1、国标 GB/T14549-93电能质量公用电网谐波简介江钧祥安微省电力试验研究所 合肥 230022谐波国家标准是电力工业部(原能源部)根据国家标准局下达的任务而负责制订的。从 1985年起，起草工作组做了大量课题论证工作，同时学习国外的先进经验和联系国内实际，完成了标准的制订，并已于 1994 年 3 月起实施。基于谐波对电容器的影响，实施谐波国标对保证电容器的安全运行有重要意义，为使应用部门对标准有进一步的了解，下面对谐波国标的起草及其依据作一介绍。1 制订谐波国标的目的随着我国经济的发展，现代工业、交通等行业使用的各种换流设备的数量越来越多、其容量亦越来越大，加上电弧炉、家用电器等非线性
2、用电设备接入电网，将其产生的谐波电流注入电网，使公用电网的电压波形发生畸变。电能质量下降，同时威胁电网和包括电容器在内的各种电气设备的安全经济运行。因此，把公用电网的谐波量控制在允许范围内，以保证电能质量，防止谐波对电网和用户的电气设备、各种用电器具造成危害，保持其安全经济运行，并获得良好的社会效益。乃是制订谐波国标的目的。2 制订谐波国标的基本原则2.1 把电网中的电压总谐波畸变率及各次谐波含有率控制在允许的范围内，保证供电质量，使接入电网中用户的各种用电器具免受谐波的危害，保持正常工作。2.2 限制谐波注入电网的谐波电流及其在电网中产生的谐波电压，防止其对电网发供电设备的干扰，保证电网的安
3、全经济运行。2.3 在总结现有经验的基础上，结合我国情况，提出有科学依据和向国际先进标准靠拢的规定，有其科学性、实用性和先进性。3 适用范围适用于交流频率为 50Hz 的标称电压 110kV 及以下公用电网，及其供电的电力用户。对220kV 电网及其供电的电力用户，可参照 110kV 执行。主要原因有：(1)220kV 电网的谐波电压直接受 330kV 或 500kV 电网谐波电压的影响。目前国内外都还没有经验，也没有明确的规定。(2)220kV 电网的输电线路的充电功率较大(每 100km 约 25MVA)，而输电潮流是变化的，控制220kV 电网的谐波还没有成熟的经验。在某些情况下，还难以
4、避免对低次谐波(例如 3、5 次)的放大。(3)直接用 220kV 电压供电的用户数很少。(4)目前许多 220kV 电网使用的电容式电压互感器(CVT)测量谐波电压的误差很大，在没有适当的频率误差补偿时，用于谐波电压的测量，没有实际意义。4 制订谐波国标过程中研究和论证的主要课题制订谐波国标过程中研究和论证的主要课题有：研究国外有关限制电网谐波的标准；谐波源的谐波迭加；各级电网电压总谐波畸变率限值及各次谐波电压含有率限值；用户注入电网的谐波电流允许值；谐波的测量方法及数据的处理；低压电网谐波对电动机的影响；谐波对并联电容器的影响；谐波对继电保护和自动装置的影响；组织有关部门对部分电网的谐波进
5、行实测和普查。5 谐波国标中的几个基本问题5.1 不同谐波源的迭加计算电网谐波电压和电流往往由多个谐波源产生，因而不同谐波源的迭加计算是制订谐波标准的重要基础，当两个谐波源分别产生的不同谐波 Ah及 Bh之间的相位角 h确定时，其合成的同次谐波按余弦定理计算：(1)对于两个谐波源的同次电流 Ih1和 Ih2在一条线路上迭加，当相位角 h已知时，其叠加后的谐波电流 Ih为：(2)但是，在实际电网中，无论是谐波电压或谐波电流的相位关系均有一定的随机性，例如谐波源的基波电压，因受电力系统潮流随机变化的影响，其相位角作随机变化；谐波源工况的变化，导致基波功率因数角作随机变化；谐波源负荷的波形，受到各种
