用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量影響的測(cè)量

摘要：詳細(xì)敘述了用電設(shè)備的諧波、電壓波動(dòng)與閃爍的測(cè)量方法及其相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)諧波電壓波動(dòng)閃爍測(cè)量

Measure of Effect of Equipment Using Electricity

on Electricity Quality Provided by Network

Abstract:Measure of harmonic,voltage fluctuation and flashing as well as those main technical standards are recounted in detail.

Keywords:Standard,Harmonic,Voltage fluctuation,Measure

1引言

供電質(zhì)量是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，開關(guān)電源、晶閘管器件等的大量采用，一方面提高了人們對(duì)電能的利用效率，另一方面在電網(wǎng)里形成了大量諧波電流，其后果是使同一電網(wǎng)的其他電子產(chǎn)品受到干擾，諧波電流還會(huì)引起電網(wǎng)中線電流的超載，影響電網(wǎng)對(duì)電力的傳輸能力。此外，對(duì)交流電源的相位控制還會(huì)在電網(wǎng)上引起電流有效值的變化，導(dǎo)致電壓有效值明顯波動(dòng)，這種電壓波動(dòng)有可能引起照明裝置的閃爍。

為保證電網(wǎng)供電質(zhì)量和維護(hù)人類健康，國(guó)際電工委會(huì)員（IEC）TC77委員會(huì)編制了兩個(gè)適合于評(píng)價(jià)16A以下低壓設(shè)備對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量影響的標(biāo)準(zhǔn)，分別是：

（1）IEC61000－3－2（1995）《電磁兼容，第3部分：限值，第2章：每相額定電流小于等于16A的低壓電器設(shè)備所引起的諧波電流發(fā)送限值》。

（2）IEC61000－3－3（1994）《電磁兼容，第3部分：限值，第3章：在低壓供電系統(tǒng)中，額定電流小于、等于16A設(shè)備的電壓波動(dòng)和閃爍限值》。

其中IEC61000－3－2標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)等同地轉(zhuǎn)化為我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，GB1765.1－1998《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）》，并已正式出版。

從國(guó)際上看，IEC61000－3－2和IEC61000－3－3標(biāo)準(zhǔn)的出版是為了替代IEC在80年代初出版的IEC555系列的標(biāo)準(zhǔn)：

IEC555－1（1982）《家用電器及類似電氣設(shè)備在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的干擾，第1部分：定義》；

IEC555－2（1982）《家用電器及類似電氣設(shè)備在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的干擾，第2部分：諧波》；

IEC555－3（1982）《家用電器及類似電氣設(shè)備在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的干擾，第3部分：電壓波動(dòng)》。

比較IEC61000－3系列與IEC555系列標(biāo)準(zhǔn)的名稱，不難看出新標(biāo)準(zhǔn)已擴(kuò)大了標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍，從早先的家用電器和類似用途的電氣設(shè)備擴(kuò)大到所有接在低壓電網(wǎng)中的電氣設(shè)備，其意義重大。遵守新標(biāo)準(zhǔn)的要求，可保證在低壓電網(wǎng)上的所有設(shè)備免受諧波和電壓波動(dòng)的危害，及保護(hù)用電人員身體的健康。

在歐洲，歐共體幾乎是在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)出版的同時(shí)，將IEC61000－3－2和IEC61000－3－3同步地轉(zhuǎn)化成了歐洲標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)分別是EN61000－3－2和EN61000－3－3。歐共體還規(guī)定從1998年7月1日強(qiáng)制執(zhí)行這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。此舉表明，與強(qiáng)制執(zhí)行其他電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)一樣，設(shè)備對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響也將成為國(guó)際貿(mào)易的重要砝碼，任何人不得掉以輕心。

2諧波電流的測(cè)試

依據(jù)IEC61000?3?2及GB17625.1標(biāo)準(zhǔn)。

2．1諧波測(cè)量的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

按數(shù)學(xué)分析，任何非正弦的周期波形都可以用傅立葉級(jí)數(shù)表示：　　

式中F0為直流分量。若進(jìn)一步設(shè)

　　sinφn=an/Hn

　　cosφn=bn/Hn

則f(t)可改寫成　　

因此，對(duì)非正弦周期性波形的測(cè)量，可轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)其直流分量（如果有直流分量的話）和各次諧波幅值及相角的測(cè)量。

2．2設(shè)備的分類

按標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)不同的用電設(shè)備可用4種類別加以分類，不同類別的設(shè)備有不同的諧波電流限值。

