Высшие гармоники: определение и принцип

Что такое высшие гармоники в электросети

По ГОСТ 32144-2013 (п. 3.1.18) напряжение гармонической составляющей — среднеквадратическое значение синусоидального напряжения, частота которого кратна основной. В идеальной сети ток и напряжение имеют форму чистой синусоиды 50 Гц; нелинейные нагрузки искажают её, добавляя высшие гармоники 3-го, 5-го, 7-го и более высоких порядков.

Источник гармоник — оборудование, потребляющее ток непропорционально приложенному напряжению: преобразователи, импульсные блоки питания, светодиодные драйверы, дуговые печи. Эти искажения распространяются по сети и влияют на работу другого оборудования.

Принцип работы и коэффициент THD

Любой периодический несинусоидальный сигнал раскладывается в ряд Фурье на сумму гармоник. Первая (основная) — 50 Гц, вторая — 100 Гц, третья — 150 Гц и т. д. Степень искажения характеризует суммарный коэффициент гармонических составляющих THD (Total Harmonic Distortion).

По ГОСТ 32144-2013 — это отношение среднеквадратичного значения суммы гармонических составляющих до 40-го порядка к среднеквадратичному значению основной составляющей, в процентах. В IEEE 519-2022 анализ ограничен 50-м порядком.

Виды гармоник и их характеристики

В трёхфазной симметричной системе гармоники классифицируют по последовательности фаз. Это определяет их поведение в линейных и фазных цепях.

В симметричных нелинейных нагрузках чётные гармоники практически отсутствуют; на практике значимы нечётные: 3-я, 5-я, 7-я, 11-я, 13-я. Гармоники тройного порядка (3, 9, 15) в четырёхпроводной сети 380/220 В арифметически складываются в нейтрали — ток в нейтрали может превышать фазный.

Источники высших гармоник

Доля высших гармоник в сети выросла из-за массового применения силовой электроники. Основные источники:

Чем вредны высшие гармоники

Гармонические искажения вызывают дополнительные потери и ускоряют износ электрооборудования. Основные эффекты:

Нормы THD по ГОСТ и измерение

В России нормы установлены ГОСТ 32144-2013 (с Изменением № 1, приказ Росстандарта № 1224-ст от 25.10.2023, действует с 01.11.2024). Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения за 95% времени измерения в неделю не должен превышать:

Международный стандарт IEEE 519-2022 для шин до 1 кВ нормирует индивидуальную гармонику до 5,0% и THDu до 8,0% в точке общего присоединения (PCC). Методы измерений установлены ГОСТ IEC 61000-4-30-2017 (идентичен IEC 61000-4-30:2015), применяются анализаторы класса A.

Оборудование для борьбы с гармониками

Пассивные фильтры

LC-цепи, настроенные на конкретные частоты (5-я, 7-я, 11-я гармоники). Просты и надёжны, но действуют узкополосно и при изменении параметров сети могут вступать в параллельный резонанс.

Активные фильтры гармоник (АФГ)

Силовые электронные устройства с IGBT-инверторами и DSP-управлением. В реальном времени измеряют спектр тока нагрузки и инжектируют противофазный ток компенсации. Работают в широком диапазоне порядков (до 50-го), адаптивны к изменению нагрузки.

Многопульсные и активные выпрямители

12-пульсные ЧРП обеспечивают THDi около 10–15% за счёт взаимной компенсации 5-й и 7-й гармоник. 18-пульсные схемы — около 5–8%. Активные выпрямители (AFE) с IGBT-инвертором на входе дают THDi ниже 5% (типично 2–3%) и единичный коэффициент мощности.

Частые вопросы