电能质量及谐波标准.docx
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电能质量及谐波标准
电能质量及谐波标准
内容提纲
1．电能质量基本概念
2．电能质量的影响
3．电能质量国家标准综述
4．电能质量国家标准摘要
5．电能质量国外标准简介
6．谐波国家标准基本内容
7．国外谐波标准介绍
1电能质量的基本概念
（1）电力系统概况：
结构、有功和无功平衡，各种干扰
（2）电能质量——关系到电气设备工作（运行）的供电电压指标。
（3）电能质量指标：
电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度、暂时过电压和瞬态过电压、电压暂降、波形缺口、……
（4）电能质量指标特点：
a.空间上、时间上不断变化
b.需要供、用电双方共同合作维护
（5）电能质量问题的由来
Ø随电力工业诞生而存在的一个传统问题；
Ø现代用电负荷结构发生了质的变化。
电力电子技术广泛应用，家用电器普及，炼钢电弧炉和轧机的发展等，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性引起电能质量的恶化。
Ø计算机的普及、IT产业的发展、微电子控制技术应用导致对电能质量要求越来越高。
例如：
一个计算中心失电2s就可能破坏几十个小时数据处理结果，导致几十万美元产值损失；
1～2周波供电电压暂降，就可能破坏半导体生产线，导致上百万美元损失。
据统计美国因电能质量问题造成的损失每年高达260亿美元。
2005年由国际铜业协会（中国）的一次“中国电能质量行业现状与用户行为调研报告”中，调查了32个行业，共92个企业中有49个企业，因电能质量问题，在经济上损失2.5～3.5亿元（人民币），每个企业年经济损失约10万～100万（人民币）（其中有四家年损失1000万元以上）。
（6）关于电能质量的定义
PowerQuality——电能质量（电源质量、电力质量、电力品质）
Ø导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。
Ø合格电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是都适合于该设备正常工作的。
Ø在电力系统中某一指定点上电的特性，这些特性可根据预定的基准技术参数来评价。
Ø电压质量、电流质量、供电质量、用电质量。
实际上电能质量就是供电电压特性，即关系到用电设备工作（或运行）的供电电压各种指标偏离理想值（额定值或标称值）的程度。
2电能质量的影响
Ø各种指标的影响：
（1）供电电压偏差
照明设备的发光和寿命；电动机的力矩、转速、发热、工效以及产品质量；变压器的发热、温升、损耗；并联电容器无功出力、寿命；家用电器如电视机的视感、寿命；电子计算机和控制设备不正常；工业设备（如电解、电热）效率降低；电力系统稳定性降低，线损增加。
（2）电力系统频率偏差
电动机转速变化，影响纺织、造纸等产品质量；传动机械出力变化，影响生产效率；对测量、控制和计时等电子设备精度和性能影响；使感应式电能表计量误差加大；影响发电机和电力系统安全；冲击负荷对近区电网的危害；减少白炽灯使用寿命。
（3）谐波
降低电力设备的利用率，使电气设备（如旋转电机、电容器、变压器）以及导线（如低压中性线、电缆、母排等）过载运行（发热、振动、异常声响等），缩短使用寿命；干扰继电保护、自动装置和计算机系统；使测量和计量仪器、仪表误差加大；降低信号传输质量，干扰通信系统；增加电力网中谐振可能性，诱发过电压或过电流的危害；减少白炽灯使用寿命。
（4）电压波动和闪变
照明灯光闪烁，引起人的视觉疲劳；电视机屏幕图像失真、摆动翻滚和亮度变化；电动机转速不均匀、振动、异响，影响产品质量；电子计算机、监测和控制设备等工作不正常。
（5）三相电压不平衡
电机附加发热，并引起二倍频的附加振动力矩；引起以负序分量为启动元件的多种保护误动作；换流设备产生附加的谐波电流（非特征谐波）；变压器负载能力下降；在低压配电线路中，引起照明灯的寿命缩短或烧损、电视机损坏、中性线过负荷等；引起线损及线路电压损失增大；影响正常通信质量。
（6）暂时过电压和瞬态过电压
使设备绝缘破坏，引发事故。
（7）电压暂降（包括短时断电）
引起变速驱动装置（ASD）跳闸、程序逻辑控制器（PLC）损坏、各种数字式自动控制装置误动、计算机系统失常，数据丢失；导致相关加工生产线（例如塑料、玻璃、石化、纺织、造纸、半导体以及橡胶等）停顿，大型场所照明失电（例如镝灯，灯灭后需冷却好几分钟后才能启动）等等。
