如何更好地满足小功率电气和电子设备的标准？

谐波的产生对系统的功率因数和电能质量产生极大的负面影响，使公用电网的电能质量问题日益突出。日本电气学会在1997年发表的技术报告，根据调查结果指出谐波电压具有如下特点，从时间段看，在每天19～22时电压畸变率最高大，其次是白天，深夜最小；谐波大小与电视的收视率相关性很大；电压谐波分量中以5次谐波最大；低压配电系统电压的谐波含有率远高于高中压系统，并且增长最快，这一切说明谐波电流源主要位于配电系统中。而日本1994年的调查更显示配电网中住宅区的谐波含量是工业和商业区的1.3倍。调查表明包括计算机、空调器和电视机在内的前端变流器采用为整流器的非线性负荷在现代家用和商用电气设备中的比例已高达50%～90%，家用电器产生的谐波对公用电网电压畸变起着越来越大的影响。为了应对上述谐波干扰问题，国际电工委员会（IEC）分别在1995年和2000年两次对标准进行了修订，在新版IEC 61000-3-2《谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A》中，特别将个人计算机及其监视器和电视接收机这类有功功率不大于600W，但由于数量大、使用时间长、同时性强、谐波频谱宽，从而对公用电网的供电质量具有很大影响的电气设备列为D类。日本能源厅也于1994年9月发表了一个针对300V以下配电系统中使用的额定电流为20A电气电子设备的《家用电器和通用电器谐波抑制导则》，导则要求将配电网的谐波水平抑制到5%以下。我国于1999年12月开始执行的国标GB l7625.1—1998《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）》等效采用了1995年版的IEC 61000-3-2的规定，其中D类设备沿用了1995年标准中关于输入电流具有“特殊波形”的规定。应当指出的是，由于新版IEC61000-3-2中消除了该项规定，所以按照国标和原IEC标准属于D类的电气和电子设备，在新标准下除了个人计算机和电视机等特定设备之外的其他设备应符合A类设备的限值。

新版IEC标准将电气与电子设备分为四类：

A类：

·平衡的三相设备

·除了D类加以专门指名的设备以外的家用电器

·除了便携式工具以外的工具

·白炽灯调光器

·音响设备

以及没被以下三类设备列入的设备均看做是A类设备。

B类：

·便携式工具

·非专业的弧焊设备

C类：

·照明设备

D类（设备功率小于等于600W的下述设备）：

·个人计算机和个人计算机的显示器

·电视机

值得注意的是，对电力系统具有显著影响的设备在未来的标准修订时可能会被重新加以分类。影响的因素包括：

·使用中的该类设备的数量

·使用的持续时间

·应用的同时性

·功率消耗

·谐波幅度和相位频谱

D类设备的限值主要为上述因素指出的对公用电网具有显著影响的设备保留。

除便携设备（B类）以外的低压电气和电子设备的谐波电流限值见表4-4。(www.xing528.com)

表4-4 IEC61000-3-2低压设备的限值

注：λ^*表示功率因数。

注意到A类设备的限值是用最大谐波电流的形式，以绝对值给出的。而D类设备则分别用相对值和绝对值两种的形式给出，当D类设备容量达到其上限，即P=600W时A、D类设备的谐波电流限值相同。而对于低于该容量的设备，采用相对值，用意在于对具有高峰值系数的设备进行惩罚。而对偶次谐波的惩罚则表明了需对波形不对称进行限制的要求。再注意到对谐波次数大于15次时，D类设备限值[3.85P/（1000n）]与A类标准限值（2.25/n）均是谐波次数的函数，所以两者限值之比（584.4/P）和谐波次数无关，故是同一条曲线。由此得到的75～600W之间设备3～15次谐波限值之比与输入功率的关系可以如图4-5所示。在图中可以看到，在低功率时，A类设备限值比D类高得多，而随着功率增大两者，逐渐趋于接近，但始终大于1，所以对于除计算机和电视机之外的小功率电气和电子设备而言，IEC修改后的新标准更容易得到满足，比如在新标准条件下，一个300W的充电器属于A类设备，它所允许的谐波电流含量即为原标准600W充电器的谐波含量，因此可以降低对谐波抑制的要求，从而简化结构，使设备的造价降低。图4-6所示为一个220V、300W单相整流器在滤波电感为19mH、滤波电容为940µF时的电流频谱和标准限值的关系。

