从IEC电磁兼容标准看电网谐波国家标准

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。
国标
H
α
3
1.1
5
1.2
IEC 61000-3-6
h
α
＜5
1.0
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 IEC 61000-4-7（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：
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：
(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；α 为相位叠加系数。 在 IEC 61000-3-6 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；
倍数)
偶次谐波
谐波 次数
谐波电 压
谐波 次数
谐波次
谐波电压
谐波电压
数
h
/%
h
/%
h
/%
MV HV-EHV
MV HV-EHV
MV HV-EHV
55 2
34
2
2 1.6 1.5
74 2
9 1.2
1
41
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
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 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 St 的方法。这在 IEC 61000-3-6 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 IEC 61000-3-6 中α值的对比。
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
＞
0.2 0.2 12
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。
0.5
19
1.5
12
0.2
23
1.5
＞12
0.2
25
1.5
＞25
0.2+1.3. (2.5h)
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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，IEC 61000 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 IEC 61000-3-6 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。 IEC 61000-3-6 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
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。IEC 61000-3-6《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 电压总谐波畸变率 各次谐波电压含有率/%
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，IEC 61000-3-6 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
/kV
/%
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)： Un≤1kV . 中压(MV)： 1kV<un≤35kV
. 高压(MV)： 35kV<un≤230kV . 超高压(EHV)： 230kV<un 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 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 1224.2 65.38 79.55 30.17 62.91 24.86 10.52
窗口
400ms 窗 1175.6 30.22 68.25 10.80 54.29 16.49 4.98
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
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 奇次谐波(3 的倍数)
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 S′k 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 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)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 S′k 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。