图1为国外统计的一次电压暂降对不同行业可能造成的经济损失。
表1为电压暂降对一些设备的危害。
图1一次电压暂降对不同用户造成的损失
表1电压暂降对一些设备的危害
设备
电压暂降造成的影响结果
冷却控制器
当电压低于80%时，控制器动作将制冷电机切除，导致巨大生产损失
芯片测试仪
当电压低于85%时，测试仪停止工作，芯片、主板被毁坏
可编程控制器
当电压低于81%时，PLC停止工作；一些I/O设备，当电压低于90%、持续时间仅几十毫秒，就会被切除
机器人
由机器人控制对金属部件进行钻、切割等精密加工的机械工具，为保证产品质量和安全，工作电压槛值一般设为90%，当电压低于此值、持续时间超过40～60ms时，被跳闸
直流电机
当电压低于80%时，直流电机被跳闸
变频调速器
当电压低于70%且持续时间超过120ms时，ASD被切除。
而对于一些精细加工业中的电机，当电压低于90%且持续时间超过60ms时，电机就会跳闸而退出运行
电动机接触器
当电压低于50%、持续时间超过20ms，接触器就会脱扣；而有的研究表明，当电压低于70%、甚至更高，接触器就会脱扣
计算机
当电压低于60%，持续时间超过240ms时，计算工作将受到影响，如数据丢失
（8）电压波形缺口
由变流装置换相过程造成的电压缺口可能影响交流装置的同步或以电压过零进行控制的电子装置正常工作。
注意，电压缺口虽然属于波形畸变，但不能用谐波分析来说明它的影响。
一般用缺口的深度和面积描述。
Ø案例
（1）上海某高层大厦一台变压器设计为全部带空调负荷，但投运后由于大量谐波的存在，使得变压器根本就没有办法正常运行。
（2）90年亚运会期间网球中心电压暂降造成照明失电10余分钟（照明灯为镝灯，需冷却启动），使场内照明黑了一半，这次事故在国际上造成了非常不好的影响。
（3）某商厦工程大量采用日光灯，全部采用电子镇流器，正常情况下，零线中产生很大电流，造成电缆发热，变压器温升过高（典型的谐波问题）。
（4）某证券公司由于谐波使得网络速度变慢、数据出错，实时交易的动态信息显示屏幕出现大片空白，数据刷新和交易的速度都极慢，且经常中断，根本无法进行交易。
（5）某宽带运营商由于突然断电造成宽带网络客户不能正常上网，客户索赔几百万元。
（6）北京某化工厂2005年1月18日，外网波动引起断电，聚氯乙烯装置爆炸，停电5-6小时，直接损失30万元。
（7）某钢铁企业2004年一次停电导致所有生产线上的产品作废，损失上亿元。
（8）2004年3～8月吉林省农电局一条10kV配电线（约40km）末端49个台区先后发生了500多次低压电器设备（包括电视机、计算机、冰箱温控器、交换机模块、VCD、加油机电源板等等）烧损事故，经测试分析，是某钢厂中频炉谐波，因长线“谐波容升电压”效应所致。
（9）1993年2月河南省信阳和驻马店地区220kV计驻线（双回线，一回线停电检修）因电气化铁路牵引站的谐波引发高频保护误动，引起大面积停电事故（两个220kV2×240MVA变电站停电）。
（10）河南省220kV柳林变电站原10kV8组6600kVar并联电容器，因3次谐波影响原串联电抗器选配不当等原因大量损坏，不得不全部更换（现为8×8000kVar）。
Ø结论
电能质量涉及国民经济各行各业和人民生活用电，优质电力可以提高用电设备效率，增加使用寿命，减少电能损耗和生产损失，电能质量关系到电力可持续发展，也关系到国民经济总体效益，是实现节约型社会的必要条件之一。
3国家标准综述
Ø电能质量指标国家标准
（1）供电电压允许偏差（GB/T12325—2003）
（2）电压波动和闪变（GB12326—2000）
（3）公用电网谐波（GB/T14549—93）
（4）三相电压允许不平衡度（GB/T15543—1995）
（5）电力系统频率允许偏差（GB/T15945—1995）
（6）暂时过电压和瞬态过电压（GB/T18481—2001）
Ø电能质量测量国家标准
（1）供电系统及相连设备的谐波、谐间波的测量和测量仪器导则（GB/T17626.7—1998）
（2）电能质量监测设备——通用要求（GB/T19862-2005）
Ø相关的设备国家标准
（1）低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流≤16A）（GB17625.1—1998）（IEC61000-4-7）
（2）对额定电流不大于16A设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制（GB17625.2—1999）（IEC61000-3-2）
