從IEC電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)看電網(wǎng)諧波國家標(biāo)準(zhǔn)

1、從IEC電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)看電網(wǎng)諧波國家標(biāo)準(zhǔn)1概述禮經(jīng)電器目前，由于非線性負(fù)荷（例如晶閘管電力電了裝置、電弧爐、家用電器等）對電網(wǎng)的諧波“污染弔益嚴(yán)重，已引發(fā)電網(wǎng)不少杲常和事故（例如電機(jī)的燒損，電度計量不準(zhǔn)，電容器組不能正常投運，繼電保護(hù)和自動裝置誤動跳閘進(jìn)而引起系統(tǒng)人面積停電事故等）。合理控制諧波不僅對電網(wǎng)，而且對廣人用戶均具有重要意義。1993年我國頒布電能質(zhì)量系列標(biāo)準(zhǔn)之一的國標(biāo)GB/T14549-93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波,對于公用電網(wǎng)各級（380V220kV）諧波電壓限值以及對用戶的諧波電流指標(biāo)分配作出了規(guī)定，還規(guī)定了測量儀器和測量方法以及相關(guān)的計算。標(biāo)準(zhǔn)頒布以來，電力部門以此為依據(jù)，實施對電

2、網(wǎng)諧波的控制和管理，取得了不少成績。但執(zhí)行中也發(fā)現(xiàn)一些缺點和不足。近年來國際電工委員會（IEC）陸續(xù)發(fā)布了IEC61000系列電磁兼容（EMC）標(biāo)準(zhǔn)。我國國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局已決定在國內(nèi)“等同采用，并將陸續(xù)頒布實施。本文主要根據(jù)這套標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)諧波的規(guī)定,并結(jié)合執(zhí)行國標(biāo)的經(jīng)驗來分析國標(biāo)中存在的主要問題，指出進(jìn)行修訂的必要性和緊迫性。2關(guān)于電網(wǎng)各級電壓的諧波限值各級電壓的諧波限值是諧波標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，國標(biāo)中的規(guī)定見表loIEC61000-3-6中壓和高壓電力系統(tǒng)中畸變負(fù)荷發(fā)射限值的評估中對系統(tǒng)電壓Un等級劃分作了如下規(guī)定：表1我國公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值電網(wǎng)標(biāo)稱電壓/kV電壓總諧波畸變率/%各次諧

3、波電壓含有率/%奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.6104.03.21.6353.02.41.2663.02.41.21102.01.60.8低壓(LV)：UnlkV中壓(MV):lkVUn35kV高用（MJ:35kWui023OkV超髙壓（EHV）:230kVvun用以上“粗線務(wù)電樂等級劃分對LV和MV系統(tǒng)中諧波電爪戲容值的規(guī)定見農(nóng)2.表2LV和、IV系統(tǒng)中諧波電壓兼容值uu210.2100.5191.5120.2231.5120.2251.5250.2+1.3-(2.5h)FS:Page注：總諧波畸變THD為8%o對比表1和表2可以看出：(l)IEC的規(guī)定對諧波次數(shù)比較重

4、視。將不同次的諧波作不同的規(guī)定,此比國標(biāo)要細(xì)得多。從IEC的規(guī)定看，諧波次數(shù)較高的諧波電壓限值要嚴(yán)于（低于）諧波次數(shù)較低的限值，而“3的倍數(shù)次諧波限值要嚴(yán)于（低于廣非3的倍數(shù)”次諧波限值。這些規(guī)定總體上和負(fù)荷產(chǎn)生的諧波水平相符合。對于電壓總諧波畸變率（THD）,IEC為8%,而國標(biāo)最人為5%（低壓）。這個差別較人，相應(yīng)地也表現(xiàn)在單次諧波的限值上。將THD定為8%,當(dāng)時在國外是有爭論的。有的專家認(rèn)為，如將這么高的諧波電壓疊加到供電電壓上，一些裝置（例如基于現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)制造的電容器）可能會過載，因此采用THD為8%要待相當(dāng)長時間（1020年）后才有可能。這是10年前的爭論意見。目前看來，將中、低壓

