谐波标准分析

谐波标准分析

长沙有色冶金设计研究院 蒋麦占

1、引言

本文只讨论工业工厂与建筑物电气系统内的谐波问题，不涉及电力待业的电力系统和铁路牵引，当然它与国家标准有关，“GB/T14549-93，电能质量，公用电网谐波”编写人之一林海雪先生，对该GB/T中存在的问题有全面分析。本文将国际与IEC标准对照，并结合工和设计中有关执行标准的情况提出若干问题进行讨论，希望引起大家关注。因为，谐波日益增多，但对谐波治理的整体概念和标准化管理的认识有许多问题值得探讨，主要表现在：

（1）国家标准不完善，因此什么情况下需要治理，并不明确；

（2）一些单位即使经过谐波治理，GB/T14549-93中也有附录D测量谐波的方法，数据处理及测量仪器，但有关谐波测量的知识并不普及，因此治理的效果究竟如何？由谁来负责验证并判断，是否确已达到治理的预期效果？

（3）在工程设计阶段怎样评估产生谐波的严重程度，如何估算谐波的大小及如何应对？按照市场经济的趋势，谐波治理可以委托专业公司去实施，但是业主在验收时，面对如此很专业化的问题，由谁任作技术参谋呢？这里暂时不谈上述管理问题，先作技术上的一番探讨。本文对上面三个问题的第1个问题——谐波标准进行讨论。主要介绍IEC有关标准（其中有少量已转化成GB）并和GB对比展开讨论。 2、IEC谐波标准所涉及的对象范围

有关谐波的IEC标准是由电磁兼容委员会负责编制，已出版多本标准。有些涉及到电气电子产品，现已为一些产品的谐波量设立发射限值；有些则是为工程即电气系统而编制的标准，例如设立谐波兼容水平时，则是归纳到低频传导骚扰中去的，它和下列骚扰一起讨论：电压波动和闪变、电压暂降和短时中断、不平衡、电源频率变化、50次以下谐波、更高频率（50次谐波以上）的电压分量、直流分量、瞬间过电压等等。 IEC标准在涉及电网谐波问题时，将电网分成两类：工业工厂网和公用网。公用网可以是低压的，例如住宅楼、办公楼；也可以是35KV以下中压的/GB的谐波标准只涉及公用网，而将其电压延伸到66KV及110KV等级，IEC所指的工业电网是指35KV及以下电压等级，但不包括船舶、飞行器、近海平台与铁路的电源系统，因它们有自己的单独标准。

