电气化铁路接入电网谐波预评估有关问题分析及谐波国家标准修订建议

吴命利，杨少兵，翟铁久

(1.北京交通大学 电气工程学院，北京 100044；2.中国铁路总公司 工程管理中心，北京 100844)

电气化铁路因具有运输能力大、能源利用率高、环境友好等优势而成为中长距离客货运输的主要方式，在世界各国都得到了大量应用。近年来，我国电气化铁路得到了飞速发展，尤其是高速铁路，开通里程、运营速度和在建规模都位居世界前列，随着“四纵四横”高速铁路网的逐步建成，铁路一票难求的局面得到极大缓解。电气化铁路电力机车和动车组牵引功率大，具有快速移动性，属于非线性的单相负荷。因此，电气化铁路会产生负序电流和谐波电流，并通过沿线设置的牵引变电所注入到高压电网。负序电流作用到系统负序阻抗上会产生负序电压，从而引起电网电压三相不平衡；谐波电流作用到系统谐波阻抗上会引起谐波电压，从而造成电网电压波形畸变。另外，快速变化的牵引负荷还在系统中产生电压损失，进而引起电网电压波动。电能质量问题一直是电气化铁道牵引供电领域的研究重点，并受到电力部门越来越多的关注[1-6]。

为规范牵引站接入电网的技术标准，加强电气化铁路供电管理，国家电网公司2009年组织制定了《电气化铁路牵引站接入电网导则(试行)》(国家电网发展〔2009〕974号文)。近几年，国家电网公司供电范围内的电气化铁路新建项目和扩能改造项目，无一例外都遵照这个导则要求对牵引变电所接入电网设计方案进行了电能质量评估。通常的做法是，电气化铁路项目建设单位出资委托有资质的省级电力勘测设计院、电力(科学)研究院或专业技术服务公司，对牵引站接入电网的设计方案进行电能质量评估，具体委托给谁通常是由省电力公司决定，铁路出资方并没有话语权。

近几年所完成的电气化铁路接入电网电能质量评估中，出现了一些争议，也暴露出了一些问题。有些问题是由于铁路和电力双方资料年份不对应，原始数据不详细、不准确造成的；有些问题是由于评估中标准理解不一致、评估方法和评估手段有缺陷所致；也有一些问题则是因为评估过程欠规范，使得评估结果不够客观，受人为因素影响较严重。

本文首先拟结合评估标准及其限值取值方法对电铁接入电能质量评估中出现争议和问题较多的谐波预评估进行探讨，目的是帮助参与评估的有关铁路和电力工程技术人员更理性地对待评估结果和出现的争议，避免国家投资浪费。

其次，由于自2007年国家标准化委员会就启动了新一轮电能质量系列国家标准的修订工作，其他四项电能质量国家标准，包括《电能质量 电力系统频率偏差》、《电能质量 供电电压偏差》、《电能质量 三相电压不平衡》和《电能质量 电压波动和闪变》，于2008年修订完毕，但谐波国标由于涉及问题复杂，争议较多、较大，至今未能完成修订。本文结合我国电网情况、电铁谐波现状和电铁电能质量评估中出现的问题，对谐波国标修订中的电压总谐波畸变率限值以及谐波电流提出建议。

1 评估中的谐波标准问题

电铁接入电网电能质量评估，实际上是“预评估”，主要依据是设计资料和参考标准。除设计资料是否准确、详细外，所采用的标准直接影响评估结果。

我国对电气化铁路谐波问题的关注由来已久，自20世纪80年代至今电力部门和铁路部门关于电铁谐波限制标准取值问题就一直存有争议[3，4]。最初制定谐波国家标准时，双方在原国家技术监督局协调下形成了“关于发送《电能质量 电力系统高次谐波分量》国家标准起草协调会纪要的函”(技监标发〔1992〕052号)。纪要中明确：“鉴于目前电气化铁道的特殊性，公用电网谐波标准暂不适用于电气化铁道。对电气化铁道接入公用电网的谐波要求，由两部另行签订协议解决。”因此，多年来铁路部门对1993年颁发的谐波国家标准GB/T 14549—93《电能质量 公用电网谐波》[7]对电气化铁路的适用性一直持有异议。铁路方的观点是：向电气化铁路供电的110 kV电网公共连接点(PCC)电压总谐波畸变率限值应取3%，并且不应再限制牵引变电所向电网注入的单次谐波电流。这与现行谐波国标中规定的110 kV电网电压总谐波畸变率限值为2%，同时根据接入点电网条件限定每个用户注入的各次谐波电流存在明显差距。根据纪要精神，原铁道部1996年曾组织研究并编制了《两部电铁谐波协议》(建议稿)，但未得到原电力部认可。电力方认为：公用电网谐波不能搞双重标准，电气化铁路不能搞特殊化，牵引站接入电网也必须要遵守已颁布的谐波国标。

