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/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
ON DIFFERENCE BETWEEN NATIONAL STANDARD
AND IEC 61000 STANDARDS OF EMC IN HARMONIC
Lin Haixue
Electric Power Research Institute, State Power Corporation of China
Beijing, 100085 China
ABSTRACT Based on IEC 61000 standards of EMC as well as experiences of implementing national standard GB/T 14549-93 (Quality of electric energy supply-harmonics in public supply network) in recent years, this paper points out some main problems in GB/T 14549-93. It is necessary and emergent to revise the national standard of harmonics.
KEY WORDS Harmonics Electromagnetic Compatibility(EMC) National standard
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 14549-93《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。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
/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)： 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. |
|
|
|
|
| (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，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；
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。
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。
表4 相位合成系数α的对比 |
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