1 前言
通信枢纽机房随着非线性用电设备的大量投运，造成了电网谐波分量所占比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网保护装置的正常运行，威胁网络安全运行，因此谐波必须进行治理。
2 通信枢纽机房电力系统中谐波的主要来源与测试
2.1 谐波的来源
⑴ 发电设备
电力系统中的谐波来自电气设备，由于发电机转子产生的磁场不可能是完善的正弦波，因此发电机发出的电压波形不可能是非常完美的正弦波。
⑵ 输配电系统产生的谐波
变压器的电源侧电压超过额定电压10% 以上时，也会使二次侧电压的3 次谐波明显增加。
⑶ 用电设备产生的谐波
由于电网电压偏移在±7％以下，所以发电、变电设备产生的谐波分量都较小。因此，发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾，影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，非线性用电设备是主要的谐波源，非线性用电设备主要有以下四大类。
① 电弧加热设备，如电焊机等。
② 交流整流的直流用电设备，如电力机车、电解、电镀等。
③ 交流整流再逆变用电设备，如变频调速器等。
④ 开关电源设备，如电子整流器等。
2.2 通信枢纽机房谐波设备的情况
通信枢纽机房内由于负载供电的不可间断性，使用了大量UPS 和开关电源，这些设备输入级均为三相整流，产生大量谐波。开关电源、UPS 设备先把交流整流成直流，再通过二次变换，变成相应的直流与交流。期间通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭，不仅在整流时产生谐波，而且在开关管开闭时，反射高频的谐波至电源。造成配电变压器的中心线电流居高不下，谐波还会通过配电变压器污染到电网。
2.3 某枢纽楼中一个机房设备使用与谐波测试情况
⑴ 某枢纽楼中一个机房内设备情况
⑵ 某枢纽楼一个机房谐波测试情况
3 谐波污染的危害
3.1 增加输电、供电和供用电设备的附加损耗
使设备过热，降低设备的效率和利用率。由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗和电能损耗，使导体严重发热。
⑴ 对变压器的影响
谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3 次及其倍数次谐波，对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，导致绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3 次谐波谐振，使变压器附加损耗增加，浪费电力资源。
⑵ 对输电线路的影响
由于供电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗也增加。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备形成串联回路或并联回路时，在一定的参数匹配条件下，会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下，并联谐波的谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害较大。当注入电网的谐波频率位于网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大，将会引起继电保护装置出现误动作，以至于导致损坏设备，与此同时还产生相当大的谐波网损，造成绝缘被击穿的事故。
⑶ 对电力电容器的影响
随着谐波电压的增高，一方面会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命；另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路，谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等原因而不能正常地运行。
3.2 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性
谐波对供电系统中以负序（基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序（基波）量整定的保护装置整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加谐波的干扰，则会引起负序电流保护误动，如果误动作后引起跳闸，则后果会相当严重。
3.3 使测量和计量仪器的指示和计量不准确
由于电力计量装置都是按50Hz 标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电表的正常工作。
3.4 干扰通信系统的工作
供电线路上流过的3 次、5 次、7 次、11 次、13 次等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，不但在邻近供电线路的通信线路中会产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在某些情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外，换相过程中产生的电磁噪声会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。
