从IEC电磁兼容标准看电网谐波国家标准

1、从IEC电磁兼容标准看电网谐波国家标准1概述礼经电器目前，由于非线性负荷（例如晶闸管电力电子装置、电弧炉、家用电器等）对电网的谐波“污染”日益严重，已引发电网不少异常和事故（例如电机的烧损，电度计量不准，电容器组不能正常投运，继电保护和自动装置误动跳闸进而引起系统大面积停电事故等）。合理控制谐波不仅对电网，而且对广大用户均具有重要意义。1993年我国颁布电能质量系列标准之一的国标GB/T14549-93电能质量公用电网谐波，对于公用电网各级（380V220kV）谐波电压限值以及对用户的谐波电流指标分配作出了规定，还规定了测量仪器和测量方法以及相关的计算。标准颁布以来，电力部门以此为依据，实施对

2、电网谐波的控制和管理，取得了不少成绩。但执行中也发现一些缺点和不足。近年来国际电工委员会（IEC）陆续发布了IEC61000系列电磁兼容（EMC）标准。我国国家质量技术监督局已决定在国内“等同”采用，并将陆续颁布实施。本文主要根据这套标准中有关谐波的规定，并结合执行国标的经验来分析国标中存在的主要问题，指出进行修订的必要性和紧迫性。2关于电网各级电压的谐波限值各级电压的谐波限值是谐波标准的基础，国标中的规定见表1。IEC61000-3-6中压和高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估中对系统电压Un等级划分作了如下规定：表1我国公用电网谐波电压（相电压）限值电网标称电压/kV0.386103566

3、110.电压总谐波畸变率/%5.04.04.03.03.02.0各次谐波电压含有率/%奇4.03.23.22.42.41.6次偶2.01.61.61.21.20.8次低压(LV)：Un1kV中压(MV)：1kV<un35kV高压(MV)：35kV<un230kV230kV<un超高压(EHV)：用以上“粗线条”电压等级划分，对LV和MV系统中谐波电压兼容值的规定见表2。表2LV和MV系统中谐波电压兼容值</u</u</u奇次谐波（非3的倍数）奇次谐波（3的倍偶次谐波数）谐波次数h57111317192325谐波电压/%653.5321.51.51.50.2+

4、1.3.谐波次数h39152121谐波电压/%51.50.30.20.2谐波次数h2468101212谐波电压/%210.50.50.50.20.225(2.5h)FS:Page注：总谐波畸变THD为8%。对比表1和表2可以看出：(1)IEC的规定对谐波次数比较重视。将不同次的谐波作不同的规定，此比国标要细得多。从IEC的规定看，谐波次数较高的谐波电压限值要严于(低于)谐波次数较低的限值，而“3的倍数”次谐波限值要严于(低于)“非3的倍数”次谐波限值。这些规定总体上和负荷产生的谐波水平相符合。(2)对于电压总谐波畸变率(THD)，IEC为8%，而国标最大为5%(低压)。这个差别较大，相应地也表

5、现在单次谐波的限值上。将THD定为8%，当时在国外是有争论的。有的专家认为，如将这么高的谐波电压叠加到供电电压上，一些装置(例如基于现有国家标准制造的电容器)可能会过载，因此采用THD为8%要待相当长时间(1020年)后才有可能2。这是10年前的争论意见。目前看来，将中、低压谐波电压THD限值提高，向8%靠拢是大势所趋。但要改变国标5%的规定则应进一步调研。一些电工产品(或装置)承受谐波的标准也应作相应的调整后才有可能。须指出，IEC61000系列标准是为协调各国电磁干扰方面的标准而制定的一个参考值(即兼容值)，它是制定各国相关标准的基础。例如，电能质量中谐波标准应以IEC61000-3-6等

6、规定为基础，其允许值不应超过兼容值，比兼容值小(或严)一些，留有一点裕度是正常的，以确保不造成过大的谐波干扰；制定电气设备耐受谐波干扰的标准时，就不能低于兼容值，而应略大些，以使设备有足够的抗扰能力。IEC61000-3-6中还提出谐波的“规划值”概念。“规划值”等于或低于兼容值，由电力企业根据电网结构和其它条件确定，以作为企业内部质量目标值(即实际控制依据)。表3为谐波电压规划值的一个例子。由表可见，在“规划值”中，高压的谐波值要严于中压值，中压的谐波值要严于中、低压兼容值。这主要考虑了谐波传递的影响，这同制定国标时的思路是大体相符合的。表3奇次谐波(非3的奇次谐波(3的倍数)倍数)谐波次数

