船舶电站交流同步发电机产生的电压，虽然频率经常波动，但电压波形基本上是正弦波，即波形中基本无直流和高次谐波分量。由于船舶大量采用非线性负载，特别是大功率变流设备在船舶上的广泛使用，产生大量高次谐波，对船舶电力系统发、配、用电设备造成不良影响，对船舶电网造成“污染”，甚至出现严重危害。高次谐波的干扰成了船舶电力系统中影响电能质量的一大“公害”。
1 船舶电力系统高次谐波产生的原因
产生高次谐波的原因，主要是船舶电力系统中存在各种非线性元件。因此即使船舶电力系统中电源的电压为正弦波，但由于系统中有非线性元件存在，结果在船舶主电网中和连接负载的分电网中总有高次谐波的电流和电压产生。
在船舶上产生高次谐波的元件很多，例如舵机系统、冰库制冷系统、辅锅炉系统等中的变流设备。最为严重的是采用变频调速和串级调速的交流电动机调速系统和采用晶闸管变流的直流电动机调速系统等，都有大型的变流装置，它们产生的高次谐波电流最为突出，是造成船舶电力系统中谐波干扰的最主要因素。
1.1 变流装置
变流装置是船舶电力系统中最主要的谐波源。过去，船舶主要采用晶闸管直流电动机调速系统，而近几年来新造的船舶交流电动机的串级调速、变频调速得到了广泛使用，它们都要使用大型的变流设备。而船用蓄电池组充电、船舶通讯、导航和报警系统等采用的直流电源都需要变流设备。另外，舵机、冰库制冷、辅锅炉等系统都含有变流装置。船上电视机、DV机、电冰箱和洗衣机等文娱、生活用电器、船用电脑及电子自控装置等也都有变流设备。
由变流器工作原理可知，在直流电流Id为恒定的条件下，6脉动桥式变流器交流侧线电流可用一系列等间隔矩形波表示，矩形波高度为Id，如图1所示。
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将此系列波形展开成傅里叶级数形式，则有
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(1)
由上式可知，在直流电流为恒定值的理想条件下，不计换相角时，除基波外，另含有6k±1次谐波（k=1、2……）。式中负号表示与基波电流方向相反，即该次谐波由装置向电网注入，谐波电流与基波电流幅值之比为
In/I1=1/n（2）
它表示谐波次数越小，对电网电流波形影响越大。6k±1次谐波为6脉动桥式变流器特征谐波。各种三相变流装置的交流电流特征谐波次数可用下式表示：
n=kp±1（3）
p——脉动数
在一般情况下，变流装置只产生特征谐波，但由于交流阻抗不对称。交流电压畸变和脉冲不对称等原因，变流装置还可能产生特征谐波以外的其他次谐波，即非特征谐波。
谐波电压偏差
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(4)
UK为各次谐波电压的有效值
ΔU%=（U-UN）/UN%（5）
UN为额定电压
1.2 有电磁系统的设备
船用照明变压器、安全电压变压器、电流和电压互感器、制动电磁铁、接触器和继电器等都有铁芯和励磁线圈。由于铁芯的饱和性，磁化曲线呈非线性，铁芯愈饱和，线圈电流波形畸变也愈大，是稳态谐波源。为使电磁系统设计较经济，励磁电流呈尖顶波，其谐波级数为奇次，主要是3次谐波。电磁装置在投入时或在外部故障切除后突然恢复电压时，产生浪涌电流，可达额定电流8~10倍，该电流含有数量很大的谐波量，而且衰减较慢。
2 高次谐波对船舶电器设备的危害
2.1 对船舶主要负载的影响
2.1.1 电动机
船舶电力系统主要负荷是电动机。电网中含高次谐波时，会使电机内部产生高频磁场，使运行中的电机发热，损耗增加，效率降低。其次是当电动机中谐波电流频率接近于某些零部件的固有振动频率时，诱使产生机械共振、噪声和谐波过电压。
整个谐波引起的损耗为
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(6)
式中R1——工频电阻
f1——基波电源频率
L1——定、转子的有效泄漏电感之和最小值
Un——n次谐波电压均方根有效值
2.1.2 热光源
船舶除了广泛采用日光灯作为照明外，在一些特定的地点和室外，大量采用白炽灯作照明和采用腆鸽灯作为强光。谐波热效应对上述热光源的寿命影响很大，以自炽灯为例，下式反映了灯泡寿命与电压波形的关系