6、随机因素的影响，也会偏离于典型形状，从而造成谐波电流相位角的随机变化。谐波国标起草工作组通过研究，在专题报告中得出，当基波电流相位角变化为正态分布，则其主要谐波电流相位角差角也呈正态分布的近似结论。同时结合系统潮流计算的一些统计结果，考虑参予合成的谐波源一般比较邻近的特点，得出相位角 h不确定时，可按下列公式进行合成计算：(3)式中： kh系数按表 1 选取。表 1 h 3 5 7 11 13 9、13 偶次 kh 1.62 1.28 0.72 0.18 0.08 0 两个谐波源在同一节点上引起的同次谐波电压的迭加计算与上式(2)与(3)类同。谐波国标在研究各级电网电压总谐波畸变率的分布规律时
7、，应用了下式： C2=A2 B2 AB(4)式(4)虽有一定误差，但对于谐波估算还是可用的。必须说明的是，国际大电网会议 3605 工作组所推荐的合成计算式为：Ih=(Ih1 Ih2 )1/(5)式中：系数 按表 2 选取。表 2 h 3 5 7 11 13 h13 1 1 1 1.4 1.4 2 比较式(3)和(5)，可以看出，对于 13 次以上谐波，两者结果是一样的；对于 13 次以下的主要谐波，按式(5)作合成计算，其等值的相角差较小，这样会导致对用户谐波限制较严，国标中未予推荐。5.2 低压电网电压总谐波畸变率允许值低压电网中的电压总谐波畸变率允许值是确定各级中、高压电网电压总谐波畸变
8、率的基础。同时由于绝大多数电气设备都是从低压电网取得电源，所以确定低压电网的电压总谐波畸变率，保证这些电气设备免受谐波的干扰，具有很重要的意义。国标确定低压(0.38kV)的电压总谐波畸变率为 5%，主要根据为：(1)对交流感应电动机，根据定子绕组等值发热条件求出等值负序电压和谐波电压的关系，考虑在正常负序电压 2%的前提下，不显著地缩短电机的寿命，允许电压总谐波畸变率约为 5%。(2)根据电容器的过电压和过电流能力，分析了各次谐波电压和基波电压迭加，使电容器的寿命不致因局部放电和增加发热而显著地缩短，低压电网电压总谐波畸变率应控制在 5%以内。(3)国外有代表性的电子计算机(如：IBM370
9、/145 、IBM430 等等 )，对电源电压总谐波畸变率的要求均为不大于 35%。我国正在制订中的电子计算机机房设计规范( 国标)中， A 级标准电源电压总谐波畸变率的要求为不大于 5%。(4) 固态继电保护装置及运动装置对供电电源电压总谐波畸变率要求为不大于 5%。(5)通过分析国外限制电网谐波的标准亦可认为选取低压电网的电压总谐波畸变率为不大于 5%是比较合适的。5.3 6110kV 各级电网电压总谐波畸变率在分析了国内各电网的典型结构，考虑了上级电网对下级的谐波电压传递，用式(4) 进行了计算分析，得到了 110kV 级的电压总谐波畸变率为 1.8%。因此，国标确定中、高压电网电压总谐
10、波畸变率限值为：610kV 4%35 63kV3%110kV2%上述限值与各国的标准大体上是一致的，根据几年执行暂行规定的经验，基本上能保证电网的安全运行。同时，只要没有较大谐波源，电网的谐波水平通常也不会超过标准，如有较大的谐波源，采取适当措施后，此标准也不难达到。对于各次谐波电压含有率的限值，国标中大体上分为奇次谐波和偶次谐波两大类，后者取为前者的 1/2，而奇次谐波的含有率限值均取 80%总谐波畸变率，上述比例的选取，大体上和电网谐波实测结果相符，同时也使标准数据较为整齐，这样得到的谐波电压限值如表 3 所示。 表 3 公用电网谐波电压(相电压)限值 各次谐波电压含有率(%) 电网标称电
