霍宏艷，李 源，吳 曉

(國家廣播電視產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心，北京100015)

責任編輯:李 薇

1 諧波電流的產(chǎn)生

開關電源和可控硅器件的大量應用，一方面提高了電能的利用效率;另一方面，非線性的電能轉換又在電網(wǎng)中引入了大量諧波電流。電網(wǎng)中的諧波還會使電網(wǎng)的中線電流超載，影響輸電能力;還會對其他用電設備產(chǎn)生電磁干擾、影像設備的正常運行。

為了保證接入電網(wǎng)的電子設備的正常工作及維護人體健康，我國出版了標準:GB17625.1《電磁兼容 限值低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限值(設備每相輸入電流≤16 A)》[1]。此標準為國家強制性標準，在我國開展的強制性產(chǎn)品認證中，有相當一部分電氣和電子產(chǎn)品均需要進行諧波電流的發(fā)射測試。

2 諧波標準的分類

通常所說的諧波標準從適用范圍來劃分，可以分為兩類。一類標準是針對電網(wǎng)提出諧波發(fā)射標準，例如IEEE519標準，主要適用于電力部門。這類標準對電力用戶注入到電網(wǎng)上的諧波電壓和諧波電流進行了限制。另一類為針對設備提出的諧波發(fā)射標準，例如IEC 61000-3-2標準，主要適用于設備的采購方[2]。這些標準對設備注入電網(wǎng)的諧波電流進行了限制，從根源上消除了諧波可能造成的危害。

如果把電網(wǎng)比作一個旅游勝地的水池，而諧波電流比作游覽者手中的垃圾。那么要保證水池的干凈優(yōu)美，電力部門需要負責水池的建設并保證注入到水池中的水是清澈的;而另一方面，則需要在政府部門的監(jiān)管之下，保證游覽者不會將垃圾注入到水池之中。

3 電子設備產(chǎn)生的諧波

諧波產(chǎn)生于發(fā)電、輸電和用電等各個環(huán)節(jié)，其中以用電環(huán)節(jié)產(chǎn)生的諧波最多。諧波源主要是系統(tǒng)網(wǎng)絡中的非線性元件如整流裝置、飽和狀態(tài)的鐵磁性元件等。常見的諧波源包括非線性電光源、整流裝置及開關電源等。

大多數(shù)現(xiàn)代電子設備，如個人用計算機、個人用顯示器、電視接收機、適配器、服務器、調光裝置等，都使用了開關電源。其原理為交流電源直接經(jīng)可控制的整流器件去給存儲電容器充電，然后通過高頻脈沖寬度調制信號控制開關管輸出所需的多個直流電源，通過控制脈沖占空比達到穩(wěn)定輸出的目的。它們不能從電源汲取連續(xù)的正弦電流，而只能汲取脈沖電流，從而產(chǎn)生大量的三次及高次諧波的分量。

圖1為部分電子設備產(chǎn)生諧波的比例。從圖中可以看出，個人用計算機和電視接收機等諧波標準規(guī)定的D類設備產(chǎn)生的諧波比例更大，從而對電網(wǎng)中其他電子設備的影響也會更高，這也是標準中對這類設備限值要求更為嚴酷的原因之一。

圖1 部分電器產(chǎn)生諧波的比例(截圖)

4 諧波電流的危害

1)對環(huán)境與能源的影響

諧波電流可造成電網(wǎng)的功率損耗增加、設備壽命變短、遙控功能失常、接地保護功能失常、線路和設備過熱等。另一方面，目前我國大部分電能均是通過消耗化石能源獲得，從而造成空氣污染、能源緊張，節(jié)能減排被提上了國家高度。而諧波電流的大量存在，不僅造成大量電能在電網(wǎng)中無序傳輸，無法提供給人們所需要的能源，還會通過傳輸過程中產(chǎn)生的熱量浪費掉，增加電能的消耗，不利于節(jié)能減排的基本國策，還會加劇環(huán)境污染的惡化。

