从IEC 电磁兼容标准看电网谐波国家标准

futairan

广东安规检测
有限公司提供：

小型摆管淋雨试验机

IPX5X6X7喷水试验机

1000L恒温恒湿箱

各种试验指现货

可程式恒温恒湿试验箱

水平垂直燃烧机

自动卷线器试验机

耐划痕试验机

各种灯头量规现货

灼热丝试验机现货

GB1002插头量规

IPX1-X7淋雨现货

IEC61347/UL935镇流器热试验箱

灯具防风罩

IK冲击试验机

UL498插头插座量规

VDE0620插头插座量规

稳定性试验台

家电温升测试角

针焰试验机现货

热电偶焊机现货

家电125mm试验指

E12灯头量规

无绳壶无绳电熨斗插拔寿命试验机

IEC60335试验指甲

从IEC 电磁兼容标准看电网谐波国家标准
林海雪
国家电力公司电力科学研究院, 100085 北京清河
ON D IFFERENCE BETWEEN NATIONAL STANDARD
AND IEC 61000 STANDARDSOF EMC IN HARMONIC
L in Haixue
Elect ric Pow er Research In st itu te, State Pow er Co rpo rat ion of Ch ina
Beijing, 100085 Ch ina
ABSTRACT　Based on IEC 61000 standards of EMC as
w ell as experiences of imp lement ing nat ional standard GB.T
14549293 (Q uality of elect ric energy supp ly2harmonics in
public supp ly netwo rk) in recent years, th is paper po ints
out some main p roblem s in GB.T 14549293. It is necessary
and emergent to revise the nat ional standard of harmonics.
KEY WORDS　Harmonics　Elect romagnet ic Compat ibility
(EMC) 　N at ional standard
摘要　根据IEC 61000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.T 14549- 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
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.T 14549293《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IEC 61000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。IEC 610002326《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。
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
第23卷第5期
1999年5月
　　　　　　　　　　　　　　
电　网　技　术
Pow er System Techno logy
　　　　　　　　　　　　　　
Vo l. 23 No. 5
M ay　1999
. 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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
h .%
5 6
7 5
11 3. 5
13 3
17 2
19 1. 5
23 1. 5
25 1. 5
> 25
0. 2+ 1. 3.
(2. 5 h)
谐波次数谐波电压
h .%
3 5
9 1. 5
15 0. 3
21 0. 2
> 21 0. 2
谐波次数谐波电压
h .%
2 2
4 1
6 0. 5
8 0. 5
10 0. 5
12 0. 2
> 12 0. 2
　　注: 总谐波畸变THD 为8%。
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 610002326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 610002326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
h .%
MV HV 2EHV
5 5 2
7 4 2
11 3 1. 5
13 2. 5 1. 5
17 1. 6 1
19 1. 2 1
23 1. 2 0. 7
25 1. 2 0. 7
> 25 0. 2+
12. 5
h
0. 2+
12. 5
h
谐波次数谐波电压
h .%
MV HV 2EHV
3 4 2
9 1. 2 1
15 0. 3 0. 3
21 0. 2 0. 2
> 21 0. 2 0. 2
谐波次数谐波电压
h .%
MV HV 2EHV
2 1. 6 1. 5
4 1 1
6 0. 5 0. 5
8 0. 4 0. 4
10 0. 4 0. 4
12 0. 2 0. 2
> 12 0. 2 0. 2
　　　　　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 h i
用下式计算:
　　　　I h i= I h (S i
.S
t) 1.A (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; A为相位叠加系数。
在IEC 610002326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
S ′
k
S k
。
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
第23卷第5期电　网　技　术65
. 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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
S i 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:
　　　　　U h i= U h (S i
.S
t) 1.A (2)
再求谐波电流
　　　　　I h i= U h i
.Z
h (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IEC 610002326中已有规定(本文从
略) , 完全可以借鉴。
(3) 相位叠加系数A
表4 列出国标中相位叠加系数A值和IEC
610002326中A值的对比。
表4　相位合成系数A的对比
国　　标IEC 610002326
H A h A
