什么是低次谐波

低次谐波是指电力系统中频率为基波频率整数倍的低倍数谐波分量，通常指第2次至第13次谐波。它们主要由非线性负载产生，会导致电能质量下降、设备过热及继电保护误动作。本文将从谐波定义、产生机理、危害特征、测量标准、治理技术等维度，系统解析低次谐波的核心特性与应对策略，为电力系统谐波治理提供专业参考。

       在现代电力系统的运行过程中，谐波污染已成为影响电能质量的关键因素之一。其中，低次谐波作为谐波家族中频率较低但危害显著的分量，尤其值得工程技术人员与电力用户重点关注。本文将深入探讨低次谐波的本质内涵、产生根源、具体危害、检测方法与治理措施，通过十二个核心视角构建完整的认知框架。

       谐波的基本定义与分类体系

       在交流电力系统中，理想状况下的电压与电流波形应为标准正弦波。然而在实际运行中，由于大量非线性负载的存在，电流波形会发生畸变，这种畸变可以分解为基波与一系列频率为基波整数倍的正弦波分量，这些分量即为谐波。根据国际电工委员会（International Electrotechnical Commission）颁布的国际标准《电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility）第3部分：限值》中的定义，谐波频率与系统基波频率的比值称为谐波次数。例如在基波频率为50赫兹的系统中，100赫兹的分量即为2次谐波，150赫兹为3次谐波，依此类推。

       通常，工程领域将谐波按次数划分为低次谐波与高次谐波。虽然划分界限并无绝对统一的标准，但业界普遍将第2次至第13次谐波归类为低次谐波，第14次及以上则视为高次谐波。这种划分主要基于谐波的物理特性、传播衰减规律以及对不同电气设备的敏感度差异。低次谐波因其频率相对接近工频，更容易通过变压器耦合、线路传导等方式在系统中广泛传播，其影响范围往往更为深远。

       低次谐波的主要产生源头分析

       低次谐波的产生根源几乎全部指向电力系统中的非线性负载。所谓非线性负载，是指其阻抗随施加电压或电流的变化而非线性变化的设备，导致流过设备的电流与端电压不成正比，从而扭曲电流波形。典型产生低次谐波的非线性负载包括以下几大类：

       首先是电力电子变流装置。这是当代低次谐波的最主要来源，涵盖变频调速器（Variable Frequency Drive）、不间断电源（Uninterruptible Power Supply）、开关电源（Switching Mode Power Supply）、整流器、逆变器等。这些设备通过半导体器件的快速开关实现电能变换，其输入侧电流往往呈脉冲状，含有丰富的低次谐波，特别是5次、7次、11次、13次谐波。

       其次是电弧类设备。例如电弧炉、电焊机、气体放电灯（如高压钠灯、荧光灯）等。电弧的伏安特性具有强烈的非线性，在交流电压过零附近电弧熄灭和重燃的过程会产生显著的奇次谐波，其中3次谐波含量通常较高。

       再者是铁磁饱和设备。变压器、电抗器等设备在运行电压过高，超过其设计磁通密度时，铁芯会进入饱和区。此时励磁电流波形将呈现尖顶波特征，其中含有大量的3次、5次、7次等奇次谐波。特别是在配电变压器空载或轻载运行时，此现象更为明显。

       低次谐波的特性与奇偶次区别

       低次谐波根据其次数的奇偶性，在电力系统中的表现和影响存在显著差异。在三相三线制系统中，通常认为正序分量的基波、4次、7次、10次等（即3n+1次，n为自然数）谐波旋转方向与基波相同；负序分量的2次、5次、8次等（即3n-1次）谐波旋转方向与基波相反；而零序分量的3次、6次、9次等（即3n次）谐波在三相中相位相同。

       奇次谐波，特别是3次、5次、7次、9次、11次、13次，是最为常见且含量较高的低次谐波。在对称三相系统中，理论上不包含3的整数倍次谐波（即3次、9次等），因为它们在三相中同相位，在线电压中会相互抵消。然而在实际不平衡系统中或单相负载中，3次谐波及其倍数次谐波问题突出。

       偶次谐波，如2次、4次、6次等，通常在理想对称的正弦波激励下不会产生。它们的出现往往意味着电力系统存在不对称、半波整流或磁路严重不对称等异常状况，因此常被视作系统故障或设备异常运行的征兆，在稳态电能质量分析中其含量通常被严格限制。

       低次谐波对电力系统的具体危害

       低次谐波对电力系统及用电设备的危害是多方面且严重的。首要危害是导致电气设备额外发热与绝缘老化。谐波电流流过线路、变压器和电动机绕组时，会因集肤效应和邻近效应增大电阻，引起附加铜损；在铁磁设备中会引起附加铁损。这种额外的能量损耗转化为热量，导致设备温度异常升高，加速绝缘材料老化，缩短设备使用寿命。根据国家标准《电能质量 公用电网谐波》中的相关研究，持续过量的谐波可使变压器有效寿命减少达百分之三十以上。