2000年国家质量技术监督局颁发了GB/Z 17625.4—2000《电磁兼容限值中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》，等同采用了IEC 61000-3-6[8]。该文件引入了谐波电压兼容水平、规划水平和发射水平等概念，并规定了畸变负荷接入的三级评估方法。铁路方面认为该文件“考虑比较全面，通用性较强，对电铁牵引畸变负荷也是适用的”[3]。然而，电力方面对该文件能否作为谐波标准出现不同看法[9-12]。

值得说明的是，现行谐波国标是推荐性标准而不是强制性标准。《中华人民共和国标准化法》第十四条中规定：“推荐性标准，国家鼓励企业自愿采用。”推荐性标准规定的技术内容和要求具有一定的普遍指导作用，但又不宜强制执行，国家鼓励企业结合自身实际情况，自愿灵活选用。

电气化铁路谐波限值如何取值，不仅仅是技术问题，也与经济密不可分，涉及供用电双方的实际利益，如果对电气化铁路谐波限制过松，会进一步恶化电网电能质量，但如果限制过严，则可能会造成国家投资的巨大浪费。考虑到谐波国标的修订工作正在进行之中，现行标准用于电气化铁路的一些不合理因素以及所导致不良后果已逐步显现，我们认为国家电网公司推动的以现行谐波国标为依据的电气化铁路接入谐波预评估只宜作为接入方案的对比以及牵引变电所是否需要预留滤波设备安装条件的参考，不应据此强制用户安装滤波设备。

2 评估中的用户谐波电流限值问题

这几年完成的电铁接入电网评估案例中，一个经常出现的结论是：电网公共连接点谐波电压总畸变率合格(通常不到1%，即限值一半)，但牵引变电所注入电网的谐波电流明显超标，其中3次谐波电流甚至超出允许值数倍。稍作分析就会发现导致这一结果的原因是现行谐波国标存在原理性缺陷，不能很好地适用于电气化铁路。

2.1 谐波电流允许值确定方法

现行谐波国标中，在计算单个用户向PCC注入的谐波电流允许值时，使用了公共连接点的供电设备容量St这一技术参数，即[7]

( 1 )

式中：Ih为注入PCC的对应电网实际短路容量的第h次谐波电流允许值，A；Ihi为第i个用户的第h次谐波电流允许值，A；Si为第i个用户的用电协议容量，MV·A；St为PCC处的供电设备容量，MV·A；α为相位迭加系数，按表1取值。

表1 相位迭加系数

谐波国标中确定单个用户谐波电流允许值的思路是把造成PCC电压畸变的谐波电流平等分配给各用户，所谓“平等”是考虑各用户用电协议容量大小，按它们占PCC供电设备容量比重来分配，大用户多分，小用户少分。注意这里不仅仅只是非线性用户，而是包括所有用户。这其中隐含认为全部用户用电协议容量之和等于PPC供电设备容量。由于线性用户并不产生谐波电流，它们分到了谐波电流指标，但并没有实际注入，但又不让非线性用户多注入。如果把电网谐波承受能力看作是一种资源的话，这种分配方法实际上没有充分利用资源，对非线性用户则显得限制过严。因此，实际中往往就会出现：电网PCC电压畸变并不严重，甚至远小于国标限值时，非线性用户向电网注入的谐波电流已经显著超标了。而且按这一思路，就会出现随着电网增容，PCC谐波承受能力实际增大，但非线性用户的谐波电流限值会进一步减小的不合理结果，系统容量越大，非线性用户越无法接入电网。显然，这种情况下投资治理谐波，某种程度上就是浪费。