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(7)
式中：L·——灯泡寿命的标么值（以额定寿命为基准值）
U·——均方根电压标么值（以额定电压为基准值）
U1——基波电压的标么值
DF——波形畸变系数
n的代表值为13。值得注意的是，畸变系数大，会显著缩短灯泡寿命，而改变基波电压相对说来比改变畸变系数影响更大。
2.2 对电力设备及线路的影响
2.2.1 船舶电网
三相不平衡度的计算
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(8)
式中u1、u2、u0分别为以A相位参考相的正序发、负序、零序电压，ua、ub、uc为三相电压基波。
三相不平衡度
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(9)
船舶电网，特别是油船的电网，对三相平衡度有很高的要求，高次谐波越严重、基波相对越小，三相不平衡度越大。此外，船舶电网线路短、负荷密度大，高次谐波电流在线路阻抗上形成谐波电压降落，产生有功功率和无功功率损耗，但数值不大。严重的是高次谐波可能在船舶电力系统中发生电压谐振，在线路上引起过电压，可能击穿电缆、导线及设备的绝缘，引起重大事故。
2.2.2 电力电容器
在船舶电站中常采用电力电容器补偿感性负载导致的功率因数下降。高次谐波对电容器的影响最为突出，高次谐波对电容器呈现出低阻抗，电容器为高次谐波提供了通道，谐波电流与基波叠加，通过电容器的总电流增加，持续的过流使电容器温升增加、寿命缩短，严重时使电容器损坏、甚至爆炸。另外，电容器容性阻抗和系统感性阻抗可能在某次谐波频率附近发生谐振，使系统谐波含量大大增加，而造成系统无法工作。
2.2.3 变流装置
船舶上硅变流装置一方面是主要的谐波源，产生特征和非特征谐波并注入电网；另一方面，外部畸变又影响换流器和变流装置换向器的负荷运行。由于谐波引起控制系统误差，造成角位移和电流变化率、电压变化率过高或产生过热效应，引起晶闸管故障，都会给换流装置带来影响。某些受控的变流器的控制逻辑往往因畸变电压而导致运行误差。
2.2.4 控制和保护装置
船舶主要的电器设备采用继电器一一接触器控制，并且组成各种电力自动控制系统。在船舶电力系统中大多数控制装置的控制信号取自于电网工频正弦信号。由于电网电压、电流存在高次谐波，会使控制信号和幅值变化，使控制装置发生误动作，该动的不动，不该动的乱动，这在谐波严重的区域控制系统中时常发生。
2.3 对电子设备的影响
2.3.1 通讯系统
船舶通讯包括与外界的无线通讯和船舶内部的有线电话通讯。高次谐波形成对通讯设备和线路的干扰信号，影响通讯网络的电磁效应和正常的通讯载波工作。如对电话线路而言，音频通道的工作频率约为200~3500Hz，而供电线路的许多谐波就在这个范围内。由于电力线路和电话线路的功率差别很大，所以供电系统的谐波将引起可以察觉、有时甚至是不能容许的电话杂音。
2.3.2 导航和其它电子设备
船舶的导航设备和采用微电脑及其它电子元件控制的船舶自动控制系统包含了大量数字电路部件。它们都要求可靠和稳定的工作，特别是导航设备。数字电路所用逻辑元件都有各自的阀电平和与之相对应的干扰信号容限，如果谐波的干扰超过其容限，就可能破坏触发器和存储器保存的信息，排除干扰后，它仍会在系统内部的存储器件里留下痕迹，系统也不会再恢复到原来的工作状态。即使含有微处理器的系统里程序没遭破坏，若地址总线受到干扰，也会有程序失控的危险，使系统进人预想不到的状态，甚至陷入意外停机状态。因此高次谐波对导航等电子设备的危害是严重的。
2.4 对船用测量表计的影响
谐波会影响电气仪表的测量和显示精度，谐波电流过大时，会烧坏仪表线圈。
2.4.1 电压表
研究各种电表在畸变电压波形下的反应，一般由频率特征着手，即观察各种电表在同一有效值但频率不同的正弦波形下的指示变化。
畸变波形下电压表的误差与电表的频率特性之间的关系可用下式表示
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(10)
式中：r——畸变波形下电压表的相对误差•
U——畸变波形的总有效值
U1~Un——各次谐波电压分量的有效值
