4.5 供配电系统谐波及其防治
4.5.1 供配电设备和用电设备的选择应符合本规范第4.3节的规定。
4.5.2 配电变压器宜选用Dy型绕组结线形式。
4.5.3 大功率谐波源设备宜由变电所或总配电间经专用回路供电。
4.5.4 同一配电系统或同一配电回路中，非线性负载宜集中布置，并宜靠近电源侧。
4.5.5 对谐波敏感的重要负载与谐波源设备宜分别由不同变压器或不同供电回路供电。
4.5.6 X光机、CT机、核磁共振机等大功率医疗设备的供电线缆截面宜放大一级。
4.5.7 用户侧低压配电系统谐波骚扰强度分级及其限值宜符合表4.5.7的规定。
表4.5.7 用户侧低压电源系统中谐波骚扰强度分级及其限值
(以基波电压的百分比表示)
注：1 *为0.2＋12.5/n(n为谐波次数)；
2 **为3.5～10(随频率升高而降低)；
3 上述数值代表的骚扰水平是：在95％的统计时间内，电网中最严重点的谐波干扰水平不会高于表列值。
4.5.8 当配电系统的谐波骚扰强度超过三级时，功率因数计算及电气元件的选择宜考虑畸变功率因数的影响。对于大型电网的下属用户，可按下式估算：
式中：PF——实际功率因数。
4.5.9 建筑物低压配电系统的谐波骚扰强度宜符合下列规定：
1 音乐厅、大剧院、大型会议厅和省市级广播电视大楼等音频系统配电干线的谐波骚扰强度不宜劣于一级标准；
2 医院胸脑外科手术室与重症监护室、法定检测计量单位的计量室等对谐波骚扰敏感的配电干线，其谐波骚扰强度不应劣于二级标准；
3 A级和B级数据中心不间断电源装置交流输入电源的谐波骚扰强度不宜低于二级标准；
4 大型办公建筑及一般工业建筑中，动力配电干线的谐波骚扰强度不宜劣于三级标准。
4.5.10 当配电系统的谐波骚扰强度不符合用电设备的使用要求或本规范的规定时，宜进行谐波治理，且宜符合下列规定：
1 当配电系统中具有相对集中、持续运行且具有稳定的特征频率的大功率非线性负载时，宜采用无源滤波设备；
2 当配电系统中具有相对集中、运行状态多变且频率特征不稳定的大功率非线性负载，使用无源滤波器不能有效滤波时，宜采用有源滤波设备；
3 配电系统中既具有相对集中且长期稳定运行的大功率非线性负载，又具有较大功率的时变非线性负载时，可采用无源有源复合滤波设备；
4 当配电系统中无功功率变化较大且谐波严重时，可采用静止无功发生器(SVG)；
5 有源滤波器宜靠近主要谐波源设备；
6 冲击型、断续工作型、瞬变型非线性负载不宜采用无源滤波器进行谐波治理，其中，变化周期或间隔小于100ms的瞬变型非线性负载宜采用响应时间小于2ms的有源滤波装置进行谐波治理。
4.5.11 当配电系统的谐波骚扰等级劣于三级且变压器实际负载率高于75％时，宜考虑变压器降容系数D，或选用按K系数设计并制造的电力变压器。变压器降容系数D和K系数可按本规范附录A确定。
4.5.12 当变压器所接负载的谐波电流具有稳定的特征频率时，功率因数补偿电容器宜按其特征频率确定电抗率并配置相应的电抗器，且不应发生系统谐振。
4.5.13 当配电系统的谐波骚扰强度劣于三级标准时，功率因数补偿电容器宜考虑谐波对电容器耐压水平的影响。
4.5.14 由晶闸管控制的负载或设备宜采用对称控制方式。
4.5.15 有源滤波器的额定补偿电流应大于设备安装处的谐波功率，且宜具备10％～20％的裕度。
4.5.16 有源滤波器的电气性能应符合下列规定：
1 输入电压允许偏差应大于滤波器额定电压的15％；
2 输入频率允许偏差应大于滤波器额定工作频率的2％；