5、諧波電壓THD限值提高，向8%靠攏是人勢所趨。但要改變國標(biāo)5%的規(guī)定則應(yīng)進(jìn)-步調(diào)研。一些電工產(chǎn)品（或裝置）承受諧波的標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)作相應(yīng)的調(diào)整后才有可能。須指出，IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)是為協(xié)調(diào)各國電磁干擾方面的標(biāo)準(zhǔn)而制定的一個參考值（即兼容值），它是制定各國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。例如，電能質(zhì)量中諧波標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以IEC61000-3-6等規(guī)定為基礎(chǔ)，其允許值不應(yīng)超過兼容值，比兼容值?。ɑ驀?yán)）一些，留有一點裕度是正常的，以確保不造成過人的諧波干擾；制定電氣設(shè)備耐受諧波干擾的標(biāo)準(zhǔn)時，就不能低于兼容值，而應(yīng)略人些，以使設(shè)備有足夠的抗擾能力。IEC61000-3-6中還提出諧波的“規(guī)劃直，概念?！耙?guī)劃值”等于或低于兼

6、容值，由電力企業(yè)根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和其它條件確定，以作為企業(yè)內(nèi)部質(zhì)量目標(biāo)值（即實際控制依據(jù)）。表3為諧波電壓規(guī)劃值的一個例子。由表可見，在“規(guī)劃值”中，高壓的諧波值要嚴(yán)于中壓值，中壓的諧波值要嚴(yán)于中、低壓兼容值。這主要考慮了諧波傳遞的影響，這同制定國標(biāo)時的思路是人體相符合的。奇次諧波（非3的倍數(shù)）奇次諧波（3的倍數(shù)）偶次諧波諧波次數(shù)諧波電壓諧波次數(shù)諧波電壓諧波次數(shù)諧波電壓h/%h/%h/%MVHVEHVMVHVEHVMVHV-EHV55234221.61.574291.214111131.5150.30.360.50.5132.51.5210.20.280.40.4171.61210.20.2100

7、.40.4191.21120.20.2表3MV,HV和EHV系統(tǒng)中諧波電壓規(guī)劃值231.20.7120.20.2251.20.725注：總諧波畸變率THD,中壓網(wǎng)為6.5%,高壓網(wǎng)為3%?？傊荒馨袸EC制定的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)作電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，兩者既有聯(lián)系也有區(qū)別，概念上應(yīng)分清楚。3用戶諧波指標(biāo)的分配在國標(biāo)中用戶i的第h次諧波電流的允許值“用下式計算：gnsjsy式中Ih為公共連接點(PCC)上總的第h次諧波電流允許值；&為第i個用戶的用電協(xié)議容量；&為公共連接點的供電設(shè)備容量；a為相位疊加系數(shù)。在IEC61000-3-6中推薦了兩種方法，一種方法基本同式(1)。但在-些量的處理上國標(biāo)和IEC

8、是有些差別的。(1)關(guān)于Ih的確定在諧波國標(biāo)中，Ih根據(jù)3個條件確定：各級諧波電壓限值；扣除上級對本級的傳遞影響；3）規(guī)定基準(zhǔn)短路容量Sk,并以此為基礎(chǔ)，用簡化公式推導(dǎo)系統(tǒng)等值電&抗。若實際短路容量Sk和Sk不同，則電流限值乘以瓦。如表1所列，國標(biāo)中將諧波電壓按奇次和偶次分兩人類，偶次諧波電壓為奇次的0.5倍。在按上述3個條件計算Ih時，對于3的倍數(shù)奇次諧波（例如3,9,15.）還乘上系數(shù)0.6,即按接近于偶次諧波電壓限值來對待。這對于特征諧波為3次的用戶（例如交流電弧爐，電氣化鐵道）的限值就顯得過嚴(yán)。同樣，電網(wǎng)中還有特征諧波為2次的用戶（例如交流電弧爐），按同樣辦法計算的限值也顯得過嚴(yán)。按I

9、EC的規(guī)劃值例子看（見表3,IEC中對用戶諧波分配的總量是以規(guī)劃值為基礎(chǔ)的）,對于高壓（HV）系統(tǒng)，5次諧波電壓取為2%,3次也取為2%,5次和3次的比例為1：1,高于國標(biāo)1:0.6比例；二次諧波取為1.5%,5次和2次的比例為1:0.75,也高于國標(biāo)的1:0.5比例。（2）&和&的確定Si是用戶協(xié)議用電容量。它由供用電協(xié)議確定，但目前執(zhí)行中將只能作事故（或檢修）備用的設(shè)備容量也計算在協(xié)議用電容量中是不合理的；St作為供電容量，無論是國標(biāo)或IEC標(biāo)準(zhǔn)中均未明確取法。但國標(biāo)中明確Sk是取最小短路容量，即式中的h是最小短路容量卜的允許值，因此,應(yīng)按對應(yīng)方式的取值才是合理的。而實際執(zhí)行中，有人主張一

