谐波标准评述

解绍锋1,2，李群湛1

（1.西南交通大学电气工程学院，四川成都610031；2.铁道第一勘察设计院电化处，陕西西安710043）摘

要：通过对关于谐波的三个国际标准和技术文件——

IEC61000-3-6、G5/4和IEEEStd519-1992从几个方面进行了对比分析，包括系统规划水平、用户谐波发射限值的分配方法、评估方法和电力系统谐波阻抗，为掌握目前国际上谐波标准的发展动向提供帮助，为提高我国谐波标准的科学性提供参考。

关键词：谐波；IEC61000-3-6；G5/4；IEEEStd519-1992

0引言

随着电力电子技术的迅速发展，特别是冶金、电力牵引和高压直流输电等领域采用大功率电力电子器件，产生了大量谐波注入电力系统，使电网中的谐波电压水平逐年增高，并引起了一系列问题，如局部谐波共振、有功损耗加大、并联电容器过热和损坏、计量误差、继电保护装置误动等。为了保证系统设备的安全和电网的安全运行，必须对注入电力系统的谐波加以限制，主要手段之一即制定相应谐波标准。

限制电力系统谐波水平主要通过限制用户的谐波发射水平来实现，而限制用户谐波发射水平的依据是相关谐波标准。制定谐波标准时应根据电网的实际情况，并遵循对电网和用户公平的原则。合理的谐波标准能使用户谐波发射水平受到限制，减少谐波的不良影响，保证电网的安全运行，提高供电质量。若制定的标准过于宽松，就可能造成谐波水平严重超过电力系统的承受能力，引起供电质量下降；反之，则可能使非线性用户即使采取技术措施也难以达到制定的标准，造成不必要的浪费。由于目前各国对高压电力系统认识的一致性远低于低压电力系统，因此本文主要针对高压电力系统进行讨论。

目前很多电力电子和电力工程领域的国际组织均成立了专门的机构对谐波进行广泛深入的研究，如国际电工委员会（IEC）、英国电力协会（EA）和美国电气与电子工程师学会（IEEE）。

作为管理谐波国际技术标准的机构，IEC陆续出版了IEC61000电磁兼容系列标准和技术报告，其中涉及中高压电网谐波及其限值的是

IEC61000-3-6[1]，其性质为第3类技术报告。IEC61000-3-6主要以CIGRE的2个文件[2-4]为基础制定而成，其最主要的特点在于设置了电力系统任意一点兼容水平，并指出规划水平要低于兼容水平。我国已经将IEC61000-3-6等同采用为GB/Z17625.4-2000[5]。

英国是对电力系统谐波问题认识比较早的国家之一。英国早在1976年就颁布了EngineeringRecommendationG5/3作为对电力系统谐波限制标准之一[6],为我国和其它国家的谐波标准制定提供了实际经验，具有很大参考价值。我国的GB/T14549-93就是在参考英国的G5/3基础上制定的[7]。另外，英国基于G5/3于2001年正式颁布了EngineeringRecommendationG5/4[8]。与G5/3相比，G5/4在高压电力系统谐波规划值和新用户接入电网的评估方法方面均有所变化。

美国IEEE工业应用协会自1973年起开始制定谐波标准，并于1981年发布了第一版IEEEStd519-1981“IEEEGuideforHarmonicControlandReactiveCompensationofStaticPower

Converters”[9]

。1986年电力工程师协会加入到工业应用协会，并将IEEEStd519-1981由“导则”更新为“推荐惯例”。这就是目前国际上广泛使用的IEEEStd519-1992“IEEERecommendedPracticesandRequirementsforHarmonicControlinElectricalPowerSystems”[10]。

鉴于上述三个有关谐波的技术文件均有比较广泛的应用，具有一定的代表性，因此将这三个谐波技术文件做一比较分析将有利于掌握目前国际上有关谐波的最新研究成果和谐波标准的发展动向，为提高我国谐波标准的合理性提供参考。