1

3、规定值

3.1 IEC标准的规定值

IEC为电网（公用或工业的）规定的谐波含量是各次谐波电压和总谐波畸变率的兼容水平，现汇总于表1和表2中。 表1 谐波电压的兼容水平（长期效应）

谐波兼容水平（谐波含量）

谐波次数

公用电网

工业工厂电网

1类

2类 3类 5 6 3 6 8 7

5 3 5 7 非3倍11 3.5 3 3.5 5 奇次谐13

3

3 3 4.5 波

2 2 4 17≤ｈ≤49

2.27×17/h-0.27

2.27×2.27×4.5×17/h-0.27

17/h-0.27

17/h-0.5 3

5 3 5 6 3次奇9 1.5 1.5 1.5 2.5 次谐波

15 0.4 0.3 0.4 2 21 0.3 0.2 0.3 1.75 21＜h≤45

0.2 0.2 0.2 1 2 2 2 2 3 4

1 1 1 1.5 偶次谐6 0.5 0.5 0.5 1 波

8

0.5 0.5 0.5 1 0.25×0.5 0.5 1 10≤ｈ≤５０

10/h+0.25

0.25×0.25×1

10/h+0.25 10/h+0.25 总谐波畸变系数8% 5%

8%

10%

（THD）

2

表2 谐波电压的兼容水平（甚短期效应）

1、对公用网K次谐波的兼容水平=K×（表1中的值） K=1.3+0.5/4×（h-5） 总谐波畸变系数THD=11%

2、对工业工厂网1类、3类的各次谐波的兼容水平以及总谐波畸变系数：1.5×（表1中的值）

2类的各次谐波的兼容水平=K×（表1中的值） K=1.3+0.5/4×（h-5）

2类谐波的总谐波畸变系数=8%

谐波的长期效应主要和电缆、变压器、电动机、电容器等的热效应有关，它们中出现的谐波水平的维持时间等于或大于10min。

谐波的甚短期效应主要对谐波敏感的电子设备的骚扰效应有关，维持谐波水平的时间为3S或更短。

表1、表2的数据来自3个IEC的标准，见文献3、4和5。对于工厂的环境，为了简单设计，分为3类，如下： （1）1类

本类适用于带有保护措施的电源，其兼容水平比公用电网的还要低，这涉及那些使用了对电源骚扰很敏感的设备，例如实验室的电气设备，某些自动化和保护设备，某些计算机等（保护措施经常要求有如UPS，滤波器或SPD）。 （2）2类

本类通常适用于工业和其他非公用电网环境中的共同耦合点PCC和工厂内耦合点IPC，兼容水平和公用电网相同，因而设计用于公用电网的部件也可用于工业环境中的本类。

（3）3类

本类只适用于工业环境，对某些骚扰现象有比1、2类更高的兼容水平，例如当有下列条件时，就应考虑为本类：

●　负荷的主要部分是通过了变频器； ●　有焊接机器。

以上只是简单的分类，有时要分析具体工程应用，例如高敏感的设备可能要求更低的兼容水平，而大型高骚扰设备，如电弧炉、变流器，通常由单独的母线供电，可以有大于3类的兼容水平。此外，要取得供用电双方的协议。

3

关于什么是谐波的兼容水平，它的发射水平、抗扰度水平及它们的限值，它们彼此间有什么关系，这在IEC标准中有严格定义和详细说明。它们是构成电磁兼容性的基础，因此本文将在后面详细讨论。 3.2 GB规定的谐波电压

见表3（录自GB/T14549-93的表1） 表3 公用电网谐波电压限值 电网标称电压（KV）

0.38 6-10 35-66 110

电压总谐波畸变

率（%）

5 4 3 2

奇次 4 3.2 2.4 1.6

偶次 2 1.6 1.2 0.8

各次谐波电压

含有率（%）

上述电压限值的定义是什么？该GB正文及附录中并无说明。按理解，既然是对电网而言的，从IEC标准严格的定义上来理解，那就应该是兼容水平，而文献2有理解说GB规定的是发射限值，究竟如何理解，也将在后面分析讨论。 4、各种水平、限值的定义及其相互关系

这是电磁兼容的基本术语，是讨论问题的基础，因此是非常重要的概念。 4.1 电磁骚扰

任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。

谐波是一种电磁骚扰，国内和国外都将骚扰和干扰混用了。按IEC标准的定义，电磁干扰是电磁骚扰引起的装置，设备或系统性能的降低，骚扰表示原因，干扰表示结果，二者不一样。本文将按上述定义用词。 4.2 发射水平

一台设备，例如变频器接在低压电网上，它本身要产生谐波，即将谐波发射到电网中去。各次谐波有不同的量（即不同的骚扰水平），称为发射水平，其定义为：用规定方法测得的由特定装置、设备或系统发射的电弱骚扰水平，不同的设备自然有不同的发射水平。 4.3 发射限值

发射限值定义为：允许的最大发射水平。

4

目前，IEC标准对一些常用设备规定了谐波发射限值，某些标准也已转化成GB，例如，IEC61000-3-2，IEC61000-3-4。变频器的GB就规定了它所产生的谐波成分不能超过标准的规定。

显而易见，产品的发射水平必须低于标准规定的发射限值。 4.4 抗扰度水平

抗扰度水平定义为：按规定的方法注入在特定装置、设备或系统上不会出现性能降低的某给定电磁骚扰的最大水平。

它说明产品的抗扰能力，它是按标准规定的试验方法测定出来。变频器的抗扰度水平的测试方法见文献计献9。 4.5 抗扰度限值

抗扰度限值定义为：要求的最小抗扰度水平。

按照IECPC77（EMC）的安排，有关各种产品的抗扰度限值的规定并不是IEC产品技术委员会的责任。目前是由制造厂家根据该类产品的电磁兼容水平类定。 4.6 电磁兼容水平