7、h谐波电压/%MV57111317195432.51.61.2221.51.511391521谐波谐波电压次数h/%MVHV-EHV41.20.30.2210.30.20.224681012数h/%MVHV-EHV1.610.50.40.40.21.510.50.40.40.2谐波次谐波电压偶次谐波MV，HV和EHV系统中谐波电压规划值210.2231.20.7122525注：总谐波畸变率THD，中压网为6.5%，高压网为3%。总之，不能把IEC制定的电磁兼容标准当作电能质量的标准，两者既有联系也有区别，概念上应分清楚。3用户谐波指标的分配在国标中用户i的第h次谐波电流的允许值Ihi用下式计算

8、：1.20.70.20.2(1)式中Ih为公共连接点（PCC）上总的第h次谐波电流允许值；Si为第i个用户的用电协议容量；St为公共连接点的供电设备容量；为相位叠加系数。在IEC61000-3-6中推荐了两种方法，一种方法基本同式（1）。但在一些量的处理上国标和IEC是有些差别的。(1)关于Ih的确定在谐波国标中，Ih根据3个条件确定：1)各级谐波电压限值；2)扣除上级对本级的传递影响；3)规定基准短路容量Sk，并以此为基础，用简化公式推导系统等值电抗。若实际短路容量Sk和Sk不同，则电流限值乘以。如表1所列，国标中将谐波电压按奇次和偶次分两大类，偶次谐波电压为奇次的0.5倍。在按上述3个条件

9、计算Ih时，对于3的倍数奇次谐波（例如3，9，15）还乘上系数0.6，即按接近于偶次谐波电压限值来对待。这对于特征谐波为3次的用户（例如交流电弧炉，电气化铁道）的限值就显得过严。同样，电网中还有特征谐波为2次的用户（例如交流电弧炉），按同样办法计算的限值也显得过严。按IEC的规划值例子看（见表3，IEC中对用户谐波分配的总量是以规划值为基础的），对于高压（HV）系统，5次谐波电压取为2%，3次也取为2%，5次和3次的比例为11，高于国标10.6比例；二次谐波取为1.5%，5次和2次的比例为10.75，也高于国标的10.5比例。(2)Si和St的确定Si是用户协议用电容量。它由供用电协议确定，但

10、目前执行中将只能作事故（或检修）备用的设备容量也计算在协议用电容量中是不合理的；St作为供电容量，无论是国标或IEC标准中均未明确取法。但国标中明确Sk是取最小短路容量，即式(1)中的Ih是最小短路容量下的允许值，因此St应按对应方式的取值才是合理的。而实际执行中，有人主张一律都用全部供电设备容量来计算，这样也就导致对用户限制过严的结果，使标准在某些场合下难以执行。IEC对用户的分配是先求谐波电压：(2)再求谐波电流(3)式中Zh为第h次谐波阻抗。显然，利用式（2）、（3）分配理论上较严格，但Zh的确定未作推荐。而国标实际上是采用短路容量Sk换算出来的基波阻抗h倍作为谐波阻抗。这样做便于执行，

11、但有时误差较大。此外，国标中还缺乏在多电源情况下如何确定St的方法。这在IEC61000-3-6中已有规定（本文从略），完全可以借鉴。(3)相位叠加系数表4列出国标中相位叠加系数值和IEC61000-3-6中值的对比。国H35标1.11.2IEC61000-3-6h55101.01.47111313偶次1.41.81.92.05101010101.42.02.02.0从表4看，国标中系数比IEC细化些，但两者没有本质差别。4关于谐波测量问题在国标中对谐波测量仪器准确度的要求和IEC61000-4-7（文献5）的要求相一致。但对负荷变化快的谐波，推荐用下式计算：(4)式中Uhk为3s内第k次测得

12、的h次谐波的方均根值；m为3s内取均匀间隔的测量次数，m6。这个规定来源于较早的文献4，在新近的文献5中并未出现。文献5中将谐波按变化性态分为3类：准稳态（慢变化）谐波；波动谐波；快速变化谐波。标准中对测量这3类谐波用的快速傅立叶变换（FFT）仪器取样窗宽提出了基本的要求（80500ms不等），如表5所列。表5谐波的类型FFT仪器窗宽的基本要求附加要求建议的窗宽Tw/s准稳态0.10.50.32(矩形)窗口间可以有间隔无间隔窗口一半交叠无间隔波动0.40.5(汉宁)快速变化0.080.16(矩形)表5的规定没有在国标中反映。国内的仪器似乎约定俗成，窗宽均取工频的1个周期。这样的仪器在测量一般带