3 当负载电流峰值系数(CF)不大于2.5，负载谐波电流在滤波器额定输出电流的20％～100％时，滤波器总谐波滤除率不应低于85％；
4 当负载电流不小于滤波器3倍额定输出电流且负载电流峰值系数(CF)不大于2.5，负载产生的谐波电流在滤波器额定输出电流范围内时，电流总谐波畸变率不应大于5％；
5 滤波器输入额定电压、输出额定电流时，滤波器的有功功率损耗不应大于装置额定视在功率的5％；
6 滤波器的响应时间不宜大于20ms；
7 滤波器应具备过、欠电压保护功能，当负载交流输入电压高于115％Ur或电压低于85％Ur时，滤波器应停止输出并输出报警信号；当电压恢复至允许偏差范围内时滤波器应自动投入运行；
8 滤波器应具备过载保护功能，当负载侧谐波源的谐波电流大于装置额定电流时，滤波器输出电流应限制在其额定值内；
9 滤波器应具短路保护功能；
10 滤波器宜具备分相补偿功能。
4.5.2 Dy型变压器虽然并非为抑制谐波而设计，但是能有效阻断3次及其倍数次谐波电流在变压器两侧的传播，但其代价是变压器将承受更严重的温升、振动和噪声。
应当注意的是，影响配电变压器联结组的选择的首要因素是用电安全。例如，当Dyn11联结组的变压器高压10(6)kV线路由架空线路供电时，如果高压侧发生架空线一相断线或跌落式熔断器单相熔断，则变压器低压侧有两相负荷的电压降为1/2相电压，接在这两相上的单相电动机负荷的起动矩降为其额定起动转矩的1/4(即Mq＝1/4Meq)，这时可能会因电机堵转而大量烧毁以电机为动力的电器。因此，对由架空线路供电的或由跌落熔断器保护的变压器向住宅等单相电机负荷较多建筑物供电时，不宜选用Dyn11联结组，而应选用Yyn0联结组的变压器，或选用单相变压器。因为对Yyn0联结组的变压器而言，当发生上述故障时，其低压侧接在与故障相关相上的单相电动机的轴转矩Mq＝0.75Meq，这时家用电器等的单相电机不会堵转而烧毁。
4.5.4 谐波源设备集中布置便于谐波治理；谐波源设备布置在靠近电源侧，可减少其对下游设备的谐波骚扰。
4.5.6 供电线缆截面放大一级可以有效降低医疗设备电源侧的阻抗，有利于改善相关线路的电压波形，确保此类医疗设备的稳定运行。降低配电变压器的内阻也是有效措施之一，但成本相对较高。
4.5.7 一般而言，谐波电压畸变取决于电网的电能质量、负载在不同条件下的特性，也和系统阻抗有关。
国际电工委员会标准《公共电网系统中低频传导干扰和信号兼容水平》IEC 61000-2-2和《基本EMC出版物-电磁环境的分类》IEC 61000-2-5把供配电系统按谐波骚扰程度分为“A、1、2、X”四级。为适应我国设计人员的使用习惯，本规范采用“一、二、三、四”的分级方法，一级代表谐波骚扰最少，以此类推。表中一级干扰采用了《工业低频传导干扰的兼容水平》IEC 61000-2-4中工业一类电磁环境的相应数据。二级谐波骚扰强度即可完全满足本规范4.2.2条的要求.三级则基本不满足该条的要求。
分级的定义是基于统计意义上的。为满足EMC电磁兼容要求，有必要控制众多数量功率不大的设备的谐波电流发射限值，并视需要采取包括滤波在内的谐波抑制措施。
参照《低压开关柜和控制柜-型式试验和部分型式试验装置》IEC 60439-1第7.9.3节，13次以下各奇次谐波电压分量最大为5％。EMC电磁兼容原则要求设备的最低抗扰度限值(Immunity limit)尽可能高于设备的最高发射水平(Emission limit)以取得良好安全裕度。从系统控制角度应限制总的发射水平。故在经济合理时，总谐波电压畸变率宜限制在5％以下(近似于本规范中的一级骚扰电磁环境)。