对工程设计人员来说这是最重要的且应该清晰地掌握其概念。

前面表1、表2所列的值都是兼容性水平，是工厂和建筑电力系统应该遵守的指标，而有关发射和抗扰水平则是设备（包括装置）应该有的性能指标。

电磁兼容水平是：一个规定的骚扰水平，在这个水平下应具有可以接受的高概率的电磁兼容性。

电磁兼容性是：设备或系统在其电磁环境中能正常工作的能力且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰。

设计工程师的任务就是构成一个正常的电磁环境，对谐波来说即电气系统，在此系统中能容纳需要的会产生谐波的电气设备，其合成的各次谐波水平和总谐波畸变率系数不会超过表1、表2规定的兼容水平。在此兼容水平下，系统中各设备在有规定的抗扰水平时能正常工作，基础是各设备发射的骚扰水平也都在发射限值以下。因此，满足IEC各种有关EMC电磁兼容性指标的电气系统有高概率的正常工作能力（在个别情况还可能有问题）。

5、IEC谐波标准的特点

5.1 按电磁兼容性原则来处理谐波

IEC/T77电磁兼容技术委员会为电磁兼容EMC标准系列建立了一个完整的较大的框架，因为电子系统容易受到各种电磁骚扰，而各种电子装置，例如电力电子装置又常带

5

来各种骚扰，例如谐波骚扰，因此EMC标准愈来愈受重视。处理谐波问题，离不开EMC的基本概念，关于基本概念在上面第4节已作了一个简要介绍。 5.2 将工厂网与公用网区别对待

总的来说，对工厂网中的3类的要求比公用网要宽松（见前面的表1、表2），要确立电网的谐波兼容水平，不但决定于技术，也决定于经济指标，以谐波来说，某工厂电网中如果主要负荷是变流器，这些变流器不可避免地要产生谐波，虽然可以通过各种方案的比较，优先选出谐波量最小的方案，但这是要花代价（例如投资）的，包括在变流器外部采用滤波装置，对这类企业，就应考虑按3类工厂来选定谐波兼容水平，以期降低谐波治理措施的投资，即使在这类企业中还有对谐波骚扰较敏感的自动化仪表系统，也宁可为后者创造有个局部的低骚扰水平的电磁环境增加些投资。应该说，一般而言，后者的投资比降低谐波水平的投资要低；与此相对照的是公用电网例如写字楼的低压电网，大量用电设备是办公自动化、通信等智能建筑用电设备，这些设备数量多，单台容量小，也产生一些谐波，但是设备本身的抗扰能力也偏高，这时选用较低些的谐波兼容水平应该在技术经济上都是合理的方案。

虽然IEC标准对3类的划分没有严格的分界张，实际上也很难严格划分，但毕竟有一个定性的分析，给工程应用提示了方向。对一个企业，如果要求严格或太宽松，可能伤害了电网，也可能伤害了自己。如何把握这个兼容性水平，就是工程技术的关键问题。 5.3 谐波指标和电网电压等级关系不大

IEC标准不讨论超过35KV以上电压等级的谐波问题。对35KV以下电压和低压电网，在谐波指标上对不同电压等级不再有区分，IEC标准对此有解释，只是简单提到和电网的性质（负荷）有关系，这可以理解为：

（1）电网中是否连接有大量产生谐波的设备，例如变流器，其电源电压可以是低压的也可以是中压的（单独的变流变压器，原边电压为中压），这并无区别；

（2）受谐波骚扰长期效应发热影响的设备，如变压器、电动机电容器等，它们对中压和低压也没有多少区别；

（3）受谐波骚扰甚短期效应主要是电子系统受到干扰，该电子系统的工作电压都是比低压还要低的电压，都是通过变压器降低而获得的。因此，对中压和低压而言，差别也是不大的。