2)對通信設備的影響

諧波電流可以對通信線路及通信設備產(chǎn)生影響，其主要電感耦合、電容耦合等電磁感應在通信線路上產(chǎn)生聲頻干擾。諧波頻率高時，會發(fā)生雜音，在通信線路上引起音頻干擾，嚴重時還可能觸發(fā)電話鈴響。

3)對電源質量

(1)對用電安全的影響

由于電流的趨膚效應，含有高頻含量的諧波電流流過電纜時，會導致電纜發(fā)熱。電流的頻率越高，電流越向導體的外表面集中，從而使得電阻量增大，產(chǎn)生更大的熱量。導體過熱會導致電纜老化，甚至誘發(fā)火災。

在三相低壓電網(wǎng)中，每相間的相位差為120°，當電網(wǎng)三相平衡時，中線無電流通過，即中線電流應為零。當電網(wǎng)中含有諧波電流時，特別是三次諧波的奇數(shù)倍諧波電流時，諧波電流會在中線上相疊加。當相電流為100 A時，中線電流可達到150 A，此時中線的電流密度是相線電流密度的3倍，嚴重時可造成線路過熱、中性線熔斷、燒壞線路中接入的電器設備進而引發(fā)火災。

(2)對用電設備的影響[3]

諧波電流的存在會影響同時接入電網(wǎng)的各種電氣設備的正常使用。諧波電流的存在會使電網(wǎng)中的電壓產(chǎn)生畸變，從而造成對諧波敏感的設備產(chǎn)生誤動作;此外，諧波電流還會使斷路器產(chǎn)生誤動作，使校正功率因數(shù)的電容器過載，并對變壓器和感應電動機的影響。

5 諧波電流的疊加效應

GB17625.1標準作為國家強制性認證依據(jù)標準，在控制電子產(chǎn)品輸入電流諧波分量方面起到了至關重要的作用。各企業(yè)在產(chǎn)品的研發(fā)階段都采取積極措施抑制諧波電流的產(chǎn)生。由此，在前期的檢測過程中，單一用電設備的諧波電流檢測合格率較高。

由于諧波電流的頻域特性，其具有疊加效應。例如電視接收機、個人用計算機、個人用顯示器等產(chǎn)品，其各次諧波含量豐富、諧波相位相同，同時使用系數(shù)高，該類產(chǎn)品的諧波成分相互疊加，從而加劇了電網(wǎng)中的諧波危害，對周圍使用的其他電子產(chǎn)品的正常使用產(chǎn)生嚴重影響。圖2～4為諧波電流疊加效應的驗證試驗結果，試驗分別對單一電視接收機正常工作、電視接收機和功率放大器同時工作、電視接收機和功率放大器以及有源揚聲器同時工作時的電流波形進行了監(jiān)控。

通過圖2～圖4的對比，可以發(fā)現(xiàn)，隨著用電設備的增加，電流波形畸變情況更加嚴重，即代表諧波成分越來越多，從圖中也可以看出，當用電設備增加后，3，5，7次諧波的比例在不斷提高。

6 消費者利益保護

如果疏于諧波電流的抑制或放開對于電子產(chǎn)品諧波電流發(fā)射的管控，消費者利益將無法得到保障，嚴重時還會影響到消費者的生命財產(chǎn)安全。

1)造成消費者財產(chǎn)損失

諧波電流的產(chǎn)生會使電能在傳輸和使用的過程中轉化成熱量而損失。例如，如果一臺電冰箱接入純凈電網(wǎng)中正常使用一小時的用電量為1°，當接入諧波含量豐富的電網(wǎng)中時，由于諧波電流的影響，用電量可能會高于前者，那么消費者將會為由于電網(wǎng)污染所損失的電能而買單，這明顯對于消費者是不公平的。諧波電流的存在會造成配電設備成本提高，電網(wǎng)能量損失，而最終轉嫁到消費者身上，造成私人財產(chǎn)的損失。