1规划水平

1.1IEC61000-3-6

表1IEC61000-3-6总谐波电压畸变率（THD）规划水平

公共连接点（PCC）电压Un≤35kV

35kVTHD

8.0%

6.5%

3.0%

IEC61000-3-6将谐波分为非3倍数奇次谐波、3的倍数奇次谐波和偶次谐波三种，对单次

1

谐波电压含有率均有细致规定，详见文献[1]。1.2G5/4

表2G5/4总谐波电压畸变率（THD）规划水平

PCC电压THD限值

Un=0.4kV5.0%

Un=6.6、11和20kV

4.0%

20kV3.0%

G5/4对单次谐波电压含有率也有详细规定，

参见文献[8]，这一点比G5/3细化。这一规定来源于IEC61000-3-6。1.3IEEEStd519-1992

表3IEEEStd519-1992谐波电压畸变限值

公共连接点母线电压单次谐波电压畸变(%)总谐波电压畸变率(%)

Un≤69kV

3.05.0

69kV1.52.5

1.01.5

IEEEStd519-1992将所有单次谐波一视同仁，规定其含有率为相同值，与IEC61000-3-6和G5/4相比稍显粗略。另外，电力系统异常运行状态下总谐波电压畸变率允许超过限值50%。

从表1～3数据可以看出IEC61000-3-6规定的低压系统THD值较高，而IEEEStd519-1992规定的高压系统THD值较低，G5/4规定的低压系统和高压系统的THD值处于IEC61000-3-6和IEEEStd519-1992之间。与G5/3相比，G5/4对66kV及以下电压等级电网的THD值的规定基本无变化，对66kV以上电压等级电网的THD值由1.5%放宽到3.0%。

2谐波发射限值分配方法

2.1IEC61000-3-6

在用户谐波发射限值的分配原则上，IEC61000-3-6认为由于用户协议容量通常与其承担的电力系统投资份额相一致，所以根据用户协议容量和用户接入电力系统公共连接点处供电容量之比分配发射限值是合理的[11-14]。对于公共连接点的供电容量，IEC61000未做详细规定，这就造成了理解上的误差。目前主要有两种观点：一种认为供电容量一律采用全部供电设备容量计算，用户的备用设备容量也应计入协议容量[11,12]；另一种认为供电容量应按照系统最小短路容量下的供电容量计算，而用户的备用容量不应计入协议容量[13,14]。

IEC61000-3-6指出，在分配用户谐波发射限值时，还应考虑多个谐波源叠加规律。IEC61000-3-6规定的第二种叠加法则中，5次以下谐波为线性叠加，10次以上谐波为正交叠加，5～10次谐波的叠加指数为1.4。另外，当已知谐

2

波可能是同相（即相角差小于90）时，对5次以上谐波应该令叠加指数为1.0。

IEC61000-3-6同时指出同一电网中的多个畸变负荷可能不在同一时刻达到畸变峰值，因此多个畸变负荷之间存在同时率问题。同时系数包括三种：由同一配电变压器供电的中压畸变负荷和低压畸变负荷的同时系数；同一中压系统畸变负荷同时系数；同一高压系统畸变负荷同时系数。根据IEC61000-3-6定义的用户谐波发射限值分配算法，当用户协议容量和用户接入系统的公共连接点处供电容量之比不变时，系统中的畸变负荷之间的同时系数对畸变负荷分配到的谐波发射限值产生影响。考虑畸变负荷之间的同时系数有利于充分利用电力系统的承受谐波能力，对特殊的波动性较强的畸变负荷产生较大影响[15,16]。2.2G5/4

G5/4在对新负荷接入系统进行评估时，未考虑系统公共连接点的供电容量和用户协议容量之间的关系，而是根据系统背景谐波的情况分为两种情况进行评估。当系统背景谐波低于各次谐波规划水平的75%时，如果所有非线性负荷设备总的谐波电流发射低于其规定的限值，则配电公司可以接入用户设备；系统背景谐波高于各次谐波规划水平的75%时，如果预测THD值和5次谐波畸变值小于等于其规定限值，则配电公司可以接入用户设备。