2.2 公共连接点供电设备容量取值

从式( 1 )可知，用户的用电协议容量Si和PCC供电设备容量St的取值会直接影响用户能分配到的谐波电流指标。

牵引变电所一般采用固定冷备用方式安装两台主变压器，正常供电时，有一台作为备用不上电，只有一台运行，因此只应取一台变压器容量作为用电协议容量。这一点理应不存在异议，但仍有文献认为应计入备用变压器容量[10，11]。计入备用容量，用户可以多分得向PPC注入谐波电流允许值，但负荷谐波电流也相应增大，对用户是把“双刃剑”。

在PPC是高压变电站的负荷侧母线时，供电设备容量St取供电变压器容量即可，不存在分歧。以图1为例，某110 kV牵引所由一220 kV地方变电站的110 kV母线供电，此时，该110 kV母线为PCC，而供电设备容量即为220 kV变电站主变容量S1。

图1 牵引所接入高一级变电站的低压侧母线

这里要说明的是，给电气化铁道供电的地方变电站通常至少两台主变压器，正常并列运行，供电设备容量按1台取值还是按2台取值，取决于确定式( 1 )中PCC谐波电流允许值Ih时所用到的实际短路容量是如何计算的。按谐波国标规定应取PCC最小短路容量，然而最小短路容量按何种电网条件来计算，实际上并无明确规定。但不管最小短路容量如何计算，确定供电设备容量的电网条件应与确定最小短路容量的电网条件一致，即，如果该最小短路容量对应两台并列运行，则供电设备容量取2台值，如果该最小短路容量对应单台运行，则应取1台值。文献[2]曾针对此问题进行过计算对比，说明不合理的供电设备容量取值会导致对用户谐波限值过严。

当220 kV牵引所的进线接至220 kV地方变电站的220 kV母线时，由于此时不存在明确的所谓“供电设备”，现行谐波国标中并未明确St如何取值。在近几年的电铁接入电网谐波预评估中，出现了不同处理方法。

下面根据牵引变电所接入的220 kV母线在电网中的不同地位，分为两种情形来分析。

情形1：如图2所示，220 kV地方变电站为高压电网的一个终端变电站。此时PCC为牵引所接入的220 kV母线。一种简单做法是直接取S2作为供电设备容量，但是显然不合理，因为220 kV变电站(S2)不是给牵引所(S3)供电的设备。按照谐波国标确定用户谐波电流允许值的思路，一个似乎“较为合理”的做法是，用所有用户用电设备容量总和来代替PPC供电设备容量，即

St=S2+S3+S4

( 2 )

图2 牵引变电所接入220 kV终端变电站

由于不同用户负荷通常具有不同时性，实际供电容量通常总会小于用户用电设备容量总和，这样计算显然对用户不利。这在PCC接有较多用户、供电容量较大情况下，非线性用户向PCC注入的谐波电流就容易超标。

情形2：如图3所示，220 kV地方变电站是高压电网的一个中间变电站。此时PCC仍为牵引变电所接入的220 kV母线。一种极端做法是：把作为PCC的220 kV母线所联络的所有变电站的主变容量的总和作为供电设备容量，即[13]

St=S1+S2+S3+S4

( 3 )

图3 220 kV牵引所接入220 kV环网变电站

从PPC点功率平衡来看，系统供电功率和各用户用电功率时刻相等，连接在PPC上的所有线路不可能全部都是用电方，把所联络的所有变压器都算作该PCC的用户用电设备显然不合理。

按照谐波国标确定用户谐波电流允许值的思路，一个似乎“相对合理”确定St取值的方法是考虑PPC所连接线路的功率实际流向。仍以图3为例，分为3种情况：

(1)功率由两侧220 kV母线流向中间PCC，此时

St=S2+S3

( 4 )

(2)功率由左侧220 kV母线流向PCC，经PCC再流向右侧220 kV母线，此时

St=S2+S3+S4

( 5 )

(3)功率由右侧220 kV母线流向PCC，经PCC再流向左侧220 kV母线，此时

St=S1+S2+S3

( 6 )

实际上，在上面的式( 5 )和式( 6 )中，是否要把S4和S1都加进来也是值得商榷的。1996年出版的IEC 61000-3-6[8]中提出了一种引入相邻母线谐波影响系数的处理方法，试图解决此问题。2008年的新版标准[14]做了进一步完善，增强了可操作性，但计算量比较大。如何把谐波指标分配给各用户，本质上涉及不同谐波源的迭加规律和谐波概率特性，文献[15，16]研究了电气化铁道牵引负荷谐波的迭加指数和同时系数，指出了标准中按一般三相谐波源确定的数值并不完全适用于电铁谐波。