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A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
610002427 (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:
　　　　　U h=
1
m
6
m
h= 1
(U hk ) 2 (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～ 500m s
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Tw
.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。
1为工频波形; 2为次谐波波形; 3为合成波形
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PA 4400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
66 Pow er System Techno logy Vo l. 23 No. 5
. 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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 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
400m s 窗口1175. 6 30. 22 68. 25 10. 80 54. 29 16. 49 4. 98
5　关于间谐波( in terharmon ics)
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 ]
　　f h= (6k±1) f 1±mf 0
k= 1, 2, ., ; 　m = 0, 1, 2. (5)
式中　f 1为工频(约50Hz) ; f 0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 610002326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。IEC
610002326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
IEC 61000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.T
14549293《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。
8　参考文献
1　IEC 610002326. Electromagnetic compatibility (EMC) 2part 3: lim2
its2section 6: assessment of em ission lim its fo r disto rting loads in
MV and HV power system s2basic EMC publication. 1996- 10
2　Wo rk ing Group 36. 05 C IGRE. Equipment p roducing harmonics
and conditions governing their connection to themains power sup2
p ly. Electra, 1989 (124)
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
(下转第72页con tinued on page 72)
第23卷第5期电　网　技　术67
. 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
要一个运行状态, 即需要稳态分析。所以电压稳定
问题要用到5种分析方法: 准(伪) 稳态分析、小干扰
分析、分叉分析、能量函数法及数值仿真方法。
(9) 关于电压稳定研究中的重要因素。普遍认
为, 研究电压稳定的限制因素是负荷特性、电源参
数和线路传输能力。具体地说, 它包括带负荷自动
调节分节头变压器、发电机励磁极限、发电机及线
路保护和负荷动态等。有的专家认为, 系统特性是
基本条件, 在系统电压较高的情况下, 一般不会有
问题, 但当输电网受端无功过补偿且当电压比较高
时, 就有可能出现电压崩溃。在系统无功较缺乏和
系统联系较弱时, 负荷特性则是关键, 电压稳定主
要受负荷状态变量的影响。
(10) 关于电压稳定研究与电力工业的关系问
题。专家们一致认为, 在研究电压稳定机理的同时,
应该充分关注工业界的需求。
首先要解决的是分析工具, 它应具备如下功
能: 给出定量的电压稳定裕量; 预测复杂网络中的
电压崩溃; 确定由电压不稳定.电压崩溃所限定的
传输功率极限; 识别对电压不稳定敏感的弱电压点
或弱电压区; 能决定临界电压水平; 能识别影响电
压不稳定.电压崩溃的关键因素及其灵敏度, 提供
对系统特性的深入认识, 以帮助开发校正性控制。
这里应注意两点, 一是在所开发的静态和动态分析
软件中, 要关注参数问题。在负荷与配电系统等值
方面应做更多的研究; 二是应开发基于EM S. DM S
的电压不稳定.电压崩溃的实时控制(校正性控制
与紧急控制) 软件。软件功能是: ①连续监测运行参
数, 并识别电压最脆弱的母线和地区; 可能造成电
压崩溃的预想事故; 记录各种不同运行方式下上述
问题的情况。②当关键性母线上的电压变化率以及
传输界面上的传输功率超过整定值时推出报警画
面。③能识别并排序能预防电压崩溃的校正性控制
策略。
其次, 制订电压稳定的规划与运行导则。内容
包括: 无功实偿优化配置, 即何地安装哪类、多少容
量的无功源; 无功储备和稳定裕度的确定; 线路保
护、发电机保护与系统要求之间的协调; 如何使用
发电机的励磁调节器; 系统调度人员操作指南。
第三, 预防电压崩溃的措施。如低电压甩负荷;
闭锁带负荷自动调节分接头变压器; 投切电容器;
大型电动机使用管理; 负荷控制等。
与会代表希望国家电力公司支持电压2无功的
机理研究, 公司业务管理部门应对全国运行部门提
出适当要求: 如测量和建立各个电网的负荷模型;
进行本电网的电压稳定分析; 在系统中安装电压长
过程监测装置、系统振荡监测装置和基于全球定位
系统(GPS) 的角度监测装置, 为认识电力系统失稳
的过程、机理及检验分析方法和分析工具提供必要
的现场数据。
这次研讨会时间虽短, 但涉及的问题却不少。
会议的形式好, 开得活跃、热烈, 也有一定争论, 体
现了百家争鸣的精神。会议的内容新, 电压2无功是
国内外专家都很瞩目的问题, 出席会议的专家学者
知名度高, 影响大。会议开得又很及时。因此这次研
讨会对今后电压和无功的研究及电力系统运行必
将产生积极影响。
(柏)
(上接第63页con tinued from page 63)
码性能指标, 以适应电力系统发展SDH 光通信和
SDH 数字微波通信的需要。