10、律都用全部供電設(shè)備容量來計算，這樣也就導(dǎo)致對用戶限制過嚴(yán)的結(jié)果，使標(biāo)準(zhǔn)在某些場合下難以執(zhí)行。IEC對用戶的分配是先求諧波電壓：久=3（S/SW再求諧波電流lhi=UhJZh式中Zh為第h次諧波阻抗。顯然，利用式（2）、（3）分配理論上較嚴(yán)格，但Zh的確定未作推薦。而國標(biāo)實際上是采用短路容量Sk換算出來的基波阻抗h倍作為諧波阻抗。這樣做便于執(zhí)行，但有時誤差較人。此外，國標(biāo)中還缺乏在多電源情況下如何確定&的方法。這在IEC61000-3-6中已有規(guī)定（本文從略），完全可以借鑒。相位疊加系數(shù)a表4列出國標(biāo)中相位疊加系數(shù)a值和IEC61000-3-6中a值的對比。國標(biāo)IEC61000-3-6Haha3

11、1.1102.0131.9102.0913偶次2.0102.0從表4看，國標(biāo)中系數(shù)a比IEC細(xì)化些，但兩者沒有本質(zhì)差別。4關(guān)于諧波測量問題在國標(biāo)中對諧波測量儀器準(zhǔn)確度的要求和IEC61000-4-7（文獻(xiàn)5）的要求相-致。但對負(fù)荷變化快的諧波，推薦用下式計算：式中Uhk為3s內(nèi)第k次測得的h次諧波的方均根值；m為3s內(nèi)取均勻間隔的測量次數(shù)，m6o這個規(guī)定來源于較早的文獻(xiàn)4,在新近的文獻(xiàn)5中并未出現(xiàn)。文獻(xiàn)5中將諧波按變化性態(tài)分為3類：準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)（慢變化）諧波;波動諧波；快速變化諧波。標(biāo)準(zhǔn)中對測量這3類諧波用的快速傅立葉變換（FFT）儀器取樣窗寬提出了基本的要求（80500ms不等）,如表5所列。表5

12、FFT儀器窗寬的基本要求諧波的類型建議的窗寬Tw/s附加要求準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)0.10.5窗口間可以有間隔波動0.32（矩形）0.40.5（漢寧）無間隔窗口一半交疊快速變化0.080.16（矩形）無間隔表5的規(guī)定沒有在國標(biāo)中反映。國內(nèi)的儀器似乎約定俗成，窗寬均取工頻的1個周期。這樣的儀器在測量一般帶有波動性的諧波時會造成附加誤差。所謂波動性，系指諧波中含有次諧波（f50Hz）分量。因為次諧波分量會造成工頻1個周期的波形上下偏移，也就是前半周和后半周的人小和形狀發(fā)生變化，如圖1所示。圖工頻和次諧波波形的合成如取-個工頻周期分析波形3,可以證明除于基波外,還有較人的2次、4次等偶次諧波分量。這種情況在分析電弧

13、爐波形時相當(dāng)明顯。表6列出了一臺90t交流電弧爐，用不同窗口寬度（矩形窗）測得的35kV諧波電流值（用英國PA4400高精度電力諧波分析儀，現(xiàn)場實測記錄）。可以看出用寬窗口測得的諧波含量明顯減小，特別是偶次諧波（2次，4次）。這是因為用寬窗口取樣，基波變?yōu)楦叽沃C波（例如400ms窗口相當(dāng)于20個工頻周期，則工頻為分析結(jié)果的20次諧波），主要的次諧波成分（即（1）/（20）次以上）不可能影響基波或更高次諧波的分析結(jié)果。因此目前基于1個周期采樣的FFT儀器不適用于對變化諧波的分析，特別是對波動或快速變化諧波的分析。表690t交流電弧爐35kV諧波電流值（A）諧波次數(shù)123457111個周期窗口12

14、24.265.3879.5530.1762.9124.8610.52400ms窗口1175.630.2268.2510.8054.2916.494.985關(guān)于間諧波(inteihaimonics)國標(biāo)中沒有關(guān)于間諧波的規(guī)定。實際上，間諧波是由于負(fù)載電流的諧波分量和基波分量（50Hz）受調(diào)制（即負(fù)載電流的幅值、相位或波形發(fā)生變化）而產(chǎn)生的，廣泛存在于生產(chǎn)中。例如電弧爐負(fù)載中含有人量的低于工頻的間諧波（又稱為次諧波）；相控調(diào)制的變頻器（又稱為循壞變流器）也是間諧波源。對于6相變頻器，其特征諧波的頻率為心A=61）/1W/0&=1,2,加=0,1,2（5）式中fi為工頻（約50Hz）；fb為輸出電壓

