从IEC电磁兼容标准看电网谐波国家标准

北极星电力网技术频道作者:电力论文3 2007/12/24 18:45:14

关键词: 电磁兼容电网国家标准

摘　要　根据IEC61000系列电磁兼容（EMC）标准，结合我国近几年来执行公用电网谐波国标（GB/T14549-93）的经验，阐述了国标中存在的一些问题，并指出了对谐波国标修订的必要性和紧迫性。

　　关键词　谐波　电磁兼容　标准

ONDIFFERENCEBETWEENNATIONALSTANDARD
ANDIEC61000STANDARDSOFEMCINHARMONIC

LinHaixue
ElectricPowerResearchInstitute,StatePowerCorporationofChina
Beijing,100085China

　　ABSTRACT　BasedonIEC61000standardsofEMCaswellasexperiencesofimplementingnationalstandardGB/T14549-93(Qualityofelectricenergysupply-harmonicsinpublicsupplynetwork)inrecentyears,thispaperpointsoutsomemainproblemsinGB/T14549-93.Itisnecessaryandemergenttorevisethenationalstandardofharmonics.

　　KEYWORDS　Harmonics　ElectromagneticCompatibility(EMC)　Nationalstandard

1　概述

　　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（380V～220kV）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U_n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 /kV	电压总谐波畸变率 /	各次谐波电压含有率/
奇　　次	偶　　次
0.38	5.0	4.0	2.0
6	4.0	3.2	1.6
10	4.0	3.2	1.6
35	3.0	2.4	1.2
66	3.0	2.4	1.2
110	2.0	1.6	0.8

　　^.　低压(LV)：U_n≤1kV
^.　中压(MV)：1kV<U_n≤35kV
^.　高压(MV)：35kV<U_n≤230kV
^.　超高压(EHV)：　　230kV<U_n
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2　LV和MV系统中谐波电压兼容值

奇次谐波（非3的倍数）		奇次谐波（3的倍数）		偶次谐波
谐波次数	谐波电压	谐波次数	谐波电压	谐波次数	谐波电压
h	/	h	/	h	/
5	6	3	5	2	2
7	5	9	1.5	4	1
11	3.5	15	0.3	6	0.5
13	3	21	0.2	8	0.5
17	2	＞21	0.2	10	0.5
19	1.5			12	0.2
23	1.5			＞12	0.2
25	1.5
＞25	0.2 1.3^.
＞25	(2.5h)

　　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(10～20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　MV，HV和EHV系统中谐波电压规划值

奇次谐波(非3的倍数)				奇次谐波(3的倍数)				偶次谐波
谐波次数		谐波电压		谐波次数		谐波电压		谐波次数		谐波电压
h		/		h		/		h		/
	MV		HV-EHV		MV		HV-EHV		MV		HV-EHV
5	5		2	3	4		2	2	1.6		1.5
7	4		2	9	1.2		1	4	1		1
11	3		1.5	15	0.3		0.3	6	0.5		0.5
13	2.5		1.5	21	0.2		0.2	8	0.4		0.4
17	1.6		1	＞21	0.2		0.2	10	0.4		0.4
19	1.2		1					12	0.2		0.2
23	1.2		0.7					＞12	0.2		0.2
25	1.2		0.7
＞25

　　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I_hi用下式计算：

(1)

式中　I_h为公共连接点（PCC）上总的第h次谐波电流允许值；S_i为第i个用户的用电协议容量；S_t为公共连接点的供电设备容量；α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I_h的确定
在谐波国标中，I_h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S_k，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S^′_k和S_k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个条件计算I_h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1∶1，高于国标1∶0.6比例；二次谐波取为1.5，5次和2次的比例为1∶0.75，也高于国标的1∶0.5比例。
(2)S_i和S_t的确定
Si是用户协议用电容量。它由供用电协议确定，但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；S_t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S^′_k是取最小短路容量，即式(1)中的I_h是最小短路容量下的允许值，因此S_t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　Z_h为第h次谐波阻抗。
显然，利用式（2）、（3）分配理论上较严格，但Z_h的确定未作推荐。而国标实际上是采用短路容量S^′_k换算出来的基波阻抗h倍作为谐波阻抗。这样做便于执行，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S_t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α
表4列出国标中相位叠加系数α值和IEC61000-3-6中α值的对比。

表4　相位合成系数α的对比

[FS:PAGE]

国　　标	IEC61000-3-6
H	α	h	α
3	1.1	＜5	1.0
5	1.2	5～10	1.4
7	1.4	5～10	1.4
11	1.8	＞10	2.0
13	1.9	＞10	2.0
9＞13偶次	2.0	＞10	2.0

　　从表4看，国标中系数α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　U_hk为3s内第k次测得的h次谐波的方均根值；m为3s内取均匀间隔的测量次数，m≥6。
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：①准稳态（慢变化）谐波；②波动谐波；③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（80～500ms不等），如表5所列。

表5　FFT仪器窗宽的基本要求

谐波的类型	建议的窗宽T_w/s	附加要求
准稳态	0.1～0.5	窗口间可以有间隔
波动	0.32(矩形) 0.4～0.5(汉宁)	无间隔窗口一半交叠
快速变化	0.08～0.16(矩形)	无间隔

　　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400ms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6　90t交流电弧炉35kV谐波电流值（A）

谐波次数	1	2	3	4	5	7	11
1个周期窗口	1224.2	65.38	79.55	30.17	62.91	24.86	10.52
400ms窗口	1175.6	30.22	68.25	10.80	54.29	16.49	4.98

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)2.5～5kHz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级原则上是以用户协议容量S_i和公共连接点的短路容量S_sc之比来判断。对于MV系统，S_i/S_sc≤0.1或S_dw/S_sc≤0.1时允许接网（S_dw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S_i/S_sc≤(0.1～0.4)时允许接网；对EHV系统，当S_i/S_sc≤(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

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[3]　林海雪，周胜军.电气化铁路的谐波标准问题.城市供电学术年会论文集，C-05，1998
[4]　WorkingGroup36.05.Harmonics,characteristicparameters,methodsofstudy,estimatesofexistingvaluesinthenetwork.CIGRE,Electra，1981(77)
[5]　IEC61000-4-7.Electromagneticcompatibility(EMC)-part4:testingandmeasurementtechnigues-section7:generalguideonharmonicsandinterharmonicsmeasurementsandinstrumentation,forpowersupplysystemsandequipmentconnectedthereto,1991-07
[6]　孙树勤，林海雪.干扰性负荷的供电.北京：中国电力出版社，1996

来源：中国电能质量

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