5.4 兼容水平落实到各次谐波上而不是只分为奇次和偶次两大项，IEC标准对此来作解释，但可以理解为：

（1）对于计算各次谐波的大小例常见的6脉冲整流器带大电感滤波的，则产生的为

6

电流源谐波。非3倍的奇数次谐波是主要的，它对基波的比值已有规律可循，而变频调速的交流输入侧为二极管整流则带大电容滤波，产生的则为电压源谐波，很多日用电器，如计算机、电视机等属此项，其谐波大小的规律已逐渐明晰，详见文献9、10和11的介绍。

（2）便于测量

因为已有现成的数学基础——博立叶变换对电力系统的非正弦波进行频谱分析成各次谐波，IEC1991年就有了标准，2002年已修编成第2版，“IEC61000-4-7：2002，电磁兼容第4-7部分试验及测量技术——电力系统及设备用谐波及间谐波用测量及仪器通用导则”。

（3）便于对设备的抗扰性进行试验

设备例如变压器的抗扰水平必须经过型式试验验证并在产品说明书中加以公布，而试验需要的设备例如谐波源（谐波发生器）对单一的谐波是较易于获得的，测量也是一样。

（4）便于对谐波进行治理

单次谐波的滤波器便于设计制造和测量验证。 （5）便于验证兼容性水平的合理性

由于电力系统的兼容性水平是位于全部设备的骚扰量和抗扰水平之间的中间值，在前面几个条件的基础上，便于验证兼容性水平的合理性，在工程设计中一般总是先选定兼容性水平的。

5.5 兼容性水平规定值比GB值更宽松 比较表1、表2、表3就知道。

这使大家对谐波的干扰后果的观念明确，如前所述，长期是指谐波持续10min或更长时期，主要引起电气设备发热，甚短期是指3S或更短时间，主要是骚扰电子设备。 6、是谐波电压还是谐波电流 6.1 兼容性水平以谐波电压表示

谐波电压将产生谐波频率的磁通，在铁芯中将产生附加的磁带既然涡流损耗，谐波电压加在谐波阻抗上形成谐波电流将产生附加的铜耗，谐波电压加在电容上还将产生附加的介质损耗，可知危害的根源来自谐波电压；因此IEC标准的兼容性水平只涉及谐波电压而不是指定谐波电流。 6.2 发射值是谐波电流

对单台设备来说，可以规定其谐波电流限值。对低压单相输入电流≤16A的设备已

7

有GB17625.1-2003加以，在日用电器包括家用电器的3G认证中，特别提到了要通过有关电磁兼容性的试验，其中也包括了谐波电流发射值。 6.3 谐波电压和谐波电流可以互相转换吗？

1994年的国家谐波标准中，除了有谐波电压限值外，还规定了谐波电流允许值，可以按不同短路容量进行换算。

这可以理解为某公共连接点某次谐波的总谐波电流Ihx系统谐波阻抗Xh=某次谐波的谐波电压Uh，Uh为规定值。因此允许的Ih和Xh成反比，Xh又和系统的短路容量成反比，这样，允许的Ih和系统的短路容量成正比。但这种推算并不严格，因为某公共连接点内总容抗1/ωc和部分等值感抗ωLP在基波时可以抵消掉，而表现为纯感抗，但推算就愈不准确。可以认为电压等级愈高的网络，容抗部分所占比重相对较高，因此IEC标准只规定谐波电压兼容值，因为单个设备规定了各次谐波电流的发射限值，这两个数值之间有一定的联系，此联系为系统阻抗。IEC标准还明确说明了不能为中压设备规定谐波电流发射限值，因为中压网络的系统阻抗变化范围更大。在我国当前电力网络快速发展期，即使同一中压网络，不同时期还可能有不同阻抗。中压电网由于系统阻抗构成复杂，对某些谐波还可能形成谐振。总之，系统的系统阻抗计算很复杂，详见标准文献12。 7、规划水平