13、有波动性的谐波时会造成附加误差。所谓波动性，系指谐波中含有次谐波（f<50Hz）分量。因为次谐波分量会造成工频1个周期的波形上下偏移，也就是前半周和后半周的大小和形状发生变化，如图1所示。图1工频和次谐波波形的合成如取一个工频周期分析波形3，可以证明除于基波外，还有较大的2次、4次等偶次谐波分量。这种情况在分析电弧炉波形时相当明显。表6列出了一台90t交流电弧炉，用不同窗口宽度（矩形窗）测得的35kV谐波电流值（用英国PA4400高精度电力谐波分析仪，现场实测记录）。可以看出用宽窗口测得的谐波含量明显减小，特别是偶次谐波（2次，4次）。这是因为用宽窗口取样，基波变为高次谐波（例如400m

14、s窗口相当于20个工频周期，则工频为分析结果的20次谐波），主要的次谐波成分（即(1)/(20)次以上）不可能影响基波或更高次谐波的分析结果。因此目前基于1个周期采样的FFT仪器不适用于对变化谐波的分析，特别是对波动或快速变化谐波的分析。表690t交流电弧炉35kV谐波电流值（A）谐波次数1个周期1224.265.3879.5530.1762.9124.8610.52窗口400ms窗1175.630.2268.2510.8054.2916.49口5关于间谐波(interharmonics)国标中没有关于间谐波的规定。实际上，间谐波是由于负载电流的谐波分量和基波分量（50Hz）受调制（即负载电流

15、的幅值、相位或波形发生变化）而产生的，广泛存在于生产中。例如电弧炉负载中含有大量的低于工频的间谐波（又称为次谐波）；相控调制的变频4.9812345711器（又称为循环变流器）也是间谐波源。对于6相变频器，其特征谐波的频率为6(5)式中f1为工频（约50Hz）；f0为输出电压的频率。研究证明，间谐波电压必须限制到足够低的水平1：(1)25Hz以下间谐波应限制到0.2%以下，以免引起灯光闪烁（闪变）；(2)对于音频控制的接收机，间谐波电压应限制到0.3%以下，否则会被干扰；(3)2.5kHz以下的间谐波电压应不超过0.5%，否则会干扰电视机，引起感应式电动机噪声和振动以及低频继电器的异常；(4)

16、2.55kHz的间谐波电压如超过0.3%，则会引起无线电收音机或其它音频设备的噪音。鉴于以上的研究结果，IEC61000-3-6中建议将间谐波电压水平限制到0.2%以下。另外，在工程中如出现间谐波严重放大情况（这在使用无源滤波器场合经常会发生）时，同样会危及设备的安全运行。因此谐波国标中应增加间谐波的标准和测量方面的规定。6对用户限值的分级处理国标中只提出用式（1）对用户谐波电流作限制。在实际执行中有时很不方便。如果对大量小用户均用此法核标，则工作量很大，且有时会限制过严。IEC61000-3-6则对中压和高压系统中畸变负荷的谐波限值分3级处理，执行上方便和灵活多了。此标准中第1级原则上是以用

17、户协议容量Si和公共连接点的短路容量Ssc之比来判断。对于MV系统，Si/Ssc0.1%或Sdw/Ssc0.1%时允许接网（Sdw为“加权畸变容量”，实际上是将用户内部设备按其谐波特性，在容量上作加权处理后的一个综合值）；对HV系统，当Si/Ssc(0.10.4%)时允许接网；对EHV系统，当Si/Ssc(0.1%0.2%)时允许接网。第2级限制原则是基于式（1）结果，和国标规定的相似。第3级是针对高于1级和2级谐波水平的用户，应根据电网和负荷的特点作专门分析研究，采取必要的滤波措施或者适当放宽用户的谐波限值，在确保谐波电压不超过规划值的前提下，可以特许这样的用户接网。7结论IEC61000系

18、列电磁兼容标准即将在国内“等同”采用，国标中涉及此系列标准的很多，GB/T14549-93公用电网谐波就是一例。本文对比分析后认为，谐波国标在下列几方面和IEC有明显差别：(1)电网中各级电压的谐波限值；(2)用户谐波指标的分配；(3)不同变化性态的谐波测量；(4)间谐波限值及其测量；(5)用户谐波限值的分级处理。笔者认为，IEC电磁兼容标准是我国国标制定的基础，但两者是不同性质的标准。目前的国标在合理性、全面性和可操作性上均存在一些问题，因此应在参考IEC相关标准的基础上，结合我国的实践经验作相当的修改和补充。此工作宜早不宜迟，以适应标准的国际化，以利于国内标准的协调和对电网谐波的合理控制。林海雪教授级高工,硕士，电力系统研究所副总工程师，电能质量研究室主任。从事电能质量国家标准制订以及谐波和动态无功补偿装置的研究、开发和工程应用。作者单位：林海雪（国家电力公司电力科学研究院,100085北京清河）参考文献1IEC61000-3-6.Electromagneticcompatibility(EMC)-part3：limits-section6:assessmentofemissionlimitsfor