谐波分析与治理

工程设计中的谐波问题：第一讲：

1.回顾历史

2.谐波的产生：

3.主要术语：

第h次谐波电压含有率|HRUhtUh/Uwoo%；（HRUh也有用H】h表小的）

第h次谐波电流含有率JHRIh=Ih/Lxioo%；（HRIh也有用Hi.h表示的）

谐波电压含圜UH：UH

谐波电流含圜IH：%=叵

电压总畸变率THDu|：THDlt=^-xl00%;

a

电流总畸变率THDi]:THDu二与x100%;

4储波分析与计算由重要的基础知识

4.1周期性电压和电流的富里叶级数分解的重要实用价值；

4.2三角函数的正交性；

4.3谐波叠加；

4.3.1用于线性电阻元件的发热计算

4.3.1用于电容器的发热计算

用加权畸变率Dw的平方表示

谐波电流引起的电容器发热增量4与各次谐波电流平方成正比

N=40八=401J

%=X/X”；=Z〃2x（*）2GB/T18039.3-2003《公用低压供电系

〃=2n=2U]

统低频传导骚扰及信号传输的兼容水平》

如何根据电容器组本身条件和电网的运行情况判断电容器的发热是

否超过最大允许电流？

国产电容器标准规定，包括谐波电流在内的最大允许发热电流的方

均根值为1.3Ieo当该电容器组运行电压Uc分别为l.OUe和l.lUe

时，其允许的加权畸变率平方=?

•当Uc=l.（）Ue.c时

&“=1.32-1.0、0.7

JV=40N=40IJ

2%==£院也）2

n=2n=2

当耳戊＞。葭在标准环境下电容器组可在l.OUe下长期运行；

•当电容器的实际运行电压Uc=l.lUe.c时

=1.32-1.12aO.48

n=40n=4QJJ

%=XU~=VX（寸了

n=2;i=2%

当。：在标准环境下电容器组可在l.lUe下长期运行；

决一电容器组允许的加权畸变率的平方

。二刈一电容器组实际的加权畸变率的平方

5.公用电网谐波限值的相关标准及其应用条件；

5.1公共连接点（PCC）

公共电网电压波形应符合国标《电能质量公共电网谐波》GB/T14549-1993的要

求，谐波电压（相电压）限值见表1

谐波电压（相电压）限值表1

电网标称电压电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率（%）

(kV)(%)奇次偶次

0.385.04.02.0

6

4.03.21.6

1()

353.02.41.2

•这是要求电力公司在PCC点处向用户保证的诒波电压条件是限制供电

公司供电质量的

在PCC点处的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）限值见表2

注入公共连接点谐波电流允许值见表2,是限制电力用户的

表2

标

基准

准谐波次数及谐波电流允许值（A）

短路

电

容量

压

MVA2345678910II1213141516171819202122232425

KV

().381()7862396226441921162«132411129.7188.6167.88.97.1146.512

6100433421341424IIII8.5167.1136.16.85.3104.794.34.93.97.43.66.8

10100262013208.5155.46.85.19.34.37.93.74.13.26.02.85.42.62.92.34.52.14.1

3525()15127.7125.18.83.8(13.15.62.6d.72,22.51.93.61.73.21.51.81.12.7132.5

5.2谓波电流允许值换算

521.当公共连接点PCC处的最小短路容量与表2中相应的基准短路容量丕堂也

谐波电流允许值应（按正比***）进行换算。换算公式见1）式

5.2.2.在PCC的每个用户向电网注入的谐波电流允许值，按此用户的协议容量与其

公共连接点的供电设备的总容量之比进行分配。

加-D重要算式

“2__________________

式中Ski…Pcc点最小短路（三相短路）容量MVA;Sk2一表2中基准短路容量MVA;1叩…

表2中相应的n次谐波电流允许值A;

5.2.3谐波电流相位迭加系数考虑PCC点几个不同用户的n次谐波电流的重迭

/痴=(S/SJ-2)重要算式

6.内部耦合点（IPC）点谐波电压考核平标准及考核内容

IPC点只考核谐波电压兼容水平，不考核谐波电流排放量.