G5/4在计算预测电压畸变过程中，对不同次数谐波的叠加做了一些假设：对5次以下包含5次谐波、三次谐波序列和测量值最大的谐波次数，假设准备接入负荷的谐波与系统背景谐波同相，因此对这些次数谐波求和时应按照线性叠加；对其它各次谐波以及不同相的情况，则假设准备接入负荷的谐波与系统背景谐波的相角差为90º，因此对这些次数谐波求和时应按照正交叠加。

在G5/4的第3级评估中，提出对波动非线形负荷进行谐波评估时应考虑其特殊的时间持续特性，同时提到工程推荐标准P24《交流牵引供电》建议取峰值为1分钟平均值考虑[17]。如果涉及到多个牵引供电点，在与相对稳定的背景谐波水平计算求和之前，对每个供电点谐波影响的评估，应考虑到各个牵引负荷电流配合的程度和谐波分量之间的相位差。

2.3IEEEStd519-1992

IEEEStd519-1992认为谐波电压是谐波电流和系统阻抗的函数，而谐波电流的大小与用户的

〇

数量和容量有关。用户的容量越大则对其限制越严厉，用户容量用系统公共连接点短路电流与用户最大负荷电流之比表示，而单次谐波电流限值表示为最大负荷电流的百分比。

IEEEStd519-1992在用户操作规程建议部分中指出，不同用户注入电力系统的谐波电流具有不同特性，这种差异包括单次谐波电流相角之间的差异和同一时刻各次谐波电流大小的差异。G5/4提出的谐波电流限值已经充分考虑了用户谐波之间的这种差异，使单个用户引起的单次谐波电压最大值不会超过其规定的限值[10]。

由此可见，三个谐波标准均对多谐波源之间的叠加方法和同时特性进行了描述，并在制定限值和评估方法的时候进行了相应的考虑，不同的是考虑的细致程度不同，其中以IEC61000-3-6规定的最为详细。IEC61000-3-6和IEEEStd519-1992均以用户协议容量和系统供电容量为基础对谐波发射限值进行了分配，而G5/4是以用户谐波电流发射最大许可值来对用户进行评估。总体来看，供电容量和协议容量分别取系统最小短路容量下的供电容量和用户实际容量（冷备用容量出外）这种方法更加合理。

3新负荷接入的评估方法

3.1IEC61000-3-6

IEC61000-3-6提出了3级评估法，其目的是把电力系统中各个非线性用户的谐波发射水平限制到规划水平以内。第1级评估是骚扰发射的简化评估，主要针对小容量用户，只要用户容量占系统容量的百分比小于规定值就可以不经谐波核算直接接入电力系统；第2级评估是与实际网络特性有关的谐波发射限值评估，在不能满足1级评估情况下应采用2级评估；第3级评估是在特殊或根据不充足的情况下可接受高的发射限值，这需要用户和供电公司详细协商解决。3.2G5/4

G5/4在非线性用户接入电网时采用的评估程序也遵循三级评估原则。三级评估的目的是使评估过程的详细程度与接入非线性设备的风险程度达到平衡。接入非线性负荷时如果没有采用任何滤波措施，电力系统将存在出现谐波电压水平超出限值的风险。

第1级评估主要针对大量低压230/400V非线性设备，规定了无需详细评估即可接入系统的这些非线性设备的最大容量。对于不能满足第1级评估的非线性设备或者连接到33kV及以下系统

的非线性设备需要采用第2级评估。在评估新接入的非线性设备在系统公共连接点处产生的谐波电压畸变之前，需要对电网背景谐波进行测量。预测的谐波电压畸变应小于等于规定限值。对于不能满足第2级评估的非线性设备或者连接到33kV及以上系统的非线性设备需要采用第3级评估。第3级评估中，由用户提供设备的特性，由电力公司使用专门的程序作系统分析确定。第3级评估是规划的最后一级评估。3.3IEEEStd519-1992

IEEEStd519-1992对用户的谐波发射水平进行评估时采用同一标准，只要用户注入系统的谐波电流没有超过规定限值，即可以接入电网。对于同一电压等级下不同容量的非线性用户规定的谐波电流限值也相应不同，这主要由用户连接的公共连接点的短路电流与用户最大负荷电流之比决定。IEEEStd519-1992采用的评估方法与IEC61000-3-6三级评估方法中第2级评估类似。