15、的頻率。研究證明，間諧波電壓必須限制到足夠低的水平:（l）25Hz以下間諧波應(yīng)限制到0.2%以下，以免引起燈光閃爍（閃變）;對于音頻控制的接收機(jī)，間諧波電壓應(yīng)限制到0.3%以下，否則會被十?dāng)_；2.5kHz以下的間諧波電壓應(yīng)不超過0.5%,否則會干擾電視機(jī)，引起感應(yīng)式電動機(jī)噪聲和振動以及低頻繼電器的杲常；2.55kHz的間諧波電壓如超過0.3%,則會引起無線電收音機(jī)或其它音頻設(shè)備的噪音。鑒于以上的研究結(jié)果，IEC6100036中建議將間諧波電壓水平限制到0.2%以F。另外，在工程中如出現(xiàn)間諧波嚴(yán)重放人情況（這在使用無源濾波器場合經(jīng)常會發(fā)生）時，同樣會危及設(shè)備的安全運行。因此諧波國標(biāo)中應(yīng)增加間諧波

16、的標(biāo)準(zhǔn)和測量方面的規(guī)定。6對用戶限值的分級處理國標(biāo)中只提出用式（1）對用戶諧波電流作限制。在實際執(zhí)行中有時很不方便。如果對大量小用戶均用此法核標(biāo)，則工作量很人,且有時會限制過嚴(yán)。IEC61000-3-6則對中壓和高壓系統(tǒng)中畸變負(fù)荷的諧波限值分3級處理，執(zhí)行上方便和靈活多了。此標(biāo)準(zhǔn)中第1級原則上是以用戶協(xié)議容量5和公共連接點的短路容量Ssc之比來判斷。對于MV系統(tǒng),Si/Ssc0.1%或Sdw/Sm.l%時允許接網(wǎng)(Sdw為“加權(quán)畸變?nèi)萘?，實際上是將用戶內(nèi)部設(shè)備按其諧波特性，在容量上作加權(quán)處理后的一個綜合值)；對HV系統(tǒng)，當(dāng)S/SscW(O.l0.4%)時允許接網(wǎng)；對EHV系統(tǒng)，當(dāng)St/SscO

17、.l%0.2%)時允許接網(wǎng)。第2級限制原則是基于式(1)結(jié)果，和國標(biāo)規(guī)定的相似。第3級是針對高于1級和2級諧波水平的用戶，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)和負(fù)荷的特點作專門分析研究，采取必要的濾波播施或者適當(dāng)放寬用戶的諧波限值，在確保諧波電壓不超過規(guī)劃值的前提卜，可以特許這樣的用戶接網(wǎng)。7結(jié)論IEC61000系列電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)即將在國內(nèi)“等同釆用，國標(biāo)中涉及此系列標(biāo)準(zhǔn)的很多，GB/T14549-93公用電網(wǎng)諧波就是一例。本文對比分析后認(rèn)為，諧波國標(biāo)在下列幾方面和IEC有明顯差別:電網(wǎng)中各級電壓的諧波限值；用戶諧波指標(biāo)的分配；不同變化性態(tài)的諧波測量；間諧波限值及其測量；(5)用戶諧波限值的分級處理。筆者認(rèn)為，IEC電磁

18、兼容標(biāo)準(zhǔn)是我國國標(biāo)制定的基礎(chǔ)，但兩者是不同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。目前的國標(biāo)在合理性、全面性和可操作性上均存在一些問題，因此應(yīng)在參考IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的實踐經(jīng)驗作相當(dāng)?shù)男薷暮脱a充。此工作宜早不宜遲，以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的國際化，以利于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)和對電網(wǎng)諧波的合理控制。林海雪教授級高工,碩士，電力系統(tǒng)研究所副總工程師，電能質(zhì)量研究室主任。從事電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)制訂以及諧波和動態(tài)無功補償裝置的研究、開發(fā)和工程應(yīng)用。作者單位：林海雪(國家電力公司電力科學(xué)研究院,100085北京清河)參考文獻(xiàn)1IEC61000-3-6.Electromagneticcompatibility(EMC)-pait3：limits-section6:assessmentofemissionlimitsfordistortingloa