变频器、整流器、UPS系统和开关电源都以短脉冲电流而非平滑的正弦波取电。这些脉冲中包含谐波：即频率为供电频率（50或60 Hz）整数倍的电流。在仅有几台变频器的工厂中，其影响通常很小。在大部分负载为电子设备的工厂中，谐波可能导致变压器和中性线过热、损坏电容器组、无明显原因跳闸以及使仪表读数不准。本文将逐一探讨这些影响以及通常的缓解方法。基础知识（什么是谐波、THD如何计算以及谐波的来源），请参阅电力系统中的谐波。
变压器
承受谐波电流的变压器实际运行温度高于其名牌额定负载所反映的温度。两种损耗机制随频率增加而增大：
- 绕组中的涡流损耗大致与谐波次数的平方成正比，因此即使是较小的5次或7次谐波电流也会产生不成比例的热量。
- 铁芯夹板、油箱和结构件中的杂散损耗也会随频率增加而增大。
实际结果是：主要为变频器或电子负载供电的变压器可能需要降额使用，或者更换为专为非线性负载设计的机型（通常称为K级变压器，K因子表示该设计可承受多少谐波发热）。在三相三线制变压器中，三倍频谐波电流也会在三角形绕组内循环，产生主侧仪表无法显示的额外热量。
中性线导体和三倍频谐波
在采用线性负载的平衡三相四线系统中，三相电流在中性线处相互抵消。三倍频谐波（3次、9次、15次等）不会相互抵消：它们在三相上彼此同相，因此会叠加在中性线中。单相电子负载，如计算机、LED驱动器和小功率电源，是主要来源。
在每相仅包含基波和3次谐波的平衡系统中，中性线所承载的电流是单相3次谐波电流的三倍。下表展示了其具体含义：
| 每相3次谐波（占基波的百分比） | 相电流（有效值，占基波的百分比） | 中性线电流（占基波的百分比） | 中性线/相电流比 |
|---|---|---|---|
| 20% | 102% | 60% | 0.59 |
| 35.4% | 106% | 106% | 1.00 |
| 50% | 112% | 150% | 1.34 |
| 70% | 122% | 210% | 1.72 |
数值仅供参考，是根据仅含基波和3次谐波的平衡负载计算得出的。实际波形还包含其他谐波。
一旦3次谐波超过基波的约35%，中性线所承载的电流就会超过任何相导体。此时，如果中性线尺寸与相导体相同或更小，即使没有断路器跳闸，也可能过热，因为中性线通常没有保护。常见的应对措施包括为电子负载使用超大尺寸或双倍的中性线，以及使用真有效值钳形电流表检查中性线电流。
三倍频谐波导致中性线过载的原因（计算示例）。
电机
电机端子的谐波电压会产生更高频率的额外电流，从而增加铜损和铁损，进而产生热量。谐波次数也会以不同方向作用于转子：
- 正序谐波（7次、13次等）会产生顺向旋转的磁场。
- 反序谐波（5次、11次等）会产生逆向旋转的磁场，产生制动转矩和额外发热。
其综合影响包括更高的绕组温度、可能表现为振动或噪声的转矩脉动，以及如果电机本身已接近额定运行状态，则会缩短绝缘寿命。由变频器直接供电的电机属于另一情况：变频器输出本身就是开关波形，因此用于变频系统的电机应适合逆变器运行。请查看我们的电机系列和电机电流相关文章以获取选型指导。
功率因数电容器和谐振
随着频率升高，电容器的阻抗降低，因此会吸引谐波电流。更糟糕的是，电容器组与供电变压器的电感会形成并联谐振电路。如果谐振频率接近工厂产生的某次谐波，该频率下的电压和电流就会被放大。典型症状包括电容器熔断保险丝、电容器罐体鼓胀或损坏，以及电压畸变干扰其他设备。
一种广泛使用的并联谐振次数初步估算方法是：
h ≈ √(母线短路容量kVA ÷ 电容器kvar)
例如，短路容量为20,000 kVA、电容器容量为600 kvar的母线，其谐振次数接近h ≈ 5.8，与六脉冲变频器产生的5次谐波非常接近。当电容器容量为300 kvar时，估算值约为8.2。这就是为什么使用多年无故障的电容器组在增加变频器后可能会开始出现故障。在有变频器的地方，通常采用失谐电容器组（通过串联电抗器将谐振频率移至5次谐波以下）。
误跳闸和保护器过热
- 断路器和保险丝对有效值发热有反应，而谐波电流会加剧这种发热。如果平均值表显示负载在可接受范围内，馈线仍可能因过载而跳闸。
- 电子式脱扣单元如果不支持真有效值感测，可能会误判畸变电流，导致过早跳闸或无法察觉实际发热。
- 接地故障和剩余电流保护装置可能会因变频器和供电输入滤波器的中高频漏电流而跳闸。
在为变频器供电的配电柜中更换断路器时，请检查脱扣单元的类型和额定值是否与原件相同，并参考实测有效值电流，而非仅看名牌额定负载。
计量和仪表
许多较旧或低成本的仪表测量波形的平均值，并将其按正弦波进行标定。对于畸变电流，它们的读数可能远低于实际有效值。在有变频器的工厂中进行任何故障排除时，请使用真有效值仪表和钳形电流表。根据电压过零点进行定时测量的设备（如某些晶闸管控制器）在畸变供电下也可能出现异常。
如何减少谐波
| 方法 | 作用原理 | 备注 |
|---|---|---|
| 线路电抗器（交流输入扼流圈） | 增加阻抗，平滑变频器的输入电流脉冲 | 结构简单且成本低；通常规定阻抗为3%或5%。还能保护变频器免受供电瞬变影响。 |
| 直流母线扼流圈 | 原理相同，安装在变频器内部或直流母线上 | 许多变频器已内置；请检查该型号的可选配置。 |
| 无源谐波滤波器 | 调谐电抗器-电容器支路可吸收特定谐波（通常为5次和7次） | 必须根据负载进行选型；在轻载时可能导致功率因数超前。 |
| 有源谐波滤波器 | 电力电子设备注入等值反向谐波电流 | 可适应变化的负载；成本较高。 |
| 多脉冲变频器（12脉或18脉） | 移相变压器绕组可抵消低次谐波 | 12脉前端可抵消5次和7次谐波；剩余特征谐波从11次和13次开始。 |
| 有源前端变频器 | 受控整流器可抽取近乎正弦的电流 | 部分机型还支持再生制动。 |
| 超大尺寸中性线、K级变压器 | 容忍谐波而非消除谐波 | 常见于拥有大量单相电子负载的建筑。 |
首先进行测量。在主配电柜和负载最繁忙的变频器配电柜中使用电力质量分析仪，可以找出哪些谐波次数占主导地位，从而决定是使用电抗器就足够，还是需要滤波器。对工厂配电系统的任何更改，必须由具备资质的人员按照适用的电气规范和制造商说明进行。
关键要点
- 谐波会产生热量：变压器、中性线、电机和电缆的实际运行温度会高于其负载所反映的温度。
- 三倍频谐波会叠加在中性线中；当每相3次谐波超过约35%时，中性线所承载的电流可能超过相导体。
- 电容器组与变频器可能会发生谐振；请估算谐振次数，并考虑使用失谐电容器组。
- 在波形畸变时，请使用真有效值仪表和真有效值脱扣单元。
- 线路电抗器是解决六脉冲变频器问题的首选且最简单的方法；滤波器以及多脉冲或有源前端变频器则能提供更全面的解决方案。
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