从IEC电磁兼容标准看电网谐波国家标准

3. 用户谐波指标的分配

表4　相位合成系数α的对比

从表4看，国标中系数α比IEC细化些，但两者没有本质差别。

在国标中用户i的第h次谐波电流的允许值I_hi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。
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
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；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：

(2)

再求谐波电流

(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 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。

成系数α的对比

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 61000-4-7（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 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。

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)

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（80～500ms不等），如表5所列。

表5 FFT仪器窗宽的基本要求

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。

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。

图1　工频和次谐波波形的合成

表6　90t交流电弧炉35kV谐波电流值（A）