当非线性负荷不是由某变电站负荷侧母线供电，而是从高压环网母线接入时，就不宜再使用“公共连接点”和“供电设备容量”这两个概念。在配电网中，往往有一个总降压变电所，其低压侧母线通过辐射状线路供电给多个用电设备，这两个概念有明确含义。但是，在高压母线相连的输电网中，即使确定了PCC，也无法确定哪是PPC供电设备。因此在输电网中必须弃用这两个概念。所以，采用现行谐波国标把220 kV母线的谐波电压(电流)指标分配给220 kV接入的电铁牵引变电所，很难获得一个公认合理的结果。这种情况下，必须结合高压环网具体结构和非线性负荷分布情况，通过比较严格的谐波潮流计算，确定高压母线之间的谐波影响和各用户的发射限值，需要今后深入探讨。当然，对于非线性负荷直接接入110 kV环网母线的情况也一样。正如前面所指出的，一个能充分利用电网谐波容纳能力，在保证电网电能质量的前提下，尽量减少不必要滤波投资的方案是把谐波指标在非线性用户间进行分配。

3 评估中的其他问题

在现行谐波国标中，判断谐波是否超标采用的是实测值的95%概率大值。但在预评估中，通常取牵引负荷最大谐波电流(对应最严重工况)来计算，所得结果一般也对应畸变最大值。直接用计算得到的最大值对是否超标下结论显然过于武断，特别是对电气化铁道这种剧烈波动性负荷。在一天的负荷周期内，峰值负荷很大，但是平均负荷很低。严格的谐波评估应该基于动态仿真。由铁路建设部门提报各牵引变电所负荷仿真过程曲线，考虑到牵引负荷谐波含量的随机离散型，应该对牵引负荷谐波含量进行切合实际的概率建模，通过蒙特卡洛随机仿真方法来确定电网敏感点的畸变水平。对电网也应该采用精确的三相谐波模型，充分考虑牵引负荷谐波的不平衡和三相电网在谐波频率下的行为复杂性。

在实际评估中，铁路和电力双方互提资料的内容还缺乏细致规定，评估手段和评估方法也未达成共识。接受委托的评估单位在评估过程中与铁路建设单位还没有建立规范有效的沟通机制。当前的实际情况是，评估单位往往只对电力方面负责。原则上应该作为“独立第三方”的评估单位的客观公正性难以得到有效保证。因此，目前谐波预评估结果不宜直接作为供电方强制要求用电方采取治理措施的依据。

4 对谐波国标修订的建议

4.1 各级电网的总谐波电压畸变率

建议在修订谐波国家标准中，把电网按标称电压仍划分为4个等级来确定电压总谐波畸变率限值，见表2。表3给出了现行谐波国标的限值[7]，以便对比。

表2 电压总谐波畸变率限值

表3 电压总谐波畸变率限值

考虑到低压非线性用电设备越来越多，不管是工业用电，还是居民用电，380 V低压电网的谐波畸变水平逐渐增高，有必要把总谐波畸变率从5%放宽到6%。按我国行业惯例以及IEC相关标准(比如文献[14])，一般把标称电压大于1 kV而小于或等于35 kV的电网都归为中压电网。在我国，使用最广泛的中压等级是10 kV 和35 kV，它们在电力系统中的地位和作用基本相同，在运行管理方式、技术标准和设备水平等方面也无实质差别。我国不少地区，仅保留发展35 kV和10 kV中的一个。因此在确定谐波畸变限值时，不宜把它们划为不同等级区别对待。6 kV和20 kV仅用于特定厂矿供电系统和个别地区，均属中压，应同10 kV 和35 kV一样对待。我国东北地区独有的66 kV 电压等级不应与中压35 kV并列，而应与其他地区的110 kV电压等级同等对待。

我国电网主架已变为500 kV，甚至更高等级的特高压电网也发展迅速。110 kV等级逐渐成为高压配电电压，在系统骨架中的作用降低。随着电气工业发展，大容量非线性负荷通过专用降压变压器接入甚至直接接入110 kV电网的情况越来越多，另外，可再生能源发电和电动汽车充电负荷不断增加，电力电子装置产生的高次谐波在电网谐波源中的占比会越来越大。可以预计未来较长一段时间内，对包括110 kV在内的配电网来说，谐波畸变水平会一直呈现不断增长趋势。国外的情况也与国内相似，谐波标准的每次修订都是在放宽限值。如果110 kV电压畸变限制过严，一方面可能导致不必要的谐波治理投资浪费；另一方面如果存在大量谐波超标而又无法投资治理，且并未干扰电网运行的现象，反而会削弱国家标准的严肃性，不利推行。