3.5 对供用电设备的影响。
谐波的干扰会使计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，设备内的元件出现过热，从而使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有提高功率因数用的电容器的设备来说，因为在一定参数的匹配下，会形成某次谐波频率下的谐振，使电容器因过热而损坏。会导致供电的高低压供电系统上的漏电装置误动作，严重影响供电安全。
4 谐波治理方法
目前，机房谐波治理可以区域集中治理和非线性用电设备处分散治理两种方法。按谁污染谁治理的原则，应该在非线性用电设备处分散治理，多采用安装滤波器来减少谐波分量。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两大类。
4.1 无源滤波器
通过L、C 串联或并联，使其在某次谐波产生谐振，当发生串联谐振时，使滤波器两端该次谐波的电压很小，几乎接近零，工作原理如图2 所示。
其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以下缺点：
⑴ 只能量身定做，消除特定的某几次谐波，而对其它某些次谐波可能会产生放大作用；
⑵ 属于静态补偿，当负荷变动，特别是谐波分量变动时，经常出现相位过补偿而导致线路谐振的可能；
⑶ 谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载损坏甚至起火；
⑷ 不便于扩容，当用户负载出现大幅度变更时，原有滤波器将不能使用，必须重新更换合适的滤波器。
4.2 有源滤波器
有源滤波器的基本工作原理是把电源侧的电流波形与正弦波相比较，差额部分由有源滤波器进行补偿。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点。这一技术在谐波治理上占主导地位，是谐波治理的发展方向。其具体特点如下：
⑴ 滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；
⑵ 具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐波；
⑶ 能有效地降低因高次谐波电流导致的设备和线路损耗；
⑷ 并联型滤波器可多级并联，解决大容量和扩容问题。有源电力滤波器工作原理如图3 所示。
通过检测被补偿对象的电流瞬时值，经指令电流运算电路得出谐波补偿电流的指令信号，控制变流器产生所需要的补偿电流。补偿电流与负载电流中要补偿的谐波成份及无功电流相抵消，最终获得期望的电源电流。
5 谐波治理效果
5.1 谐波治理后的情况
目前，在枢纽楼的谐波治理主要采用有源滤波器的方式。有源滤波器投入后一般达到如下的效果：
⑴ 总电压畸变率THDV% 低于5%（会存在测试误差1%内）；
⑵ 总电流畸变率THDi% 低于5%（会存在测试误差1%内）；
⑶ 功率因数0.95 以上（会存在测试误差0.1 内）。前述某枢纽楼谐波治理后的数据列于表1。
5.2 谐波治理情况分析
从表3 可以看出，各安装点相线电流下降10% 左右，零线电流下降幅度从33.3% 到78.6% 不等；零地电压全部下降，下降幅度从4.8% 到25% 不等。有源电力滤波器不仅可以治理谐波电流、就近补偿被治理设备的功率因数，还可以解决零线电流问题，进而解决零地电压问题，因此可以极大地改善电力线路的输电效率，保证设备的运行与供电安全。总体而言，只要谐波治理接入点选择合适，能综合节能约2% ～ 15%。治理效果达到预期，治理的某点测试原始数据分别示于图4、图5、图6、图7。
6 谐波治理的意义
当前节能已成为各单位的重要工作。从以上电力谐波治理的情况可以看出，电力有源滤波设备可以对电气设备产生的各种类型谐波进行有效的滤除，使得电网净化。降低电流波形畸变，包括高频电流在电路和电气设备中的损耗，实现节能目的。
用改善波形实现节能的效果问题，是一个与当前谐波电流大小、电网阻抗特性和负载性质复杂相关的问题，其节能效果很难准确预测。其节能主要来源于电力线路损耗、变压器接触器类感性元件的线损和铁损、电容器件的介质损耗等等。电力谐波治理的附加节能效果，与谐波治理设备的现场安装位置有关。一般而言，对谐波源负载进行就近治理，线路阻抗越大、线路越长、线路中串联感性元件越多、并联的电容越多，节能效果越好。局限于谐波源负载附近安装位置的限制时，也可考虑采取区域性治理。节能效果最差的是在低压配电室靠近变压器端的治理，这是因为从低压配电到负载端的谐波仍然很大，由谐波引起的线损、感性元件的线损和铁损、电容器的高频介质损耗仍然存在，只有谐波治理接入点到变压器端的谐波很小，从变压器到治理接入点之间才具备节能效果。
因为有源电力谐波滤波器不仅可以治理谐波电流，还可以就近补偿被治理设备的功率因数。因此，可以极大地改善电力线路的输电效率。总体而言，只要谐波治理接入点选择合适，能综合节能约2% ～ 15%。
7 结束语
随着电网的不断发展，大型非线性设备或电子器件大量的使用，使电网产生谐波更大，在供电系统中进行谐波治理有不少困难，为了使通信网络安全可靠供电，针对具体系统采取有效的措施综合治理谐波，对提高功率因数节约能源，改善供电质量有着十分重要的意义。