4.5.8 当配电系统的谐波骚扰强度超过三级时，系统已不满足本规范第4.2.2条的要求。
考虑谐波影响时，功率因数为：
式中：P——有功功率；
S——视在功率；
PFdisp——位移功率因数；
PFdist——畸变功率因数。
对于无限大电力系统而言，可以近似地认为其内阻为零，故有THDu＝0，于是可以得出：
4.5.11 谐波电流会导致变压器温升增加、出力降低，必要时可采用常规变压器降容使用或采用按K系数设计并制造的变压器。
K系数变压器适宜向谐波含量较高(THDi＞5％)的负载供电，必须依照这些负载进行专门设计。《非正弦负载电流供电变压器容量的确定的推荐做法》ANSI C57.110-1986中，提供了当高谐波电流出现时变压器内热效应的计算方法。此方法算出一个数值，被称为“K系数”，该系数与变压器铁心中涡流损耗有倍数关系，而涡流又与引起变压器发热的谐波电流有关。变压器制造商通过这个数据设计变压器铁心、绕组及绝缘体系，以使其比标准设计的变压器能耐受更高的内部热负荷(温升)。简单地说，一个K系数变压器可以比同类标准设计的变压器耐受接近K倍的内部热负荷(如K4变压器与一个同类ANSI标准非谐波额定变压器相比，在不缩短机械寿命及变压器承载能力的前提下，K4变压器可承受约四倍于该标准变压器的内部热负荷)。
必须注意的是，K系数仅仅说明变压器承受内部热负荷的能力，采用K系数变压器并不代表配电系统或其负荷的谐波情况能够有所改善。
K系数变压器有下列特点：
(1)低于正常的磁通密度，因此可以承受由谐波电流引起的过电压；
(2)在一次和二次绕组的每匝线圈上使用了电磁屏蔽，从而减弱了较高频率的谐波；
(3)配置了一条中性线，其规格是相导体的二倍，以解决3次倍数谐波引起的中性线电流增加问题；
(4)绕组被设计成由多个较小尺寸的平行导体组成，从而减少了高次谐波下的集肤效应。
在某些发达国家，如果配电系统的K系数超过4，就应使用K系数变压器，或者按降容系数D将普通变压器的额定出力打折后使用(也即选用更大容量的变压器)。
4.5.12 串联调谐电抗器配比(电抗率)的计算方法：
调谐频率fn处：
式中：XL——电抗器基波感抗值；
XC——电容器基波容抗值；
n——谐波次数。
在确定电抗器容量时，应使实际调谐频率应小于理论调谐频率(即希望抑制的谐波频率)，以避免发生系统的局部谐振。还应考虑一定裕度，因为当电容器使用时间较长后，其介质材料退化，从而导致电容值下降，引起谐振频率的升高。表7提供了电抗器推荐值。
表7 电抗器推荐值
4.5.13 谐波电流会导致电容器承受的端电压升高。设计师可根据谐波源设备的占比，选择不同耐压水平的电容器。
表8为对各种容量变压器都适用的选型原则。
表8 电容器选型方法(一)
当变压器Sn≤2MVA时，可按表9简化处理。
表9 电容器选型方法(二)
注：Gh——连接到有电容器组的母线上所有产生谐波源装置(静态变换器、变频器、速度控制器等)的视在功率额定值的总和。应当注意的是，12脉及以上的整流器、已采取非常有效的谐波抑制措施的谐波源设备等均不应计入；
Ssc——电容器组端的三相短路容量(kVA)；
Sn——系统中变压器视在功率额定值的总和。
4.5.14 一般而言，不对称控制可能使非线性负载的谐波发射量增加。
- 上一节：4.4 电气设备的谐波抗扰度
- 下一节：4.6 供配电系统电压异常及其防治
