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,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。 (2) 再求谐波电流 (3) 式中 Zh为第h次谐波阻抗。 表4 相位合成系数α的对比 |
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 Uhk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。 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。 |
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。 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Si和公共连接点的短路容量Ssc之比来判断。对于MV系统,Si/Ssc≤0.1或Sdw/Ssc≤0.1时允许接网(Sdw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Si/Ssc≤(0.1~0.4)时允许接网;对EHV系统,当Si/Ssc≤(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: 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 [1] IEC61000-3-6.Electromagneticcompatibility(EMC)-part3:limits-section6:assessmentofemissionlimitsfordistortingloadsinMVandHVpowersystems-basicEMCpublication.1996-10 |