A類指三相平衡（各線的額定電流相差不大于20％）的設(shè)備，及不屬于以下3類設(shè)備的其他設(shè)備。

B類指便攜式工具（特別是指手持式短時(shí)工作制電氣工具），但對(duì)于對(duì)稱控制的、短時(shí)工作制家電設(shè)備（如電吹風(fēng)等）仍按A類設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。

C類指包括調(diào)光設(shè)備在內(nèi)的照明裝置。D類指輸入電流有特殊波形的設(shè)備（如在輸入電路中有整流器及電容器，使輸入電流在每半周波內(nèi)，至少有95％的持續(xù)時(shí)間是落在以為中心的區(qū)域內(nèi)），且輸入的有功功率小于等于600W（對(duì)大于600W的設(shè)備，仍按A類設(shè)備的限值考核）。

A類，C類和D類設(shè)備所引起的諧波電流限值分別如表1、表2和表3所示。對(duì)B類設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取A類設(shè)備的1.5倍。

表1A類設(shè)備的諧波電流限值

表2C類設(shè)備的諧波電流限值

注：λ是電路的功率因數(shù)

　　對(duì)白熾燈照明裝置，如采用相位控制，觸發(fā)角不應(yīng)超出145°。

表3D類設(shè)備的諧波電流限值

注：“mA/W”限值適用于有功功率大于75W的設(shè)備，今后可能會(huì)降為50W。

2．3諧波電流測(cè)量

諧波電流測(cè)量分穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩種：

（1）穩(wěn)態(tài)諧波電流測(cè)量

若諧波成分與基波的關(guān)系具有周期性變化的特點(diǎn)時(shí)，可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)諧波電流的測(cè)量，GB17625.1－1998標(biāo)準(zhǔn)中提到的限值適合于穩(wěn)態(tài)諧波電流的要求。

（2）暫態(tài)諧波電流測(cè)量

若諧波成分與基波無(wú)周期性變化的關(guān)系時(shí)，要進(jìn)行暫態(tài)諧波電流的測(cè)量，有如下規(guī)定：

●若這一情況是由于設(shè)備投入或退出過(guò)程中引起的，且持續(xù)時(shí)間小于10s，則這種暫態(tài)過(guò)程的諧波電流變化可不予考慮。

●若各次諧波的最大持續(xù)時(shí)間不超過(guò)以2.5min為限的觀察周期的10％，可允許將各次諧波電流的限值放寬至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定穩(wěn)態(tài)限值的1.5倍。

2．4試驗(yàn)線路

圖1線路分別適合于單相和三相設(shè)備的試驗(yàn)。

對(duì)線路各部分都有不同的要求。

（1）試驗(yàn)電源S

試驗(yàn)電源必須具有的性能是：

　　●內(nèi)阻要足夠小；

●輸出電壓應(yīng)在一定范圍內(nèi)可調(diào)，以適應(yīng)各國(guó)、各地區(qū)對(duì)電源電壓額定值的要求；

●電壓穩(wěn)定度為±2％；

　　●頻率穩(wěn)定度為額定頻率的±0.5％以內(nèi)；

　　●對(duì)三相電源，相間基波的相位精度為120°±1.5°；

　　●試品運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)電源的電壓諧波含量要?。ㄈ?次，5次，7次，9次及11次以上諧波含量應(yīng)分別低于額定輸出電壓的0.9％，0.4％，0.3％，0.2％，0.1％；2次～10次偶次諧波含量均應(yīng)低于輸出額定

圖1諧波電流測(cè)試線路

（a）單相設(shè)備的試驗(yàn)線路（b）三相設(shè)備的試驗(yàn)線路

注1：S供電電源，G～供電電源的開路電壓，Zs供電電源內(nèi)阻抗

M測(cè)量設(shè)備，Zm測(cè)量設(shè)備的輸入阻抗，EUT被試設(shè)備

U試驗(yàn)電壓，Ih線電流的h次諧波分量。

注2：●標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定Zs和Zm的值，但對(duì)于因輸入電流流過(guò)Zm引起的電壓降不應(yīng)超過(guò)0.15V(峰值)；