11、压 (kV) 电压总谐波畸变率 (%) 奇 次 偶 次 0.38 5.0 4.0 2.0 6 10 4.0 3.2 1.6 35 66 3.0 2.4 1.2 100 2.0 1.6 0.8 国标中谐波电压以相电压中含量为准。实际测量表明，相电压谐波含量往往大于线电压谐波含量。5.4 用户注入电网的谐波电流允许值要控制电网中的谐波电压，就必须限制谐波源注入电网的谐波电流。国标中，确定允许每个用户注入电网谐波电流值的方法为：(1)先确定谐波源对本级电网引起的总谐波电压允许值。由于各级电网电压总谐波畸变率限值中包含上一级电网传递到本级电网的谐波电压，所以根据谐波迭加原理，要将本级电网电压总谐波畸变
12、限值中，扣除上一级电网传递到本级电网的谐波电压后，才是本级电网谐波引起的总谐波电压值。(2)求得本级谐波源允许引起的总谐波电压后，据此可以求出一个公共连接点注入电网的总谐波电流允许值。国际大电网会议 3605 工作组的报告认为。上级电网对下级电网的谐波电压传递系数约为 1，如考虑网络元件(例如变压器)阻抗，该系数应小于 1；但有时存在谐振放大因素，使传递系数大于 1。国标中取传递系数为 0.8。由于 220kV 电网未给出谐波电压限值，因此特定220kV 对 110kV 电网的谐波电压传递量为：总畸变 0.8%；奇次 0.6%；耦次 0.3%。在同次谐波合成(即由上级电网传递下来和本级谐波源产
13、生的谐波电压值合成)时，均用式(4)。 C2=A2 B2 AB则(6)利用表 3 和式(6)可以求得各级电网由本级谐波源产生的谐波电压限值如表 4 所示。表 4 各级电网谐波源产生的谐波电压限值 各次谐波电压含有率(%) 电网标称电压 (kV) 电压总谐波畸变率 (%) 奇 次 偶 次 0.38 2.6 2.1 1.1 6 10 2.2 1.8 0.9 35 66 1.9 1.5 0.7 100 1.5 1.2 0.6 对 3 次谐波按非特征谐波(偶次谐波)处理，因为若系统中存在较大的 3 次谐波，许多场合会被电容器组放大，可能造成危险的谐波过电压，危及电容器组和其它设备安全运行。但考虑到国内
14、电铁、电弧炉等负荷的 3 次谐波较大，以及目前电力系统的实际情况，在国标中将其比例一律放宽到以 60%奇次谐波电压含有率限值来计算 3 次谐波电流允许值。谐波电流允许值 Ih(A)的计算公式为： (7)式中： Sk(MVA)基准短路容量HRUh(%)第 h 次谐波电压含有率UN(kV)电网标称电压为确定每个用户注入电网的谐波电流允许值，国标起草时曾考虑了二个方案：(1)根据国际大电网会议 3605 工作组提出的方法，即按用户的协议用电容量占本地区电网的供电容量的份额，计算出允许该用户注入电网的谐波电流。(2)将本级电网的谐波源引起的总谐波电压的 50%留给小用户，其余的 50%分配给 12 个
15、大用户，并按此计算出每个用户注入电网谐波电流允许值。第二方案可以对每个用户的允许值作出规定，执行方便，但对每个用户不尽平等，第一方案对每个用户是平等的，分配比较合理，但无法具体确定每个用户的允许值，需在执行时进行计算，国标采用第一方案。某个用户的谐波电流允许值由下式确定：Ihi=Ih(Si/St)1/(8)式中： Si第 i 个用户的用户协议容量。St公共连接点的供电设备容量。 相位迭加系数 按表 5 取值。表 5 h 3 5 7 11 13 9、13 偶次 1.1 1.2 1.4 1.8 1.9 2 当实际的公共连接点的短路容量 S k不同于基准短路容量 Sk时，式(8)中 Ih值应按下式换
16、算为 I h: I h=Ih.S k/Sk(9)为了方便在谐波监测与治理工作中，对用户的谐波电流允许值进行计算，中国电机工程学会高次谐波分专委会已组织人员根据国标提供的原则和公式，编制了一份“计算各类用户注入各级电网的各次谐波电流允许值”软件。该软件操作使用简便，只需将所考虑的谐波电流的最高次数(不超过 97 次)、母线标称电压、实际短路容量、用户变压器及用电协议容量等参数输入计算机，即可显示或打印出所需的各次谐波电流允许值，从而大大简化工作人员的计算工作量。6 测量谐波的方法与数据处理测量谐波的方法必须根据快、慢变化不同的谐波源而选择不同的测量间隔。为了区别暂态现象和谐波，根据国际大电网会议