       其次，低次谐波会引起电力电容器组过载甚至谐振损坏。电力电容器对谐波阻抗很小，极易吸收放大的谐波电流，造成电容器过电流运行，介质损耗剧增，从而过热、鼓胀甚至Bza 。更危险的是，当系统阻抗与电容器容抗在某次谐波频率下匹配时，会发生并联或串联谐振，导致该次谐波电压和电流被急剧放大数倍乃至数十倍，酿成严重事故。

       再者，低次谐波会干扰继电保护与自动装置的可靠动作。许多保护装置（如过流保护、差动保护）的采样和算法是基于纯正弦波设计的。谐波的存在会扭曲采样波形，导致测量值（如有效值、相位）出现误差，可能引起保护装置误动（如不该跳闸时跳闸）或拒动（如该跳闸时不跳闸），威胁电网安全稳定运行。

       此外，低次谐波还会导致电动机转矩脉动与振动噪音。谐波磁场与基波磁场相互作用，会产生频率为6倍基频的脉动转矩（对5次、7次谐波尤为明显），使电动机产生周期性转速波动和机械振动，增加轴承磨损，并发出刺耳的电磁噪音。对于精密加工设备，这种转矩脉动会直接影响产品质量。

       低次谐波的测量与国家标准限值

       准确测量是谐波治理的前提。低次谐波的测量通常使用专业的电能质量分析仪或谐波分析仪，其核心是进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform）算法，将采集到的时域波形信号分解为各次谐波的幅值和相位。测量时需注意采样频率应满足奈奎斯特采样定理，即至少为被测最高次谐波频率的两倍以上，并保证同步采样以减少频谱泄漏误差。

       我国对公用电网谐波的管理主要依据国家标准《电能质量 公用电网谐波》。该标准对不同电压等级电网的各次谐波电压含有率（即谐波电压有效值与基波电压有效值之比）以及用户注入公共连接点的各次谐波电流均规定了明确的限值。例如，对于0.38千伏电压等级，奇次谐波（如3次、5次、7次、9次、11次、13次）的电压含有率限值分别为百分之五、百分之四、百分之三点五、百分之三、百分之二点五、百分之二点五。这些限值是评估电网谐波污染程度、考核用户谐波发射水平的法定依据。

       治理低次谐波的无源滤波技术

       无源滤波技术是治理低次谐波最传统、应用最广泛的方法。其核心设备是无源滤波器，通常由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，串联或并联接入电网。无源滤波器主要分为调谐滤波器和高通滤波器两大类。

       调谐滤波器针对特定次数的低次谐波（如5次、7次、11次）进行设计。它利用电感与电容串联谐振时阻抗最小的原理，为特定谐波电流提供一个低阻抗的旁路通道，使其大部分流入滤波器而非电网，从而达到滤除该次谐波的目的。设计时需精确计算参数，并考虑系统频率波动、元件参数漂移等因素，避免失谐。

       高通滤波器则用于吸收某次谐波以上较宽频带的高次谐波，有时也用于吸收较低次的特征谐波。其优点是阻抗频率特性平坦，对频率偏移不敏感。无源滤波器结构简单、成本较低、运行可靠，且能同时提供无功补偿。但其滤波效果受系统阻抗影响大，可能引发谐振，且只能针对预先设计的次数进行滤波，灵活性较差。

       治理低次谐波的有源滤波技术

       有源电力滤波器（Active Power Filter）代表了谐波治理技术的先进方向。其基本原理是通过实时检测负载电流中的谐波分量，然后通过电力电子变流器产生一个与检测到的谐波分量大小相等、方向相反的补偿电流注入电网，从而抵消负载产生的谐波，使电源侧电流接近正弦波。

       有源滤波器对于治理低次谐波具有显著优势。首先，它具有高度的自适应性和动态性，能够实时跟踪谐波变化，对2次至13次乃至更高次的谐波均可实现有效补偿，且补偿效果不受系统阻抗影响。其次，它不仅能补偿谐波，还能同时补偿无功功率和不平衡电流，实现多功能综合治理。虽然其初期投资高于无源滤波器，但因其卓越的性能和灵活性，在数据中心、医院、精密制造等对电能质量要求极高的场合得到广泛应用。

