“谐波”的诠释与探索历程
“谐波”一词,源自声学领域。自18世纪至19世纪,数学上对谐波的分析已奠定稳固基础。尤其是傅里叶提出的谐波分析方法,至今仍是研究的热点。早在20世纪初,电网系统的谐波问题便开始受到关注。
关于谐波的形态及特性,1945年J.C.Read发表的关于变流器谐波的研究论文成为了早期经典之作。随着电力电子技术的快速发展,20世纪50至60年代间,高压直流输电技术相关论文大量涌现,其中多数涉及变流器引起的电网系统谐波问题。
进入70年代后,随着电力电子装置在电网、工业、交通及家庭中的广泛应用,谐波的危害逐渐凸显。国际间多次召开关于谐波问题的学术会议,众多和国际都制定了关于限制电网系统谐波和用电设备的相关标准和规定。
在电网系统中的定义:谐波是指周期性非正弦电量经过傅立叶级数分解后,除了基波频率分量外,还包含一系列高于基波频率的分量。这些分量被定义为谐波。
谐波频率与基波频率的比值,称为谐波次数(n)。当电网中存在非整数倍的谐波时,它们被称为非谐波或分数谐波。
在电工技术领域,谐波的发生、传输、测量、危害及抑制都是研究的重要课题。其频率范围通常介于2至40次之间。
对于发电厂发出的交流电,其频率为50Hz,波形呈正弦状,即工频。然而在电网系统中,谐波则是指那些频率为工频倍数(如2次、3次等)的波形。
如5次谐波电压(电流)的频率为250Hz,7次则为350Hz。超过13次的谐波通常被称为高次谐波。
电网中的隐患:谐波的危害性
电网中的谐波是一种电力污染,看不见、嗅不到、摸不着,但它的危害却是不容忽视的。其主要危害体现在以下几个方面:一是对电力设备的损害;二是加速电力变压器绝缘老化,进而缩短其使用寿命;三是可能使开关过载并频繁跳闸,这往往是由于谐波电流在导体表面流动引起的过热所导致;四是可能导致无功补偿设备损坏,增加线路损失,降低变压器容量;五是可能对变电所的继电保护产生干扰,导致误动作,进而引发区域性停电;六是可能干扰通讯系统,尤其是对于使用大量计算机的通讯系统。
谐波还可能对精密设备及家用电器如空调、微波炉、电视等造成损害。
探寻谐波的源头
向电网注入谐波电流或在电网上产生谐波电压的电气设备被视为谐波源。主要的谐波源包括具有非线性特性的电气设备,如带有功率电子器件的变流设备、电弧炉、感应炉等。具有开关电源性质的晶闸管电路,如直流提升机、交-交变频装置等也是重要的谐波源。