对于工作电压600V以下、单相电流大于16A的低压电气设备，其谐波电流发射限值，IEC则利用标准IE C61000-3-4：1998来加以规定。该标准将设备的连接方式分为3级，即当短路比（接入点短路容量与设备额定容量之比）不小于33且设备谐波发射值满足表4-5限值要求时，该设备可以在任何地点接入供电系统，属于第一级；第二级为与实际网络相关的发射限值，即当谐波电流发射量大于上述限值时，如果短路比大于33，则可以相应提高限值；设备不具备上述两级的要求，或设备输入电流大于75A时，供电主管部门可以根据与用户协议的容量决定是否允许接入系统，则属于第三级。

图4-5 A与D类设备限值之比与输入功率的关系

图4-6 试验电路输入电流频谱和标准限值

表4-5 第一级设备（S_equ≤S_sc/33）谐波电流发射限值

注：I_n—谐波电流分量；I₁—额定基频电流；S_equ—电气设备的额定视在功率；S_sc—短路容量。

对于范围从1～35kV的中压系统，由于没有一个国际公认的参考阻抗，所以现在还没有一个发射标准。IEC则利用标准IEC 61000-3-6：1996提出一些原则规定。该标准提出对于中压畸变负荷发射限值的三级评估方法：第一级为当某个设备的协议功率与公共连接点的短路容量之比（短路比）S_i/S_sc≤0.1%时，可以直接接入系统而不需进行详细计算，而由厂家负责对谐波发射值加以限制；第二级则根据网络特性确定限值，其原则是，如果公用电网处于满载情况下，并且所有设备均按各自的发射限值将谐波注入系统，此时的谐波干扰应等于规划水平；第三级指在特殊和根据不足的情况下接受较高的发射水平；此时用户和电力公司应对方便上述设备接入系统的特殊情况达成协议，并且对实际的和将来的系统特性进行仔细的研究，以确定特殊的情况。而在所有上述情况下用户均应保证其设备发射的干扰低于协议的限值。国标GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》则分别对公用电网谐波电压和全部用户向公共连接点注入的谐波电流分量（方均根值）规定了允许值。上述标准为与公用电网相连的各种电气和电子设备所产生的谐波规定了限值，为了满足上述标准的要求，绝大多数标准的开关电源均需要采用某种形式的谐波抑制措施，来限制装置内部所产生的谐波，其限值见表4-6和表4-7。

表4-6 公用电网谐波电压（相电压）限值

表4-7 注入公共连接点的谐波电流允许值

表4-8给出了IEEE建议的根据负荷容量与所接入的系统容量的比确定的谐波电流限值。为了使描述谐波电流的方式统一，IEEE 519-1992定义了另一个术语，TDD（Total Demand Distortion）总需求畸变，这个定义和总谐波畸变相同，只是同额定负荷电流的百分比而不是基波电流幅值的百分比来表示，这里所定义的负荷电流I_L应采用前12个月最大电流需求的平均值。

表4-8 配电系统电流失真限值（120～69000V）^[4]

注：1.I_sc—公共连接点最大短路电流。

2.偶次谐波含量应小于上述奇次谐波限值的25%；并且不允许会引起直流偏置的电流失真。

作为谐波的一种形式，间谐波可能出现在各个等级电压的网络中。它们可以以离散频率或者很宽的频谱形式出现。间谐波波形畸变的主要来源是静态变频器、周波变频器、异步电动机和电弧装置。电力线载波信号也可以被认为是一种间谐波。间谐波的影响还没有被广为认知，但是已经表现出影响电力线载波信号，并且会给白炽灯和显示设备带来视觉上的闪烁。为避免白炽灯和荧光灯的闪变问题，对两倍基波频率以下的间谐波宜限制到0.2%以下；为了避免如电视机、异步电动机（噪声和振动）和低频继电器出现问题，间谐波应不超过0.5%；通常对于间谐波的规划水平取为0.2%。