谐波电流检测及实例结果分析

林 为

（佛山职业技术学院，广东 佛山 528137）

0 引 言

谐波的产生主要源于各类用电设备或系统中存在的非线性元器件或负载，典型的例子是二极管整流器和滤波电容的组合[1]。这些拥有非线性特性的设备在工作时产生谐波电流，而谐波电流流过电力系统的阻抗产生谐波电压。这些谐波电流与谐波电压因为频率和相位不同，并非简单的同步相加，而是以向量的方式叠加。

用电设备产生的大量谐波电流注入电网将造成电压畸变，危害电网中其他用电设备的正常工作。同时，谐波电流是导致功率因数下降的两个主要原因之一（另一原因是电流和电压相位不同）[2]。

按照现行谐波电流的检测国标GB 17625.1—2012《电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16 A）》，额定功率大于75 W的大部分电气电子设备、75 W以下的照明设备都需要进行谐波检测（第7章提到的免测设备除外），可见谐波电流测试相当普遍。该标准包括术语和定义、设备分类、通用要求以及谐波电流限值等章节，技术含量较高，有些章节专业性较强，尤其是限值的应用（如何评定测试结果）等环节，对初次涉足该领域的技术人员来说理解存在一定难度。本文以实际测试数据为例加以解读，说明评定测试结果的方法，期望能够帮助理解和更好地实施该标准。

1 关于标准

谐波电流检测现行的国家标准为GB 17625.1—2012《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16 A）》。该标准为强制性国家标准，等同采用国际标准IEC 61000-3-2-2009，适用于输入电流小于或等于16 A的接入公共低电压网络的电子电气设备。

1.1 设备的分类

检测前，应事先明确设备（EUT）的类型，因为不同类型的设备标准规定了不同的限值。

标准将EUT分为4大类，如表1所示。

表1 GB17625.1设备分类表

下列设备在本标准不做限值的规定，即免测设备（见文献[3]第7章）：

（1）额定功率75 W及以下的设备，照明设备除外。这类设备的特点是功率小，即使电流波形有明显畸变，但其电流和功率小，对电网影响有限。对于A、B、D类设备，只要其功率小于75 W，就无需做电流谐波测试。照明设备因为功率普遍不高（多数在75 W以下）但数量众多，对电网的影响不可忽略，不能豁免。

（2）总额定功率大于1 kW的专用设备。标准对专用设备的定义是“在商业、专业或工业中使用而不出售给一般公众的设备”。工业（工厂）中使用的设备，通常属于专用设备。但是，有些民用设备，应视其应用场合确定是否属于专用设备。例如，功放如果用于舞台、广场等公共场所则属于专用设备，用于家庭、住宅场合则不属于专用设备。专用设备超出本标准的考察范围，应按其他标准的要求处理。如果专用设备总额定功率小于1 kW，因为不属于B、C、D类设备，只能归到A类设备进行检测。

（3）额定功率不大于200 W的对称控制加热元件。“对称控制”是一种将控制装置设计成在交流电压或电流的正负半周内按相同方法操作的控制方法。如果某个设备采用对称控制如发热丝、发热管（棒），且额定功率不大于200 W，通常认为其产生的谐波电流较低，无需进行谐波电流测试。如果超过200 W，归为A类设备处理。

（4）额定功率不大于1 000 W的白炽灯独立调光器。这种调光器直接豁免，大于1 000 W则归为A类设备处理。

（5）标称电压低于220 V（相电压）的设备（系统）。

1.2 限值

不同类别的设备，标准定义了不同的限值。其中：A类设备输入电流的各次谐波不应超过表2给出的限值；B类设备输入电流的各次谐波不应超过表2给出值的1.5倍。由此可以看到，对于B类设备（便携式工具），由于使用时间较短，其限值比A类设备有所放宽。

表2 A类设备的限值

C类设备。对于有功输入功率大于25 W的照明设备，谐波电流不应超过表3给出的相关限值。其中，λ为电路功率因数。标准中，只对有功功率≤25 W的放电灯做了限值要求（详见文献[3]7.3条款）。对于有功功率≤25 W的LED照明设备，由于不属于放电灯，谐波电流不做要求。需要说明的是，最新版的欧盟谐波电流发射标准EN IEC 61000-3-2-2019（等同于国际标准IEC61000-3-2-2018）中新增了“额定功率小于但不等于5 W的照明设备”，意味着只要功率超过5 W，所有的照明设备（属于5.2条款所列照明设备类别的产品）均需要进行测试。