从已有测试数据来看，如110 kV电网电压总谐波畸变率限值取2%，我国目前将会有接近半数110 kV 接入的电铁牵引所超标。但实际上，随着我国在电网中的继电保护装置、电容补偿装置等谐波敏感设备逐渐采取一些抗谐波措施，110 kV电网因谐波过高而引发的电能质量事故并不频繁。

我国2007年启动谐波国标修订的一个目的是要向国际通用标准靠拢。IEC最新关于中压、高压电网的谐波技术文件[14]规定，中压电网的总谐波畸变率规划水平为6.5%，高压(大于35 kV并且小于或等于230 kV)和超高压(大于230 kV)电网为3%。表2中建议把66 kV和110 kV放在一个等级，畸变限值取3%，220 kV及以上取2%，是考虑了我国具体国情的，较IEC要严，同时比现行国标稍微放宽，既能对电网安全运行起到积极作用，又能适应今后发展趋势。

4.2 谐波电流

从电网传输电能角度看，电网具有恒压性质，提供的是稳定的电压。电网中的电流是由用电设备的运行状态及其电气负荷特性决定的，不是一个稳定的电气量，随时间可能大范围变化。衡量电网供电质量的显性电气量应该是电压，而不是电流。可以认为，如果电网电压谐波不超标，就代表供电质量畸变水平合格。换句话说，如果供电电压畸变达标，谐波未危害任何电网和用电设备，就不应再限制用户向电网注入的谐波电流。既然系统能够承受一定程度的畸变，显然充分利用电网吸纳谐波能力就可以节省一部分治理谐波的额外投资。

我国目前电气化铁路还有大量采用传统直流传动技术、靠二极管和晶闸管构成单相整流电路的SS系列电力机车在服役，这些机车3次谐波电流含量都在20%左右，按现行谐波国标，几乎运行传统机车的所有110 kV接入牵引变电所谐波电流都会超标。对采用220 kV接入的高铁变电所，尽管由于高速列车采用了PWM整流技术，谐波电流含量相比较而言大为减小，但由于谐波电流限值分配方法不合理，仍会有大量高铁变电所谐波电流超标。

国内外谐波标准确定谐波电流限值的出发点，都是为了保证电网电压畸变不超标[7，14，17]。从这个角度看，当电网电压总谐波畸变率不超标时，就没有必要立即限制单个用户的谐波电流。只有当畸变严重到PCC电压谐波超标时，才有必要进一步寻根问源，看各用户向PCC注入谐波电流是多少，是哪些用户造成的电压畸变。因此，在标准中给出的谐波电流限值，只宜作为电压超标后非线性用户进行谐波治理的参照量，而不应该作为判断是否允许非线性用户接入电网的限定量。

5 结论

目前的谐波国标在谐波电流限值取值及其向用户的分配方法上存在明显不足，适用于配电网的公共连接点概念，无法用于输电系统。当非线性用户直接接入高压环网母线时，按谐波国标无法合理确定供电设备容量取值。

我国铁路和电力双方在电铁谐波限值及评估方法上尚未达成一致，谐波国标也正在修订之中，目前进行的电铁牵引站接入电网谐波预评估，还没有引入真正的第三方评估机制，如果把预评估结果直接用作强制用户采取谐波治理措施的依据，可能会造成国家投资的浪费，目前只宜作为工程参考。比较稳妥的做法是，在电源薄弱的牵引站预留增设滤波装置条件，待投运后，依据实测结果决定是否需要投资治理。

谐波国标的修订既要针对我国电网实际条件，又要考虑今后的变化趋势，同时还要结合国际相关标准的发展情况。建议低压380V电网的电压总谐波畸变率放宽到6%，中压(6 kV、10 kV、20 kV、35 kV)电网的电压总谐波畸变率统一取为4%，而高压(66 kV、110 kV)电网统一取为3%。在电网电压畸变不超标的情况下，考虑节省投资和充分利用电网谐波承受能力，可以先不必限制单个用户的谐波电流。只有当电压谐波超标时，才有必要让用户以谐波电流限值为目标进行治理。

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