●測(cè)量設(shè)備的總誤差不應(yīng)超過(guò)允許值的5％，或被試設(shè)備額定電流的0.2％，兩者之中以大者為準(zhǔn)。

電壓的0.2％）。

（2）試驗(yàn)儀器M

對(duì)諧波電流的測(cè)量可采用各種波形分析儀器，如選頻放大器、外差分析儀、多路無(wú)源濾波器、頻譜分析儀；也可使用數(shù)字濾波器和離散傅立葉變換器等時(shí)域分析儀器。但從世界范圍來(lái)看，各主要廠商所提供的諧波電流測(cè)量?jī)x器中，離散傅立葉變換的時(shí)域測(cè)量?jī)x器正在被考慮為參考測(cè)量?jī)x器。

2．5試驗(yàn)中的一些規(guī)定

（1）對(duì)有功功率小于等于25W的照明設(shè)備尚無(wú)諧波電流限值的規(guī)定，可暫不進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）通常，設(shè)備不允許使用不對(duì)稱供電（指正、負(fù)半周電流波形不相同，或每個(gè)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)的正、負(fù)半周的數(shù)目不相同）的控制方法。

（3）對(duì)直接利用電源半波整流供電的，其最大功率應(yīng)小于100W，否則視同超出設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)限值。

（4）直接利用電源半波整流供電的設(shè)備還可以有雙芯電纜供電的短時(shí)工作制的便攜設(shè)備（如電吹風(fēng)等）。

（5）對(duì)加熱元件，當(dāng)輸入功率≤200W，或工作未超出D類設(shè)備限值時(shí)，其供電電源可允許采用對(duì)稱控制法來(lái)控制功率（只要電流波形的正、負(fù)兩半周是相同的；或每個(gè)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)正、負(fù)半周數(shù)目是相等的）。

（6）在測(cè)量中，對(duì)大于19次以上的諧波，如果隨著諧波次數(shù)的增加，頻譜成份呈單調(diào)下降時(shí)，則對(duì)19次以上的諧波部分可以不計(jì)。

（7）在測(cè)量中，若諧波電流小于輸入電流的0.6％或小于5mA，則無(wú)論哪一個(gè)條件成立，則試驗(yàn)都視同通過(guò)。

3電壓波動(dòng)與閃爍的測(cè)試

依據(jù)ICE61000?3?3標(biāo)準(zhǔn)。

3.1考核內(nèi)容及限值

從本節(jié)題目所見，要考核兩方面的內(nèi)容，即電壓波動(dòng)和閃爍。其中電壓波動(dòng)主要反映在電網(wǎng)上突然有較大的電壓變動(dòng)，一般說(shuō)來(lái)，它對(duì)閃爍測(cè)量的影響很小，但是對(duì)同一電網(wǎng)中其他設(shè)備特別是電子設(shè)備的影響可能是很大的。

作為閃爍測(cè)量則可以精確評(píng)定連續(xù)電壓波動(dòng)的影響，它可以反映對(duì)人類肉眼產(chǎn)生隨時(shí)間變化的光刺激引起的不穩(wěn)定視覺(jué)效果。

（1）電壓波動(dòng)

對(duì)電壓波動(dòng)的描述有3個(gè)指標(biāo)，（見圖2）

相對(duì)穩(wěn)態(tài)電壓變化特性dc：指至少間隔一個(gè)電壓變化的兩個(gè)相鄰穩(wěn)態(tài)電壓差值與額定電壓的百分比值，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不得大于3％。

相對(duì)電壓變化特性d(t)：指電壓處在至少為1s的穩(wěn)態(tài)條件下，各周期間的電壓有效值相對(duì)于電壓變化的時(shí)間函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在超過(guò)200ms測(cè)量時(shí)間內(nèi)，其相對(duì)穩(wěn)態(tài)電壓變化不得大于3％（反之，如果有相對(duì)穩(wěn)態(tài)電壓變化大于3％的情況，則持續(xù)時(shí)間必須小于200ms）。

圖2相對(duì)電壓變化特性

每分鐘電壓變化次數(shù)

圖3短期閃爍的限值（Pst=1曲線）

圖4電壓波動(dòng)和閃爍測(cè)量線路

（a）單相(b)三相

圖中:EUT被試設(shè)備M測(cè)量設(shè)備

G供電電源S由電壓發(fā)生器和阻抗Z組成的電源

參考阻抗在50Hz下：

單相電源RA=0.4Ω,JXA=0.25Ω

三相電源RA=0.24Ω,JXA=0.15Ω

RN=0.16Ω,JXN=0.1Ω

最大相對(duì)電壓變化特性dmax:指電壓變化特性的最大與最小有效值之差與額定電壓的百分比，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不得大于4％。