由此可见，IEC61000-3-6和G5/4均采用了三级评估方法。虽然两者在细节上有所区别，但是总体思路是一致的。而IEEEStd519-1992对所有电力负荷一视同仁，需要满足相应谐波电流限值才能接入电网。由于电力系统中的负荷多种多样，而且特性各不相同，接入电力系统的方式也不尽相同，完全用同一种标准衡量难免造成误差。而3级评估方法执行起来则更加方便和灵活。

4谐波阻抗的计算

4.1IEC61000-3-6

图111kV最严重情况阻抗曲线

IEC61000-3-6在附录A中给出了英国某11kV系统中一个典型的没有大型电容器组成的滤波器的城市变电站的最不利阻抗曲线，如图1所示。图1中阻抗曲线是根据故障水平导出的，从50Hz（基波）到400Hz（8次谐波）时的系统阻抗数值为2倍基波阻抗与谐波次数的乘积，大于400Hz时其数值为基波阻抗与谐波次数的乘积。IEC61000-3-6在附录B中还给出了一个在德国使用过的手算中压（MV）网络公共联接点

3

（PCC）处谐波阻抗的例子，计算方法同样比较复杂。4.2G5/4

G5/4在其配套的工程技术报告ETR122中对英国供电系统的谐波阻抗进行了研究。对典型电力系统，谐波频率下的系统阻抗Zh是基波阻抗Z1和谐波次数h的函数：

Zh=khZ1（1）

式中k的取值如表4所示。

表4k的取值

PCC处供电系统电压

谐波次数h≤7

h≤8

h>7h>8

400V

1

0.5

6.6、11、20和22kV

214.3IEEEStd519-1992

IEEEStd519-1992假设电力系统特性可以使用其短路阻抗描述，不考虑电容器的影响。这是一个保守的假设，因为电容器在高频下可以为谐波电流提供低阻抗通路，低频条件下，谐振条件可能导致系统阻抗比假设的短路阻抗偏大。同样对负荷的影响也予以忽略。负荷的最明显的影响是衰减谐振频率附近的振荡，等效为减小从谐波电流源看进去的阻抗。

由于目前对高压电力系统的谐波阻抗的复杂性还处于研究状态，没有一种方法能够提供令人满意的对高压电力系统谐波阻抗的估计值。而谐波电压与谐波电流的准确关系依赖于系统谐波阻抗的准确性，因此，同时规定谐波电压限值和谐波电流限值容易造成两者不能良好的函数匹配。另外系统谐波阻抗与系统特性密切相关，不同电力系统的谐波阻抗特性是不同的，因此不能简单的照搬，而是需要根据实际情况确定系统的谐波阻抗。

5结论

通过对国际上应用比较广泛三个有关谐波的技术文件从几个方面进行了比较，可以得到以下结论：

（1）各国规定的各电压等级系统的谐波发射限值的差距逐渐缩小，对高压电力系统的谐波规划水平的认识趋于一致。

（2）均充分考虑多谐波源之间的叠加规律和波动负荷之间的同时特性，基本认可根据用户协议容量和供电容量分配谐波发射限值，使用户分配到的谐波发射限值更加合理。

（3）采用三级评估方法能够满足评估不同特

性负荷的需要，有利于提高评估效率，减小谐波水平超标的风险。

（4）根据各国电力系统的实际特性，采用适用于本国情况的谐波阻抗计算方法，以提高谐波标准的准确性。

根据国际电工委员会的国际标准国家化和地区化的精神，我国谐波国家标准应结合我国的实际情况，同时应注意与国际谐波标准接轨，注重谐波国家标准的科学性、严肃性和实用性。

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作者简介：

解绍锋（1976－），男，河北定州人，博士，主要研究方向为电能质量和牵引供电系统运行分析。Email：bigaroon@163.com李群湛（1957－），男，河北元氏人，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统分析、牵引供电系统分析和电能质量。Email：lqz3431@263.net

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