其定义为特定环境中的特定骚扰量水平，采用它作为大负载和装置发射出的骚扰量限值，以便与电力系统中的设备的所有限值互相协调。

规划水平主要涉及中、高压电网，然而谐波骚扰在低压与中压及以上电网中双向传导，因而发射限值的协调和分摊应该考虑到各级电压水平的作用。

IEC对谐波规划值是一个建议值，规划水平应比兼容性水平的量值要低，而且要根据电网的具体情况来确定。 8、间谐波的兼容水平

当谐波的频率与基波频率的比值m不为整数时，就称此谐波为间谐波，当m＜1时也可成为次谐波。IEC认为关于间谐波的电磁骚扰知识尚在开发中，在目前的标准文献4中，关于兼容性水平的规定只涉及到50或60Hz附近的间谐波，这是由于间谐波和基波可以调制电源电压的幅值引起照明灯的闪烁，呈现出的拍打效应，对人是很烦扰的。另外间谐波还可能骚扰电视机。 9、结束语

如何解决这些问题，笔者认为：

8

（1）完善和补充国家标准

首先应仔细研究IEC的有关标准。在研究IEC标准的基础上，完善关于公用网谐波的国家标准。关于工业电网，应该另有指标，它比公用网的限值要宽松。对于公用网，IEC的指标比现行国标的指标也要宽松和完善，值得仔细研究。 （2）设计院与监理公司的工程师如何参与

对工业和建筑电气设计工程师们来说，掌握有关谐波的全部知识和设计技能有委有大的工作量，但下面几点是最低限度的，也是必备的（在有关谐波知识的基础之上）：

●　谐波的工程标准，主要是兼容水平及EMC电磁兼容基本概念；

●　设计工程中谐波骚扰水平的估算：包括单个用电设备谐波发射量和全部设备谐波量的合成，和谐波标准比较后，确定采用谐波治理方案；

●　当必须采用外部的谐波滤波装置时，很可能是委托专业的谐波治理公司来处理，则必需提出基本条件，配合业主处理委托合同中的技术条款，共同确定最优治理谐波方案。

●　谐波滤波工程的验收：包括谐波测量仪器和测量周期的标准化，协助业主进行验证验收。

（3）设计院宜拥有掌握谐波治理技能的骨干

不是每个设计院都会遇上严重的谐波问题，但是工业设计工程中的电弧炉、大量电焊机、变流器等和建筑中有日益增多的气体放电灯、日光灯以及整流电源和PWM电源时就会有谐波问题。 参考文献

1、GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波

2、林海雪，公用电网 谐波国标中的几个问题

3、IEC61000-2-4：2002电磁兼容2-4部分 环境——工厂低频传导骚扰的兼容水平（GB180394-2003对应的是1994年IEC标准9.1版）

4、IEC61000-2：2002电磁兼容2-2部分 环境——公用低压低电系统低频传导骚扰及信号传输的兼容水平（GB18039.3-2003对应的是1990年IEC标准的第1版）

5、IEC61000-2-12：2003电磁兼容2-12部分 环境——公用中压供电系统低频传导骚扰及信号传输兼容水平

6、IEC61000-1-1：1992（已转换成GB/117624.1-1.98）电磁兼容 综述 电磁兼容基本术语和定义

9

的应用与解释

7、IEC61000-3-2：2001（已转换成GB17625.1-2003）电磁兼容限值谐波电流发射值（设备每相输入电流≤16A）

8、IECTR1000-3-4：1998（已转换成GB/Z17625.6-2003）电磁兼容限值对额定限值对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的

9、IEC61800-3：1996（已转换成GB12668.3-2003）调速电力驱动系统 第3部分 EMC产品标准包括特定实验方法

10、潘晨湘，蒋麦占，能用变频器的输入电流及其谐波，电气工程应用，2001（3） 11、王兆安等，谐波抑制和无功功率补偿，北京：机械工业出版社，1998

12、GB/Z17623.4-2000（IEC61000-3-6：1996）中高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估。

本文章摘自《变频世界》2005年第五期

10