对于D类设备，各次谐波电流不超过表4给出的限值。

2 A类设备测试数据的解读与分析

图1和图2是某个A类设备谐波电流的测试数据，其中图1是图表部分，图2是各次谐波电流的实测数据。

表3 C类设备的限值（仅有奇次谐波）

表4 D类设备的限值（仅有奇次谐波）

图1 A类设备测试数据（图表部分）

图2 各次谐波电流的实测数据

图1上方是各次谐波电流的柱形图。为了在同一张图中直观表示各次谐波电流的含量，采用比例表示法，即各次谐波的谐波电流占该次谐波限值的百分比（=该次谐波电流实测值÷该次谐波限值×100%）。图1中，100%对应限值，可以直观看出某次谐波是否达到或超过限值。以第21次谐波为例，柱子的幅度约为50%，说明其谐波电流实测值约占该次谐波限值的50%。

图1下方显示了输入电压和负载电流的波形。黑色实线是输入电压波形，是一个标准的正弦波；黑色虚线波形为流过EUT的电流，明显发生了畸变。

图2是各次谐波电流的实测数据。第一列代表谐波次数（1为基波）。第二列代表谐波频率。第三列代表各次谐波电流实测的平均值。按照标准，测量设备（谐波分析仪）在每个DFT时间窗口内测量1.5 s平滑有效值谐波电流（相当于每隔1.5 s采样一次），获得2～40次谐波的一组测量数据（有效值）。例如，测量时间为2.5 min（150 s），共获得100组数据，把这100个数据作平均，即得到各次谐波的平均值Iavg。第四列代表各次谐波平均值占限值的百分比，可以直观看出平均值是否超标。第五列代表各次谐波电流实测的最大值，即上述100个数据中的最大值Imax。第六列代表各次谐波最大值占限值的百分比，可以直观看出最大值是否超标。第七列代表各次谐波的限值（标准规定的）。

3 应用限值评定结果是否合格

如何判定试验数据是否合格？标准对每次谐波电流的平均值和最大值都有要求。

（1）平均值：在观察时间Tobs内，单次谐波电流的平均值不大于相应的限值。

（2）每次谐波的有效值：对每次谐波，在2.5 min观察时间内，测试设备每隔1.5 s采样一次有效值（共100个数据），应满足以下两个条件之一：

①1.5 s平滑均方根值不大于相应限值的150%（对每次谐波），所以在系统输出的数据中包含每次谐波100个数据（有效值）中的最大值，把这个最大值与限值做比较，只要不超过限值的150%（第6列），即代表符合该条款。

②当同时满足以下3个条件时，1.5 s平滑均方根值不大于所应用限值的200%。

条件1：EUT为A类设备，即不能为B、C、D类设备。

条件2：超过150%应用限值的时间，不超过10%的观测周期（即测试时间）。

例如，测试时间为2.5 min，代表在100次采样中最多允许10次采样超过150%。

条件3：在整个试验观察周期内，谐波电流的平均值不超过应用限值的90%。

该条件的含意是，由于最大值放宽了要求，必须对平均值的整体表现作出限制。

图1的图表中，在90%、100%、200%都分别画了线，目的是方便观察达标情况。

4 总 结

同时满足条件1和条件2①或②的要求，可以认定该次谐波合格。条件1为平均值的要求，条件2为有效值的要求，只要满足①或②中的一个即可。

本例中，从图2第四列可以看到，满足条件1；从图2第六列可以看到，满足条件2的①款，因此可以评定该A类设备的谐波电流测试合格。

此外，标准还给出了放宽条件：对21～39次奇次谐波，当同时满足下列条件时，用1.5 s平滑后的均方根值算出的平均值可以≤选用限值的150%。

条件1：测量的部分奇次谐波电流≤根据限值算出的部分奇次谐波电流；

条件2：所有1.5 s平滑后的单个均方根值≤选用限值的150%。

图2中，因为21次及更高次谐波的实测值为0，故实测的部分奇次谐波电流为：

根据限值计算的部分奇次谐波电流为：

因此条件1是符合的。从图2可以看到，条件2也是符合的。

5 结 论

谐波电流是常见的认证检测项目，检测标准GB 17625.1（IEC 61000-3-2）专业性较强，生涩难懂，对初次涉足该领域的技术人员来说理解存在一定难度。通过对A类设备检测的实例数据加以解读，说明平均值、有效值的获取过程，尤其是测试结果的评定方法。此外，对大众关心的LED灯具限值问题，结合新版标准做了说明，期望能够帮助理解和更好地实施该标准。