（3）对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制（GB/Z17625.3—2000）（IEC61000-3-3）
（4）半导体变流器与供电系统的兼容及干扰防护导则（GB/T10236-2007）
（5）中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估（GB/Z17625.4—2000）（IEC61000-3-6）
Ø电能质量治理设备（装置）国家标准
（1）输配电系统静止无功补偿器用晶闸管阀的试验（待批）
（2）静止型无功功率补偿装置（SVC）功能特性（GB/T20298-2006）
（3）静止型无功功率补偿装置（SVC）现场试验（GB/T20297-2006）
4国家标准摘要
（1）标准：
GB/T12325—2003电能质量供电电压允许偏差
允许限值：
①35kV及以上为正负偏差绝对值之和不超过10%；②10kV及以下三相供电为±7%；③220V单相供电为+7%，-10%。
说明：
衡量点为供电产权分界处或电能计量点
（2）标准：
GB12326—2000电能质量电压波动和闪变
允许限值：
电压变动d的限值和变动频率r有关；对于随机不规则的变动，d=2%（LV，MV）和d=1.5%（HV）
注：
低压（LV）、UN≤1kV；中压（MV），1kV＜UN≤35kV；高压（HV），35kV＜UN≤220kV。
表2闪变限值
系统电压
LV
MV
HV
Pst
1.0
0.9（1.0）
0.8
Plt
0.8
0.7（0.8）
0.6
注：
①括号中的值仅适用于所有用户为同电压等级场合；
②Pst为短时间闪变值（10min）；Plt为长时间闪变值（2h）
说明：
①衡量点为公共连接点PCC；②限值分三级处理原则；③提供预测计算方法，规定测量仪器并给出典型分析实例。
（3）标准：
GB/T14549—1993电能质量公用电网谐波
允许限值：
表3各级电网谐波电压限值（%）
电压（kV）
THD
奇次
偶次
0.38
5
4.0
2.0
6、10
4
3.2
1.6
35、66
3
2.4
1.2
110
2
1.6
0.8
注：
①220kV电网参照110kV执行
②表中THD为总谐波畸变率
说明：
①衡量点为PCC，取实测95%概率值；②对用户允许产生的谐波电流，提供计算方法；③对测量方法和测量仪器做出规定；④对同次谐波随机性合成提供算法。
（4）标准：
GB/T15543—1995电能质量三相电压允许不平衡度
允许限值：
①正常允许2%，短时不超过4%；②每个用户一般不得超过1.3%。
说明：
①各级电压要求一样；②衡量点为PCC，取实测95%概率值或日累计超标不许超过72min，且每30min中超标不许超过5min；③对测量方法和测量仪器做出基本规定；④提供不平衡度算法。
（5）标准：
GB/T15945—1995电能质量电力系统频率允许偏差
允许限值：
①正常允许±0.2Hz，根据系统容量可以放宽到±0.5Hz；②用户冲击引起的频率变动一般不得超过±0.2Hz。
说明：
对测量仪器提出了基本要求。
（6）标准：
GB/T18481—2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压
允许限值：
①系统工频过电压
表4系统工频过电压限值
电压等级（kV）
过电压限值（p.u.）
Um>252（Ⅰ）
1.3
Um>252（Ⅱ）
1.4
110及220
1.3
35～66
3～10
1.1
注：
①Um指工频峰值电压
②Um>252kV（Ⅰ）和Um>252kV（Ⅱ）分别指断路器变电所侧和线路侧
②操作过电压
表5空载线路合闸过电压限值
电压等级（kV）
过电压限值（p.u.）
500
2.0*
330
2.2*
110～220
3.0
*表示该过电压为相对地统计操作过电压。
说明：
①暂时过电压包括工频过电压和谐振过电压。
瞬态过电压包括操作过电压和雷击过电压；②工频过电压1.0p.u.=Um/。
谐振过电压和操作过电压1.0p.u.=Um/；③还对空载线路分闸过电压、断路器开断并联补偿装置及变压器等瞬态过电压限值作出了规定。
5电能质量国外标准简介
5.1 欧盟
1995年欧盟颁布了《公用配电系统供电电压特性》（EN50160），包括5大类13个指标。
1．频率
（1）互联电网：
（50±0.5）Hz
（2）孤立电网：
（50±1）Hz
2．电压幅值
（1）慢速电压变化：
±10%UN
（2）电压波动：
低压系统5%UN；中压系统：
4%UN。
闪变：
Plt=1.0
（3）电压暂降：