17、 3605 工作组建议，每次测量结果应为 3 秒内所测值的平均值。其计算式为：(10)式中： Uh(t)为 t 时刻第 h 次谐波电压；t 为 3s。由于目前广泛使用数字式谐波分析仪，故国标中按离散采样给出推荐式：(11)式中： Uhk3s 内第 k 次测得 h 次谐波电压(方均根值)；m3s 内取均匀间隔的测量次数， m6;国标要求在进行谐波测量时，应选择在电网正常供电时可能出现的最小运行方式，且应在谐波工作周期中产生的谐波量大的时段内进行(例如：电弧炼钢炉应在熔化期测量)。当测量点附近安装有电容器组时，应在电容器组的各种运行方式下进行测量。测量的谐波次数一般可取 219 次。由于谐波的波动
18、性，宜用概率选值，为了实用方便，在国标中规定用“95%大值”。对于波动谐波源，规定实测值不少于 30 个，是使测量平均数的分布接近于正态分布所需的最低样本数。对于较稳定的谐波源，国标规定可选用五个接近的实测值，取算术平均值。对于仪用互感器的误差，国内尚未作过系统的分析。国外的文献结论也有所不同。国标中对于电磁式电压互感器和电流互感器频率使用范围是按比较一致的结论给出的。由于 6110kV 电磁式电压互感器，一般用于 1000Hz 以下频率测量，故国标中规定“测量次数一般为 219 次”。实墓 擦 拥愕亩搪啡萘?iS k 不同于基准短路容量 Sk 时，式(8)中 Ih 值应按下式换算为 Ih:
19、I h=Ih.S k/Sk(9)为了方便在谐波监测与治理工作中，对用户的谐波电流允许值进行计算，中国电机工程学会高次谐波分专委会已组织人员根据国标提供的原则和公式，编制了一份“计算各类用户注入各级电网的各次谐波电流允许值”软件。该软件操作使用简便，只需将所考虑的谐波电流的最高次数(不超过 97 次)、母线标称电压、实际短路容量、用户变压器及用电协议容量等参数输入计算机，即可显示或打印出所需的各次谐波电流允许值，从而大大简化工作人员的计算工作量。6 测量谐波的方法与数据处理测量谐波的方法必须根据快、慢变化不同的谐波源而选择不同的测量间隔。为了区别暂态现象和谐波，根据国际大电网会议 3605 工作
20、组建议，每次测量结果应为 3 秒内所测值的平均值。其计算式为：(10)式中： Uh(t)为 t 时刻第 h 次谐波电压；t 为 3s。由于目前广泛使用数字式谐波分析仪，故国标中按离散采样给出推荐式：(11)式中： Uhk3s 内第 k 次测得 h 次谐波电压(方均根值)；m3s 内取均匀间隔的测量次数， m6;国标要求在进行谐波测量时，应选择在电网正常供电时可能出现的最小运行方式，且应在谐波工作周期中产生的谐波量大的时段内进行(例如：电弧炼钢炉应在熔化期测量)。当测量点附近安装有电容器组时，应在电容器组的各种运行方式下进行测量。测量的谐波次数一般可取 219 次。由于谐波的波动性，宜用概率选值，为了实用方便，在国标中规定用“95%大值”。对于波动谐波源，规定实测值不少于 30 个，是使测量平均数的分布接近于正态分布所需的最低样本数。对于较稳定的谐波源，国标规定可选用五个接近的实测值，取算术平均值。对于仪用互感器的误差，国内尚未作过系统的分析。国外的文献结论也有所不同。国标中对于电磁式电压互感器和电流互感器频率使用范围是按比较一致的结论给出的。由于 6110kV 电磁式电压互感器，一般用于 1000Hz 以下频率测量，故国标中规定“测量次数一般为 219 次”。
