE 标准规定、并为供电局允许的谐波数值。需要注意的是：谐波值即使大大小于规定值，谐振依然可能出现。
（标准：VED 0839， EN61000 2－4， IEC 1000－2－4）
注意：所有电容器都不能避免谐振，只有安装串连电抗器的补偿装置才能够防止产生谐振。
串连电抗器补偿装置的优点
－ 节省无功电流费用
－ 减轻连线、熔丝及变压器的负荷
－ 减少电网的电流谐波
－ 减少电压谐波
－ 防止电网谐振
对于同一电网中的未串连电抗器补偿装置与串连电抗器补偿装置，或者同一电网点上的企业，需要注意：这两种补偿装置不可并连连接，否则有可能产生并联谐振。
如果两个相邻企业通过一个变压器供电，一般情况下存在足够的电网抑制，两种装置可以并连运行。
如果两个或更多的企业连接在同一电网点上，则这一区域的谐波会进行分配，使得一家没有源 的企业依然受到谐波干扰。
15. 总结：
随着向电网输送谐波电流的用电设备的不断增加，电网电压的谐波负荷也日益增大。所以，串连电抗器的补偿装置是未来的发展趋势。与未串连电抗器的补偿装置的相比，串连电抗器的补偿装置在电网净化、防止谐振方面的优势显而易见。在欧洲，供电部门对此已有共识，基本上只允许安装串连电抗器的补偿装置。
对于用户来说，这种装置虽然会增加一些成本，但较之谐振可能造成的生产中断，这些成本是微不足道的。
使用这种装置虽然会增加一些投资，但也会给企业带来更高的安全。
解决谐波和谐振的问题，没有万全之策，每家企业的情况各不相同。为设计合适的补偿设备，需要准确地了解电网情况。我们必须认识到客户的问题所在，同时也兼顾供电局的有关规定，以确定最终的解决方案。