6.1一非公用与工厂低频传导骚扰兼容水平的相关标准适用标准

5.1.1《工厂低频传导骚扰的兼容水平》

GB/T18039.4——2003/IEC61000-2-4：1994

谐波电压兼容水平分别见表5、表6、表7、表8

表5

1类2类3类

总谐波电压畸变5%8%10%

率（THD）

谐波电压分量（不包括3的倍数的奇次谐波）IPC点兼容水平表6

谐波次数1类2类3类

nUn%Un%Un%

5368

7357

1133.55

13334.5

17224

191.51.54

231.51.53.5

251.51.53.5

>250.2+12.5/n0.2+12.5/n

5xViT7^

谐波电压（3的倍数奇次谐波）IPC点兼容水平表7

谐波次数1类2类3类

nUn%Un%Un%

3356

91.51.52.5

15().30.32

210.20.21.75

>210.20.2i

谐波电压分量（偶次谐波）IPC点兼容水平表8

谐波次数1类2类3类

nUn%Un%Un%

2223

4111.5

60.50.51

80.50.51

100.50.51

>1()0.20.21

间谐波电压分量易居容水平表9

谐波次数1类2类3类

nUn%Un%Un%

<110.20.22.5

11〜130.20.22.25

13〜170.20.22

17〜190.20.22

19〜210.20.21.75

21〜230.20.21.5

23〜250.20.21

>250.20.21

6.2应注意的问题：

《电能质量公用电网谐波》GB/T-14549-1993仅适用于电网的PCC（公

共连接点）

《电能质量公用电网谐波》GB/T-14549的限值，它不只限制用户向PCC

点的谐波电流的输入量（表2的限值），同时供电部门也应保证PCC点的谐

波电压的输出量满足（表1的限值）要求。

•由于在工程设计中大量遇到的是用户内部耦合点（IPC）的谐波电压是

否满足GB/T18039.4和GB/T18039.3标准要求的问题，

因此，工程标设计中应以：GB/T18039o4和GB/T18039.3这两个标准

中的谐波电压兼容水平，

作为判断电力用户内部IPC点的谐波电压是否超标的尺度;

作为判断工程设计中是否需要采取谐波抑制措施的根据。

•另外，对单台设备的允许谐波发射量的相关标准，是限制设备制造厂

的；这些标准与工程设计中的设备采购和写标书关系甚大。

7.工程设计中低压系统IPC的实际计算•

7.1.1计算的基础数据及计算的假设条件（从略）

7.1.2工程设计中的常见谐波源的谐波含有率及畸变率;从略

7.1.3.计算的假设条件解释二

7.1.4是否需要进行谐波冶理的判据；

1）当并联电容器前不串电抗器时，在电容器柜的接入处的各单灰酶电压含有率

是否超出国家或地方标准的谐波兼容允许值；

2）在电容器接入处（低压母线上）各次阚电询蹒变弱是否超出国家标准的

谐波兼容的允许值；

如何估算IPC点的各次谐波电流及相应的各次谐波电压；

7.1.5谐波电压的计算步骤

1）计算电容器柜接入点以前（电源侧）的系统各次谐波的阻抗Rst.n和Xst.n;

2）估算各次谐波电流In;

3）求出各次谐波电流在低压母线（IPC点）上引起的谐波电压

Un=InXZn.st；式中:ZnM为IPC点处系统的计算阻抗

4）求出各次谐波的Un/11值；

5）若Un/I>标准的谐波电压限值，则应对该次谐波采取抑制措施；

6）对一般用户内部低压配电系统的IPC点而言，

当42,/U、%=THDu%应>8时应主要谐波采取抑制措施，使THDu%<8;

在工程设计中，当粗略估算变压器低压母线IPC点上各次谐波电压Un%

7.计算举例

电£镇流三相平衡

器火光灯cos=0,95>Hi3Z=15

6脉变频电机负荷:二200kW

cos（p-0.75、H。-30、

Hi7Z=10j

普通电机负荷:Pj"250kW

cos。=0.8

电热负荷:Pjs=80kW

cos。=1.0

图1

^7,%=1.1x3x0.06x—————x0.15x100%

0.95x1000

=1.1x0.57%

=0.63%<5%

4%=l.lx5x0.06x—————x0.3x100%

,0.75x1000

=1.1x2.4%

=2.64%<6%;

^7%=1.1x7x0.06x——----------x0.1x100%

70.75x1000

=1.1x1.23%

=1.35%<5%

THDU=%尸+（。5%尸+（4%）2

=3.63%<8%

7.|提倡实事求是按章程办事沏勿肓川!!!

在《电气&智能建筑》2008。10P57〜P66建院XX和Rx公司〔XX合

著的〈浅谈体育场馆低压配电系统的谐波冶理〉中第8。1节某体育馆

场地照明，两路(2x66kW)金卤灯，照明控制采用智能灯光控制系

统点对点控制，有源滤波器投入前实测THDu=1.6%,IN=48A；有源

滤波器投入后，实测TDHu=().8%,IN=5A;测试地点:灯光控制室.