2)造成電子設備的性能下降

諧波電流會對周圍的電子設備的性能產(chǎn)生影響。例如，諧波電流會使電視機、計算機的顯示圖像畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化;使帶有啟動器或鎮(zhèn)流器的非線性電光源，在一定參數(shù)的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，從而損壞啟動器或鎮(zhèn)流器。這些影響會增加電子設備的檢修率、降低設備的使用壽命，甚至造成設備嚴重損壞而無法使用，嚴重影響了消費者的權益。

3)威脅消費者的生命安全

諧波電流的產(chǎn)生會引起電流有效值的變化，可導致負載側的有效值電壓產(chǎn)生波動，引起照明燈具產(chǎn)生閃爍，長期生活工作在這種環(huán)境下的消費者會產(chǎn)生視覺不適，甚至誘導產(chǎn)生精神方面的疾病;此外，諧波電流對于電視機、計算機顯示圖形的干擾，會刺激長期觀看屏幕的消費者的視覺神經(jīng)，造成視力下降;而諧波電流導致的中線過流發(fā)熱，會引起用電安全隱患，引發(fā)火災，嚴重危害消費者的生命安全。

抑制諧波電流，進一步對電子產(chǎn)品的諧波電流發(fā)射進行有效監(jiān)控，保證電網(wǎng)環(huán)境的凈化，是保護消費者生命財產(chǎn)安全的必要手段，是保護消費者權利的有效武器。

7 其他國家對諧波標準的重視程度

1982年，IEC頒布了國際標準IEC55-2“注入交流電網(wǎng)的諧波”。這個標準對“非專業(yè)設備”注入電網(wǎng)的諧波電流進行了限制。這個標準實施后，建筑物由于線路過熱而導致的火災現(xiàn)象幾乎消失。1995年，IEC發(fā)布了新的版本，編號為IEC 61000-3-2，其適用范圍擴展到了所有每相16 A以下的設備。新標準從諧波的絕對值和諧波的百分比兩方面進行了限制。

自諧波標準制定以來，IEC61000-3-2標準根據(jù)市場上新興的電子產(chǎn)品的特性進行了多次修訂，而歐盟、澳洲、日本等地區(qū)，也根據(jù)或參考IEC61000-3-2修訂版的技術內容不斷地進行標準更新。不斷的修訂更新說明世界范疇內對電子產(chǎn)品諧波問題的關注程度極高。

此外，在EMC認證方面，歐盟、美國、加拿大、日本等都對家電產(chǎn)品提出了電磁兼容的要求，并且都有相應的認證標志。其中，歐盟指令中指出所有投放市場的全部產(chǎn)品必須符合包括EN 61000-3-2在內的EMC法規(guī)要求，并使用CE標志，以表明該產(chǎn)品已經(jīng)符合所有相關的必要要求;其他各國也紛紛出臺法規(guī)，對各類市場準入的電子產(chǎn)品的諧波電流發(fā)射特性進行EMC要求。由此，從市場準入的角度，如果出口到他國的產(chǎn)品諧波特性需要滿足諧波標準要求而對進口到國內的產(chǎn)品諧波特性不加限制，而無法維持市場地位的對等，無法實現(xiàn)貿易對等。

8 管理和認證規(guī)范

GB17625.1作為國家強制性標準，自實施以來，對電子產(chǎn)品諧波電流的控制起到了決定性的作用。各電子產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)時都將產(chǎn)品的諧波控制作為重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品諧波檢測通過率高，在保護公共安全、人體健康和環(huán)境等方面起到了積極成效。如果放開對諧波電流發(fā)射的管控，那么對電網(wǎng)的污染將無法限制，危害公共安全、消費者利益的現(xiàn)象必然增多，由此對經(jīng)濟發(fā)展和社會發(fā)展所帶來的影響將無法估量。當事態(tài)發(fā)展到無法控制的程度時，再重新建立規(guī)范，實施難度將非常巨大。

[1]GB17625.1，電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值(設備每相輸入電流≤16 A)[S].2012.

[2]IEC61000-3-2，Electromagnetic compatibility-limits-limits for harmonic current emissions(equipment input current≤16A A per phase)[S].2009.

[3]錢振宇.3C認證中的電磁兼容測試與對策[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.