（2）閃爍

閃爍分短期閃爍與長(zhǎng)期閃爍兩種：

●短期閃爍Pst：是在短時(shí)間內(nèi)（10min內(nèi)）所評(píng)估出來(lái)的閃爍程度，用Pst=1作為閃爍刺激的閾值。Pst實(shí)際上是模擬人對(duì)50Hz電網(wǎng)中工作在230V交流電壓下60W的白熾燈在電壓波動(dòng)情況下所產(chǎn)生的閃爍感受程度，如圖3所示。

●長(zhǎng)期閃爍PLt：指在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（2h內(nèi)）所評(píng)估出來(lái)的閃爍程度，標(biāo)準(zhǔn)用PLt=0.65作為閃爍刺激的閾值。

3.2測(cè)量方法

關(guān)于電壓波動(dòng)和閃爍，在標(biāo)準(zhǔn)中提到的評(píng)估方法有3種可以替代的方法，分別是直接測(cè)量法、模擬法、分析法。其中使用閃爍測(cè)量?jī)x器的直接測(cè)量法是一種基準(zhǔn)的測(cè)量方法。

3．3測(cè)量線路

直接測(cè)量法的測(cè)量線路如圖4所示。

（1）交流試驗(yàn)電源

試驗(yàn)電源的開路電壓應(yīng)等于設(shè)備額定電壓，電壓穩(wěn)定度保持在±2％以內(nèi)；頻率穩(wěn)定度為額定頻率（50Hz）的±0.5％，供電電源的電壓諧波失真應(yīng)小于3％。此外試驗(yàn)電源本身的最大短時(shí)閃爍Pst要小于0.4。并且要求在試驗(yàn)前、后都作校驗(yàn)。

（2）參考阻抗

由于電壓波動(dòng)和閃爍是靠監(jiān)測(cè)負(fù)載端的電壓變化來(lái)確定的，故測(cè)試中必須選擇合適的線路阻抗作為統(tǒng)一的參考阻抗。供電線路的總阻抗（包括電源內(nèi)阻抗和參考阻抗在內(nèi)）應(yīng)當(dāng)合適，保證在整個(gè)評(píng)估測(cè)量中達(dá)到±8％的總體精度。

當(dāng)電源阻抗值未知時(shí)，就必須在電源和被試設(shè)備之間加入由電阻和電感組成的參考阻抗，測(cè)量應(yīng)參考阻抗的電源端和被試設(shè)備端分別進(jìn)行，并規(guī)定從電源端測(cè)得的相對(duì)電壓變化最大值dmax1，應(yīng)當(dāng)比被試設(shè)備端測(cè)得的最大值dmax2小20％。

（3）測(cè)量?jī)x器與測(cè)量精度

盡管標(biāo)準(zhǔn)列舉了多種評(píng)估被試設(shè)備的電壓波動(dòng)和閃爍的方法，但直接測(cè)量法是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基準(zhǔn)測(cè)試方法。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)量?jī)x器的要求是：電流幅值的測(cè)量精度應(yīng)在±1％以內(nèi)。如果不測(cè)電流的實(shí)部和虛部，而是測(cè)量其相位角，則相位測(cè)量誤差不得超出±2°，相對(duì)電壓變化的測(cè)量精度要優(yōu)于±8％。

3．4測(cè)試中的一些規(guī)定

（1）限值測(cè)試僅適用于被試設(shè)備的電源端子。

（2）對(duì)緊急開關(guān)和緊急中斷的情況，限值不適用。

（3）對(duì)一次運(yùn)行時(shí)間超過(guò)30分鐘的設(shè)備，一般要作PLt的評(píng)估。

（4）當(dāng)電壓變動(dòng)是由人為開關(guān)電源引起的，或發(fā)生率低于每小時(shí)1次，可不考慮Pst和PLt；電壓變動(dòng)的3項(xiàng)指標(biāo)也可放寬至限值的1.33倍。

（5）在作Pst和PLt評(píng)估時(shí)，要保證試品的工作循環(huán)中包括了最嚴(yán)重的電壓變化過(guò)程。

（6）在Pst的評(píng)估中，工作循環(huán)要連續(xù)不斷地重復(fù)。若設(shè)備的運(yùn)行周期低于觀察周期，且試品在運(yùn)行結(jié)束時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)，則重新啟動(dòng)設(shè)備所要的最短時(shí)間應(yīng)包含在觀察周期內(nèi)。