试问:文章要将设计引向何方???

8.谐波抑制装置的安装地点;指导思想—把谐波消灭在源头

9,北京市地方标准DBJ/T11-626-2007《建筑物供配电系统谐波抑制设

计规程》存在的主要问题；

北京市地方标准DBJ/T11-626-2007《建筑物供配电系统谐波抑制设

计规程》的错误：|附录C与附录D相互矛盾，附录C正确，附录D檐

・错误算式：

P31的附录D第1条第1）款对单台谐波源的谐波电流In发射量可按下式-1

计算：

In=lNxTHDI式一A错误算式

式中：IN为设备的额定电流、THDI为谐波电流总畸变率，按此公式计算误差太

大，正确的计算公式应为：

In=IixTHDI式一B正确算式

从电脑和电视机的测试和统计数据看（注DIN/H（相电流有效值与基波电流有效

值之比约=1.5〜16.所以，对于电脑、电视机、网络设备等单台设备的谐波发射量

的计算，如果按式一A计算，势必将谐波电流发射量算大了L5~L6倍.

•标准的P18第5.3.1条第1、2、3款“当非线性负荷容量占配电变压器容量

的比例较大（如超过50%）设备的自然功率因数较高时，宜在变压器的低压

母线侧集中装设有源电力滤波器”按照这种说法，凡是以荧光灯或气体放

电灯照明负荷为主的建筑物，当其设备总容量大于变压器容量的50%时的配

电变压器低压母线处都得装有源滤波器了。这种提法不妥,|不应当以容量的|

比例，而应当以谐波源在其用环境下与受扰的电器和设备之间的谐波电压兼

容水平是否超过标准规定，来确定是否采取谐波抑制措施。

•3.北京市地方标准DBJ/T11-626・2007《建筑物供配电系统谐波抑

制设计规程》的第6章第6.2条线缆选择

的第624款“…UPS?及集中装设的大容量的照明调光装置等谐

波源••一三相四线或两相三线电源主回路的中性导体的中性线截面

不应小于相导体截面的2倍”、以及6.2.5条.“三相平衡系统中三相

回路的3次谐波电流大于10%时中性导体的截面不应小于相导体的

截面积”均与6,2.6条即GB/T16895-15-2002《布线系统载流量》附

录C的,表C52・l规定相矛盾。应以标准GB/T16895-15-2002《布线

系统载流量》附录C为准。

•4.DBJ/T11-626-2007第5.2.10条“在谐波分量较高的配电线路中

采用电力电容器补偿无功功率，当存在下列情况之一时，宜串联电

抗器抑制谐波”？

1）产生谐波的设备功率之和全部设备总功率之比超

过15%时；？

2A一产生谐波的运行设备功率之和与全部运行设

备总功率之比超过15%时；？

3）单次i皆波电压超过2%或总谐波电压超过3%

时；？

以上三款的问题是：

.1）、2）两款以功率之比作为判据是缺乏科学根据的，因为PCC点

或IPC点的Un=Zn*ln即与PCP点或IPC点的II次

i皆被电压等于PCC点或IPC点处的i皆波阻抗写

灰谐波电流之乘积,而产生i皆芯的设备功率之和全

I部设备胫工率育弊量的反映出这种卷系.

I,而第3）款贝［偏离GB/T18。39。4和GB/T18O39.3|

油两个标准中的谐波电压兼容水平太大2过高的要|

|求不仅大大提高工程造价，还增加了电抗器的电能

损耗,而且由于串联电抗器发热在电容器柜通风不

良的情况下会使电容器温升提高，影响电容器的安

全运行1

10.如何选择非线性负荷的电源线路的截面（按发热选）

第523节《布线系统和载流量》附录CGB/T16895-2002

三相平衡系统中的谐波电流效应

表C52・l4芯和5芯电缆存在谐波电流的降低系数

相电流中3次谐波分量％降低系数

按相电流选择截面按中性线电流选择截面

0〜151.0一

15-330.86

33〜45_0.86

>45一1.0

当“预计中性线电流高于相电流，那么电缆截面应按中性线来选择。

若按中性线电流选择电缆截面，而中性线电流不显著高于相电流时，有必要降低表格中三

根导体带负荷的电缆的载流量”“假如中性线电流大于相电流的135%而且按中性线电流选

择电缆截面，那么3根相导体不是满负荷的。三根相导体产生热量的减少，抵消了中性线

导体产生的热量，从而三相导体的载流量不需使用任何降低系数°”

垂

口当三相负荷平衡，且三相的负荷性质相同（如照明干线.）

IN=3/3—中线电流;/中='I;+1；+/；—相线电流；

。当三相负荷不平衡，且三相的负荷性质相同时

注意：当干线用熔断器保护时，中线电流会大于相线电流

附录c应用举例］:

“设想计算电流（基波电流）为39A的三相回路,从表52-C3查到逛司铜芯电缆

的微流量为《词。假如回路中不存在谐波电流，选择该电缆是适当的。假如有

20%的三次谐波电流,那么采用0.86降低系数，计算电流变成：

39/0.86=45A.