r1~rn——各次谐波频率下的频率误差（相对误差），取自频率特性。
2.4.2 电流表
电流表的频率特性要比同系电压表的频率特性好得多。由于电流表所加的是电流源，因此电流表内的电感不影响通过电表的电流，所以电流指示基本上不随频率改变。
2.4.3 功率表
测量有功功率大都采用电动系或铁磁电动系功率表，它们有较好的频率特性，作为监测使用，一般能满足要求。至于无功功率的测量，如果波形畸变，不但三相无功功率表的读数无意义，单相无功功率表的读数也不代表任何内容。
谐波对船用兆欧表，功率因数表和频率表等也都有不同程度的影响，但这些仪表一般装置在总配电屏上，谐波分量较小。
3 船舶电力系统抑制高次谐波的措施
船舶电网的非线性用电设备中，对电网谐波含量起主要作用的是大功率变流装置，它是谐波治理的主要对象。可以采用下列措施来消除和抑制高次谐波。
3.1 装设滤波器
在具有大容量变流装置的起货机、锚机和舵机等电路中装设分流滤波装置。它可以消除变流装置的各个主要次（指低次）特征谐波，以满足船舶电网对电压和电流畸变的要求。滤波器分为单调谐滤波器和高通滤波器（见图2）。
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3.1.1 单调谐滤波器
它是由R-L-C等元件组成的串联谐振电路，一般采用三相星形接线。在大型静止谐波源（如大容量的晶闸管变流设备）与电网的连接处，根据需要并联装设分流滤波器。例如对一台6脉动桥式变流装置，装设5次、7次单调谐滤波器，有的场所还设11次、13次单调谐滤波器。它的基本原理是：使滤波器的各R-L-C电路分别对需要消除的5次、7次、11次、13次等的高次谐波进行调谐，使之发生串联谐振。由于串联谐振时阻抗很小，因而可使有关次数的谐波电流被滤波器分流（吸收）掉，而不至于注入电网中去。
3.1.2 高通滤波器
单相高通滤波器的电路组成如图3所示。这种滤波器一般用来滤除某次频率及该次以上频率的谐波。在一个很宽的频带范围内呈现出一个很低的阻抗。
为消除谐波源大部分谐波，通常在电网侧同时装设一个高通滤波器和若干个单调谐滤波器。如将图2和图3三相电路并联，单调谐滤波器滤掉5次、7次、11次、13次谐波，而17次及以上很宽频带范围内的谐波被高通滤波器滤掉。
3.2 谐波抵消法
三相变流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线，这种接线消除了脉动数（相数）倍次的高次谐波，使注入电网的谐波电流只有5次、7次、11次……等次谐波，这是抑制高次谐波最基本的方法。在电网中有多台由变流装置供电的负荷时，变流变压器选择适当的连接方式，就可以抵消部分特征谐波，如二台6脉冲桥式变流装置供电的起货机拖动电机，变流变压器采用Δ/Δ和Δ/Y或Y/Y和Δ/Y的接线方式，则5、7及17、19等各次谐波将相互抵消，这是一种常用的方法。
增加变流装置脉动数也就是增加变流变压器二次侧的相数是减少谐波的一种非常有效的方法。如果把两组6脉冲桥式变流器串联连接，则可得12脉动（12相）变流器。同理，三组串联得18脉动变流器，四组串联得24脉动变流器。但脉动数多，变流装置成本大幅度增加。变流器脉动数越多，也就是变流波形的脉波数越多，其次数低的谐波被消去的也越多。例如6脉动（6相）变流器出现的5次谐波电流为基波电流的18.5%，7次谐波电流为基波电流的12%，采用12脉动（12相）变流器时，则出现的5次谐波电流降为基波电流的4.5%，7次谐波电流降为基波电流的3%。都差不多减少了3倍，可见抑制效果是很明显的。图4为船舶发电机晶闸管自励调压电压测量电路，采用12脉动（12相）变流器。
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3.3 其它措施
采用变流装置专线供电以减少变流装置谐波对电网中其它负荷的影响。由于船上线路短，这种方法是很实用的。
向电网注入谐波电流，使之与谐波源谐波的幅值相等、相位相反，这样就可抵消变流装置的谐波，为达到这一目的，可将谐波注入装置与谐波源并联。在电力电容器和大容量设备回路设置限流装置或串联电抗器，可以抑制高次谐波。
设置静止无功补偿器，可以吸收变流装置供电冲击负荷所产生的动态谐波电流。