（7）在PLt的評(píng)估中，當(dāng)設(shè)備的運(yùn)行周期低于2h，且試品平時(shí)不經(jīng)常連續(xù)工作時(shí)，則可不再重復(fù)工作循環(huán)。

（8）當(dāng)被試設(shè)備有多個(gè)分立控制電路時(shí)，如果每個(gè)控制電路都可以單獨(dú)工作，而且都不在同一時(shí)刻做開關(guān)控制時(shí)，那么每個(gè)電路都可認(rèn)為是單獨(dú)設(shè)備來(lái)進(jìn)行測(cè)試（反之，如果這些分立電路的控制是同時(shí)進(jìn)行的，那么這個(gè)組合仍作單個(gè)設(shè)備來(lái)進(jìn)行測(cè)試）。

（9）對(duì)于電動(dòng)機(jī)，可使用堵轉(zhuǎn)方式進(jìn)行測(cè)量，以確定發(fā)生在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段電壓變動(dòng)的最大值dmax。

（10）對(duì)三相平衡設(shè)備，可以測(cè)量相線中某一相對(duì)中線的電壓變化。但對(duì)三相不平衡設(shè)備，則應(yīng)當(dāng)測(cè)試每一相對(duì)中線的電壓變化。

（11）試品應(yīng)在生產(chǎn)廠家提供的測(cè)試條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前應(yīng)先對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)驅(qū)動(dòng)，以確保得到的是相應(yīng)于正常使用時(shí)的結(jié)果。

4實(shí)用測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

當(dāng)今世界上主要儀器供應(yīng)商提供的諧波、電壓波動(dòng)與閃爍測(cè)量的儀器和測(cè)試方法無(wú)一例外地是采用了標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電壓源和以時(shí)域分析的離散型傅立葉變換器為主的多功能測(cè)試儀器的組合，只不過(guò)有的公司把兩個(gè)功能部分組合在一臺(tái)儀器中。有的公司則用兩臺(tái)獨(dú)立儀器組成一個(gè)系統(tǒng)，分開時(shí)可各有應(yīng)用領(lǐng)域，組合時(shí)則可完成IEC61000－3－2和IEC61000－3－3標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試要求。

上海三基提供的是后一種測(cè)試系統(tǒng)，分別由6630多功能分析儀和6530交流電源發(fā)生器組成。

6630多功能分析儀除擁有傳統(tǒng)電源分析儀器的交流有效值電壓、峰值電壓、交流有效值電流、峰值電流、有功功率、功率因數(shù)、波形系數(shù)和頻率測(cè)量外，為了順應(yīng)電力電子產(chǎn)品多元化的應(yīng)用及對(duì)相應(yīng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)貫標(biāo)的要求，還有電壓諧波、電流諧波、電壓波動(dòng)、電壓閃爍的測(cè)量，結(jié)果有自動(dòng)記錄并對(duì)波形有分析功能。

6530可程式交流電源發(fā)生器是運(yùn)用了先進(jìn)的PWM技術(shù)設(shè)計(jì)出來(lái)的高性能價(jià)格比的電源產(chǎn)品，它提供純凈的交流電源與6630多功能分析儀配合后可完成諧波、電壓波動(dòng)和閃爍的測(cè)量。

其實(shí)6530可程式交流電源除了上述使用外，它還可以作為一臺(tái)多功能的交流電源來(lái)使用，例如它所提供的輸出電壓有效值為（0～300）V；頻率為（15～2000）Hz，故除滿足（47～63）Hz的商業(yè)要求外，更可適用于要求頻率為400Hz以上的海軍和航空?qǐng)龊系男枰涞皖l輸出也可用于電動(dòng)機(jī)或空調(diào)壓縮機(jī)的20Hz頻率測(cè)試。6530的輸出是非常純凈的正弦波或方波（波形失真度小于0.5％）。

此外，由于6530可程式交流電源采用的是數(shù)字頻率合成技術(shù)，因此6530可程式交流電源亦可模擬各種電源干擾、突波、噪聲的注入角度、電壓及頻率的緩升與緩降。6530的這一特點(diǎn)可以滿足IEC61000－4－11（1994）（等同的我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T17626.11－1998）的要求，作電子設(shè)備對(duì)電源電壓瞬時(shí)跌落、短時(shí)中斷和電壓漸變的抗擾度試驗(yàn)。

上述6630和6530儀器均設(shè)有RS－232和IEEE488接口，通過(guò)這些接口可以與計(jì)算機(jī)配合組成一個(gè)全自動(dòng)的測(cè)試系統(tǒng)。