4. 非正弦波与谐波
在理想交流电力系统中，电压和电流都是频率单一、波形纯正的正弦波。然而，实际电网中大量非线性负载的存在，使电流不再跟随电压按正弦规律变化，波形发生畸变。这种偏离正弦形状的周期性波形，就是非正弦波。非正弦波并非杂乱无章，法国数学家傅里叶证明：任何满足狄里赫利条件的周期函数，都可以分解为一个基波分量与一系列频率为基波整数倍的正弦分量之和。这些频率为基波整数倍的分量，就是谐波。
一、谐波的定义与数学表达
谐波是频率为基波频率整数倍的正弦波分量。工程上常用有效值和谐波含有率来描述：第 n 次谐波含有率 HRUₙ = Uₙ/U₁×100%，总谐波畸变率 THD = √(ΣUₙ²)/U₁×100%（n≥2）。THD 是衡量波形畸变程度最常用的指标，THD 越大，波形偏离正弦越严重。
需要区分几个易混概念：谐波频率为基波整数倍；间谐波频率不是整数倍，常由电弧炉、变频装置产生；次谐波频率低于基波；直流分量频率为零。工程测量中，谐波分析通常关注 2～50 次，重点为 3、5、7、11、13 次等奇次谐波。
二、谐波产生的原因
谐波产生的根本原因是非线性负载。线性负载（电阻、电感、电容）的电压电流关系为线性，正弦电压下电流仍为正弦；而非线性负载的伏安特性曲线不是直线，即使施加正弦电压，电流也呈非正弦的尖顶波、方顶波或脉冲波。其本质是负载在电压周期内不同区段呈现不同阻抗，或存在开关、整流、饱和等非线性环节，使电流波形被“削顶”“开槽”或“脉冲化”。
从能量角度看，非线性负载把部分基波能量转换为谐波能量，谐波电流注入电网，在系统阻抗上产生谐波电压降，从而造成电网电压也发生畸变。因此谐波既是“负载产生的污染”，又会通过电网传播影响其他用户。
三、常见谐波源分类
按机理，常见谐波源可分为三大类：
- 整流与换流设备：二极管整流、晶闸管可控整流、变频器、UPS、开关电源、直流充电桩。它们在一个周期内断续导通，电流呈脉冲状，是 5、7、11、13 次谐波的主要来源。
- 电弧与气体放电设备：电弧炉、电焊机、荧光灯、高压钠灯。电弧的负阻特性和随机燃弧产生连续频谱，含 2、3、4 次及间谐波。
- 铁磁饱和设备：变压器、电抗器、互感器。铁芯饱和使励磁电流呈尖顶波，主要产生 3 次及奇次谐波，三相变压器因接线方式不同，3 次谐波可能被环流抵消或注入电网。
下表汇总了典型谐波源的特征谐波与主要影响：
| 谐波源 | 典型特征谐波 | 主要影响 |
|---|---|---|
| 单相开关电源/充电器 | 3、5、7 次 | 中性线电流叠加、发热 |
| 六脉波整流器 | 5、7、11、13 次 | 电压畸变、电容器过流 |
| 十二脉波整流器 | 11、13、23、25 次 | 谐波次数提高、幅值降低 |
| 变频器（交-直-交） | 5、7、11、13 次及间谐波 | 电机附加损耗、转矩脉动 |
| 电弧炉 | 2、3、4 次及间谐波 | 闪变、电压波动 |
| 饱和变压器 | 3 次及奇次 | 励磁电流畸变、中性线过流 |
四、谐波源与电网的相互作用
谐波源产生的谐波电流具有“电流源”性质，其大小主要由负载自身特性决定，受电网电压影响相对较小。谐波电流流入电网后，在系统阻抗上产生谐波电压降，使公共连接点电压发生畸变。因此，谐波治理需要同时考虑谐波源特性与系统阻抗特性，二者共同决定电压畸变水平。
五、案例与误区复盘
案例：某数据中心配电系统中性线电流异常偏高，实测相电流约 180 A，中性线电流却达 150 A。用谐波分析仪测量发现，相电流中 3 次谐波含有率高达 45%，5 次约 20%。原因是大量单相开关电源负载的 3 次谐波在中性线上同相位叠加，而非像基波那样相互抵消。治理措施是在中性线加装谐波滤波器并增大中性线截面。
常见误区二：把谐波与无功混为一谈。谐波是频率问题，无功是相位问题，二者都会降低功率因数，但治理手段不同：谐波用滤波器，无功用电容器或 SVG。
常见误区三：忽略间谐波。电弧炉、变频器产生的间谐波会引起闪变和低频振荡，普通谐波分析仪若只测整数次谐波，会漏掉这部分污染。
理解谐波的定义、产生原因和常见谐波源，是后续进行谐波测量、分析和治理的基础。只有先明确“谐波从哪里来、以什么次数出现、如何注入电网”，才能正确选择测量方法、布置测点并制定有效的抑制方案。