       谐波抑制的源头控制策略

       除了末端治理，从谐波产生的源头进行抑制是更根本和经济的策略。对于电力电子装置这类主要谐波源，可以通过改进其拓扑结构和控制算法来减少谐波发射。

       增加整流装置的脉冲数是最有效的措施之一。例如，将常见的6脉波整流升级为12脉波、18脉波甚至24脉波整流。通过多组整流桥的相位叠加，可以利用变压器绕组的相位差相互抵消低次特征谐波。12脉波整流可消除5次、7次等低次谐波，18脉波可消除5次、7次、11次、13次等。此外，采用脉宽调制（Pulse Width Modulation）整流技术，通过高频调制使输入电流波形接近正弦，可以从根本上实现高功率因数低谐波输入，这类技术已在许多高端变频器和不间断电源中得到应用。

       变压器联接组别的选择与谐波阻断

       在配电系统设计中，合理选择变压器的联接组别，可以利用电磁感应原理阻断特定次数的谐波传播，尤其对抑制3次及其倍数次谐波效果显著。这是因为3次谐波电流在三相中相位相同，属于零序分量。

       对于配电变压器，当二次侧（低压侧）负载产生大量3次谐波时（如大量单相电子设备），若采用星形-星形（Y， y）联接且中性点接地，3次谐波电流可在中性线中流通并反映到一次侧。若采用三角形-星形（D， y）联接，一次侧绕组接成三角形，为3次谐波电流提供了闭合回路，使其在一次侧绕组中环流而不流入上级电网，从而阻断了3次谐波向系统的注入。因此，在可能产生大量3次谐波的场合，优先选用一次侧为三角形接法的变压器是一种经济有效的预防措施。

       低次谐波对计量与计费的影响

       谐波的存在会影响电能计量装置的准确性，可能导致不合理的电费计收。传统的感应式电能表对谐波功率的响应特性复杂，可能产生较大误差。现代电子式电能表虽然性能有所改善，但其计量算法（如依据国际标准《电能计量设备-特殊要求》系列）对谐波功率的计量方式仍存在不同定义和争议。

       关键在于区分基波电能与谐波电能。从能量传递的本质看，对于大多数线性负载，谐波电能并不做功，而是以热损耗的形式浪费。因此，部分观点认为用户不应为谐波电能付费。然而，谐波电流确实增加了电网的传输损耗和设备的容量负担。目前，我国电能计量仍以总有效值电能为主，谐波导致的额外损耗实际上由所有用户共同承担。随着智能电网和高级计量体系的发展，未来可能出现更精细化的电能质量定价机制。

       低次谐波与中性线过载问题

       在低压三相四线制系统中，低次谐波，特别是3次及其倍数次谐波，会引发严重的中性线过载风险。由于三相中的3次谐波电流相位相同，它们在中性线上不是相互抵消，而是代数叠加。在极端情况下（如三相负载完全平衡且仅含3次谐波），中性线电流可能达到相线电流的三倍。

       然而，在传统设计中，中性线截面通常仅为相线的一半甚至更小。当建筑物内大量使用单相开关电源类设备（如计算机、节能灯）时，3次谐波电流叠加可能导致中性线电流远超其安全载流量，引起中性线过热、绝缘老化甚至火灾。这一问题在现代办公楼、数据中心、商场等场所尤为突出。解决方案包括：在设计阶段增大中性线截面（甚至采用与相线等截面的电缆）；采用隔离变压器或谐波阻断器；或在前端安装有源滤波器进行集中治理。

       未来趋势与新兴治理技术展望

       随着电力电子技术的飞速发展和分布式能源的大量接入，电力系统的谐波频谱将更加复杂，低次谐波的治理面临新挑战与新机遇。一方面，以绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）、碳化硅（Silicon Carbide）、氮化镓（Gallium Nitride）为代表的新一代宽禁带半导体器件，使得变流器能够工作在更高开关频率，结合先进的多电平拓扑和调制策略，可以从源头生成波形质量更好的电流，大幅降低低次谐波发射。

       另一方面，基于人工智能（Artificial Intelligence）和物联网（Internet of Things）的智能谐波治理系统正在兴起。通过部署广泛的电能质量监测终端，实时采集全网谐波数据，利用大数据分析和机器学习算法，可以预测谐波变化趋势，动态优化有源滤波器、静止无功发生器（Static Var Generator）等设备的补偿策略，实现从局部治理到系统级协同治理的跨越，最终构建更洁净、更高效、更智能的电力系统。

       综上所述，低次谐波作为电能质量的核心问题，其认知与治理是一个涉及电气理论、电力电子、测量技术、标准规范的系统工程。从理解其定义与来源，到认清其危害与特征，再到掌握测量方法与治理技术，需要电力工作者具备全面的视角。坚持预防与治理相结合、源头控制与末端治理相协同的原则，方能有效驾驭谐波，保障电力系统安全、经济、优质运行，为各行各业提供可靠的动力支撑。