每年可能发生几十至一千次，大部分持续时间小于1s，幅值不大于60%UN。
（4）短时断电：
每年可发生几十次至几百次，约70%的短时断电小于1s。
（5）长时断电：
超过3分钟的长时断电，每年在10次以内或不超过50次。
（6）暂时工频过电压：
低压系统一般不超过1.5倍相电压，中压系统不超过1.7～2.0倍相电压（和中性点接地情况有关）。
（7）瞬态过电压：
低压系统一般不超过6kV。
3．电压不平衡
负序分量占正序分量RMS（方均根值）的2%。
4．电压波形
（1）整数次谐波：
40次谐波以下的总畸变率（THD）不超过8%，且各次谐波上限均有明确规定。
（2）间谐波：
缺乏公认的实验数据，未作规定（但IEC61000-2-4规定一般限值为0.2%）
5．电源信号电压
指的是工频电压上又叠加的一个正弦传输信号电压。
低频段幅值小于10%UN，中频段幅值小于5%UN。
5.2美国
（1）计算机和商用设备制造商协会（ComputerandBusinessEquipmentManufacturersAssociation，即CBEMA）出于大型计算机及其控制装置对电能质量要求，提出了电压容限曲线（称为CBEMA曲线）。
该协会后改称为信息技术工业协会（InformationTechnologyIndustryCouncil，即ITIC），并将电压容限曲线作了一定改进，如图2所示。
图2ITIC曲线
（2）IEEE导则——输电用静止无功补偿器的功能规范（IEEEStd.1031-2000）
（3）IEEE导则——静止无功补偿器现场试验（IEEEStd.1303-1994）
（4）IEEE电力系统中谐波控制推荐规程和要求（IEEEStd.519-1992）
5.3电能质量标准和电磁兼容标准的关系
（1）电磁兼容的概念
（2）IEC61000系列标准
六大部分：
《总论》、《环境》、《限值》、《试验和测量技术》、《安全装置和抑制导则》和《其他》。
（3）标准限值的协调
图3电磁兼容协调中的有关参数
图4扰动水平和概率密度关系
6谐波国家标准基本内容
6.1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，是判断公用电网谐波是否合格的依据。
国标中的规定见表6。
表6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
注：
220kV可参照110KV执行。
6.2不同谐波源的叠加计算
电网谐波电压和电流往往由多个谐波源产生，因而不同谐波源的相量叠加计算是谐波标准制定的重要基础。
两个谐波源的同次谐波电流Ih1和Ih2在一条线路上叠加，当相位角已知时，按下式计算
（1）
但实际电网中，同次谐波电流相位关系受多种因素影响具有一定的随机性，因此国标中给出相位角不确定时，进行合成计算的公式
（2）
式中：
Kh系数按表7选取。
表7系数Kh的值
h
3
5
7
11
13
9|>13|偶次
Kh
1.62
1.28
0.72
0.18
0.08
0
6.3用户注入电网的谐波电流允许值
分配给用户的谐波电流允许值应保证各级电网公共连接点处谐波电压在限值之内。
影响各级电网谐波电压的主要因素有：
（1）本级谐波源负荷产生的谐波；
（2）上级电网谐波电压对本级的传递（即渗透）；
（3）各谐波源同次谐波的相量合成。
一般忽略下级电网谐波电压对上级的传递，这是因为按短路容量比较，可以近似认为上级电网的谐波阻抗远小于下级电网的谐波阻抗。
表8各级电网基准短路容量
电网标称电压/kV
0.38
6
10
35
66
110
220
基准短路容量/MVA
10
100
100
250
500
750
2000
在国标中，根据典型网络研究，给出了各级电压UN的基准短路容量SK（MVA），如表8所列。
由SK可以求出电网基波等值电抗xs，假定h次谐波电抗为hxs则由下式求出一个公共连接点的总谐波电流允许值Ih（在标准中表2给出前25次的Ih值）
（3）
式中：
HRUh—由本级负荷产生的第h次谐波电压含有率（%），根据上列
（1）～（3）条件，（在某些假设条件下）计算得到。
根据按用户用电容量分配谐波指标的原则，某个用户的谐波电流允许值由下式确定
（4）
式中：
Si—第i个用户的用电协议容量
St—公共连接点的供电设备（或线路）容量
—相位系数，按表9取值
表9相位系数值
H
3
5
7
11
13
9|>13|偶次
1.1
1.2
1.4
1.8
1.9
2
不难证明，表9中值和表7中Kh值基本上是对应的。
当公共连接点的短路容量不同于基准短路容量Sk时，式（4）中Ih值应按下式换算为
（5）