选用画用铜芯电缆是适当的；其载流量=57A

假如有40%的三次谐波电流，则应按中性线选择截面,中性线电流为:

39x0.4x3=46.8A并采用降低系数0.86

则计算电流为：46.8/0.86=54.4A

对于这一电流选用IO"?"/电缆是适当的；

假如有50%三次谐波电流，电缆截面仍按中性线来选择,电流值为:

39x0.5x3=58.5A>57A10mm2的电缆不满足要求

这时负荷系数为1,需要采用反向的电缆是适当的•其载流量为76A.

11.对于带电子器件（含电子控制器件和电子监控器件）的低压成套设

备的输入电压的谐波限制H标准汇编P398中GB7251。1/997《低

压成套设备和控制设备第一部分“型式试验和部分型式试验成套

设备”7o9o3条“波形的求。即：

(1)谐波电压总畸变率THDu<10%;

⑵各次谐波电压的含量不应超出图2I山线的范围：

根据工程设计可照此对高低压成套设备上的电子仪器、电子控制

器、电子监控器件提出谐波电压要求；忙编P398

注意：根据7251o1-1997《低压成套设备和控制设备第一部分“型

式试验和部分型式试验成套设备”7。9。3条“波形的要求装在低压

成套设备上的电子仪器、电子控制器、电子监控器件的电磁兼容提出

了较高要求，而对工程设计的谐波电压限制则比较容易达到,在一般

工程中即使不采取谐波抑制措施,THDuvlO%、21次以下的各含量

45%也是较容易满足要求的。

12.低压配电系统中谐波电流的流向

在教课书中和典型的潮流计算分析中，谐波电流都假设是从负载流向

电源的，这种假设在中/高压系统可能是近似的，但是在低压配电系统

中电力负荷种类和性质繁多、有的谐波源就近与邈容隹鳏通过

短线路连接，非线在负荷的谐波电流的流向要比中/高压系统复杂得

多，如果还认为非线性负荷谐波电流全部流向电源变压器的话，对谐

波电流计算有时会引起很大的误差，我想用两个例子说明这一点。

第一个例子是本人的一项发明专利“谐波能量叠加控制装置”内容从

略；第二个例子见|谐波电流主要通路图|；见图3

不应忽视用电设备H勺无功补偿电容器的谐波电

流的分流作用对IP二点计算谐波电压的影响，

应对5次和7次谐波电流进行分流计算

X”=0068欧

X”=0O47欧

变压器

1000kVA

Uk=0.06

若忽略线路阻抗的影响和其他负

荷的分流作用，可如此等效XTZ=0.068I^

XT5=0.0471ft

图3

5次谐波等效阻抗：V端第—

7次谐波的等效阻抗乙二喘智罗二-。皿

13.在26/9-2008北京电气设计情报网举办的“TSE在奥运场馆配电系统的应

用高级论坛会”上，上科所曲德刚等三人之论文《谐波对ATSE可靠工作影

响的分析》一文中，关于谐波不同（电压）畸变率引起的电压增加的数学表

达式（3）即AU=U-UT=UN1+THD：-1）和图1所示的“电压增量和与THDu

关系曲线”以及表2加出的数据是不严谨的。从电磁兼容角度看，标准要

求限制PCC点或IPC点的各次谐波电压的5%和THDu足够了，对基波而

言标准只要求限制△3，所以—■=a（\/l+7H£＞：—1）和图1所示的“电

压增量和与THDu关系曲线”r

没有规范根据，是多此一举，而月TU概念不清。

表2THDu%与AU对应表

表

THDu%5710152()2530

0.2870.5631.1472.5734.5557.07910.127

△U(V)

表2中的THDu%与AU对应关系也是多此一举的.因为在相关的国家标准和

IEC标准中并未要求考核THDu%与对应关系.

14.当PCC点或IPC点有多个谐波源时，谐波

电流的两种算式（式3和式5）的比较

举例说明谐波电流的合成：

有三个谐波电流源I5.1=I5.2=I5.3=1OOA,分别用