应注意，式（4）中的供电设备容量St应和的供电方式（正常最小运行方式）相对应，不能一概取供电变电站（或发电厂）内全部变压器容量之和。
6.4测量方法、数据处理及测试仪器
由于谐波源的多样性和多变性，测量方法必须根据被测对象有所区别。
考虑到谐波的波动性，原则上取95%时间内不超过概率值。
为了实际应用方便，在标准中规定按实测值大小排队，取95%概率大值。
对波动谐波源，规定实测值不少于30个，这是使测值平均数的分布接近于正态分布所需的最低样本数。
考虑到某些谐波源较稳定的特点，标准中又规定可以选取五个接近的实测值，取算术平均值。
为了区别暂态现象和谐波，每次测量结果应为3秒内被测值的平均值，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
（6）
式中Uhk—3s内第k次测得h次谐波电压含有率；
m—3s内取均匀间隔的测量次数，m≥6。
实际上Uhk通常取一个工频周波采样的分析结果，至于一个周波的采样点数，应根据待分析的谐波次数（h）按采样定理确定。
关于对测量仪器的准确度、电源条件等要求，主要根据国际电工委员会标准《供电系统及所连设备谐波、谐间波的测量和测量仪器导则》（IEC61000-4-7，即国标GB/T17626.7）的规定。
必须指出，由于采用离散傅立叶（DFT）方法，取一个工频周波采样分析结果，只能得出工频整数倍（即2、3、……）的谐波。
实际电网中还存在间谐波（即非整数次谐波），这种谐波广泛存在于波动负荷和变频调速设备中。
为了分析间谐波，也为了避免间谐波对单周波采样分析结果的影响，IEC61000-4-7中要求根据电网谐波不同的变化性态（准稳态、波动或快速变化），测量采样应取0.08～0.5s长窗口（注意，一个工频周波为0.02s）。
现行谐波国标中，对此未作规定。
由于6～110kV电磁式电压互感器一般用于1000Hz以下频率测量，同时考虑到电网中低次谐波一般为主，故标准中规定“测量的谐波次数一般为第2到第19次”，以便于执行。
7国外谐波标准介绍
7.1IEC谐波标准
国际电工委员会（IEC）为了统一各国电气标准和规范陆续制定了电磁兼容（EMC）61000系列标准，其中相当部分已被采用为国标。
IEC61000系列标准涉及低频扰动内容，电力谐波属于此范畴。
至今已出版的和谐波关系密切的标准有：
（1）IEC61000－2－2《公用低压供电系统中低频传导干扰和信号的兼容性标准》
该标准中规定了低压电网中单次谐波电压兼容性标准（参见表11）。
（2）IEC61000－2－4《工业设备低频传导干扰的兼容性标准》
该标准中将电磁环境分为3类：
第1类指对供电质量要求较高的场合（例如实验室，某些自动化和保护装置，某些计算机等），其兼容性标准严于公用电网的标准。
第2类适用于一般工业环境下电网的公共连接点（PCC）和系统或装置内部的连接点（IPC），其兼容性标准等同于公用电网的标准（参见表11）；第3类只适用特殊工业环境下系统或装置内部的连接点，其兼容性标准高于公用电网的标准。
例如在下列是场合可以考虑用该类兼容性标准：
1）大部分负荷由换流器供电；2）有电焊机时；3）频繁起动的大型电动机；4）快速变化的负荷等。
各类电磁环境下电压总谐波畸变率的兼容值如表10所列。
表10谐波电压兼容值
电磁环境
第1类
第2类
第3类
总谐波畸变（THD）
5%
8%
10%
（3）IEC61000－3－2《谐波电流发射的限值（设备每相输入电流≤16A）》
该标准适用于接到公用低压配电系统中的每相输入电流≤16A的电气和电子设备（等效于国标GB17625.2）。
按谐波电流限值而言，设备分为四类：
A类—平衡的三相设备和除下述几类设备外的所有其他设备；B类一便携式工具；C类—包括调光装置的照明设备；D类—输入电流具有“特殊波形”的设备和有功功率P≤600W的设备。
有关限值从略。
对于使用不是很广泛和设计不符合限值要求的特殊设备，以及16A以上低压设备的谐波，在IEC61000－3－4作了一些规定或建议。
（4）IEC61000－3－6《在中压和高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》
该标准和国标《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549－93）关系比较密切，下面稍作详细介绍（本标准等同于国标GB/Z17625.4）。
1）系统电压等级
该标准中对系统电压Un等级划分作
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