用電設備對電網供電質量影響的測量

摘要：詳細敘述了用電設備的諧波、電壓波動與閃爍的測量方法及其相關技術標準的要點。

關鍵詞：標準諧波電壓波動閃爍測量

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

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

為保證電網供電質量和維護人類健康，國際電工委會員（IEC）TC77委員會編制了兩個適合于評價16A以下低壓設備對電網供電質量影響的標準，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的低壓電器設備所引起的諧波電流發送限值》。

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

其中IEC61000－3－2標準已經等同地轉化為我國國家標準，GB1765.1－1998《低壓電氣及電子設備發出的諧波電流限值（設備每相輸入電流≤16A）》，并已正式出版。

從國際上看，IEC61000－3－2和IEC61000－3－3標準的出版是為了替代IEC在80年代初出版的IEC555系列的標準：

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

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

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

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

在歐洲，歐共體幾乎是在國際標準出版的同時，將IEC61000－3－2和IEC61000－3－3同步地轉化成了歐洲標準，標準號分別是EN61000－3－2和EN61000－3－3。歐共體還規定從1998年7月1日強制執行這兩個標準。此舉表明，與強制執行其他電磁兼容性標準一樣，設備對電網供電質量的影響也將成為國際貿易的重要砝碼，任何人不得掉以輕心。

2諧波電流的測試

依據IEC61000?3?2及GB17625.1標準。

2．1諧波測量的數學基礎

按數學分析，任何非正弦的周期波形都可以用傅立葉級數表示：　　

式中F0為直流分量。若進一步設

　　sinφn=an/Hn

　　cosφn=bn/Hn

則f(t)可改寫成　　

因此，對非正弦周期性波形的測量，可轉變為對其直流分量（如果有直流分量的話）和各次諧波幅值及相角的測量。

2．2設備的分類

按標準要求，對不同的用電設備可用4種類別加以分類，不同類別的設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％）的設備，及不屬于以下3類設備的其他設備。

B類指便攜式工具（特別是指手持式短時工作制電氣工具），但對于對稱控制的、短時工作制家電設備（如電吹風等）仍按A類設備進行試驗。

C類指包括調光設備在內的照明裝置。D類指輸入電流有特殊波形的設備（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，至少有95％的持續時間是落在以為中心的區域內），且輸入的有功功率小于等于600W（對大于600W的設備，仍按A類設備的限值考核）。

A類，C類和D類設備所引起的諧波電流限值分別如表1、表2和表3所示。對B類設備，標準規定取A類設備的1.5倍。

表1A類設備的諧波電流限值

表2C類設備的諧波電流限值

注：λ是電路的功率因數

　　對白熾燈照明裝置，如采用相位控制，觸發角不應超出145°。

表3D類設備的諧波電流限值

注：“mA/W”限值適用于有功功率大于75W的設備，今后可能會降為50W。

2．3諧波電流測量

諧波電流測量分穩態和暫態兩種：

（1）穩態諧波電流測量

若諧波成分與基波的關系具有周期性變化的特點時，可進行穩態諧波電流的測量，GB17625.1－1998標準中提到的限值適合于穩態諧波電流的要求。

（2）暫態諧波電流測量

若諧波成分與基波無周期性變化的關系時，要進行暫態諧波電流的測量，有如下規定：

●若這一情況是由于設備投入或退出過程中引起的，且持續時間小于10s，則這種暫態過程的諧波電流變化可不予考慮。

●若各次諧波的最大持續時間不超過以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準規定穩態限值的1.5倍。

2．4試驗線路

圖1線路分別適合于單相和三相設備的試驗。

對線路各部分都有不同的要求。

（1）試驗電源S

試驗電源必須具有的性能是：

　　●內阻要足夠??；

●輸出電壓應在一定范圍內可調，以適應各國、各地區對電源電壓額定值的要求；

●電壓穩定度為±2％；

　　●頻率穩定度為額定頻率的±0.5％以內；

　　●對三相電源，相間基波的相位精度為120°±1.5°；

　　●試品運行時，試驗電源的電壓諧波含量要小（如3次，5次，7次，9次及11次以上諧波含量應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低于輸出額定

圖1諧波電流測試線路

（a）單相設備的試驗線路（b）三相設備的試驗線路

注1：S供電電源，G～供電電源的開路電壓，Zs供電電源內阻抗

M測量設備，Zm測量設備的輸入阻抗，EUT被試設備

U試驗電壓，Ih線電流的h次諧波分量。

注2：●標準未規定Zs和Zm的值，但對于因輸入電流流過Zm引起的電壓降不應超過0.15V(峰值)；

●測量設備的總誤差不應超過允許值的5％，或被試設備額定電流的0.2％，兩者之中以大者為準。

電壓的0.2％）。

（2）試驗儀器M

對諧波電流的測量可采用各種波形分析儀器，如選頻放大器、外差分析儀、多路無源濾波器、頻譜分析儀；也可使用數字濾波器和離散傅立葉變換器等時域分析儀器。但從世界范圍來看，各主要廠商所提供的諧波電流測量儀器中，離散傅立葉變換的時域測量儀器正在被考慮為參考測量儀器。

2．5試驗中的一些規定

（1）對有功功率小于等于25W的照明設備尚無諧波電流限值的規定，可暫不進行試驗。

（2）通常，設備不允許使用不對稱供電（指正、負半周電流波形不相同，或每個導通時間內的正、負半周的數目不相同）的控制方法。

（3）對直接利用電源半波整流供電的，其最大功率應小于100W，否則視同超出設備的標準限值。

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

（5）對加熱元件，當輸入功率≤200W，或工作未超出D類設備限值時，其供電電源可允許采用對稱控制法來控制功率（只要電流波形的正、負兩半周是相同的；或每個導通時間內正、負半周數目是相等的）。

（6）在測量中，對大于19次以上的諧波，如果隨著諧波次數的增加，頻譜成份呈單調下降時，則對19次以上的諧波部分可以不計。

（7）在測量中，若諧波電流小于輸入電流的0.6％或小于5mA，則無論哪一個條件成立，則試驗都視同通過。

3電壓波動與閃爍的測試

依據ICE61000?3?3標準。

3.1考核內容及限值

從本節題目所見，要考核兩方面的內容，即電壓波動和閃爍。其中電壓波動主要反映在電網上突然有較大的電壓變動，一般說來，它對閃爍測量的影響很小，但是對同一電網中其他設備特別是電子設備的影響可能是很大的。

作為閃爍測量則可以精確評定連續電壓波動的影響，它可以反映對人類肉眼產生隨時間變化的光刺激引起的不穩定視覺效果。

（1）電壓波動

對電壓波動的描述有3個指標，（見圖2）

相對穩態電壓變化特性dc：指至少間隔一個電壓變化的兩個相鄰穩態電壓差值與額定電壓的百分比值，標準規定不得大于3％。

相對電壓變化特性d(t)：指電壓處在至少為1s的穩態條件下，各周期間的電壓有效值相對于電壓變化的時間函數。標準規定在超過200ms測量時間內，其相對穩態電壓變化不得大于3％（反之，如果有相對穩態電壓變化大于3％的情況，則持續時間必須小于200ms）。

圖2相對電壓變化特性

每分鐘電壓變化次數

圖3短期閃爍的限值（Pst=1曲線）

圖4電壓波動和閃爍測量線路

（a）單相(b)三相

圖中:EUT被試設備M測量設備

G供電電源S由電壓發生器和阻抗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，標準規定不得大于4％。

（2）閃爍

閃爍分短期閃爍與長期閃爍兩種：

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

●長期閃爍PLt：指在較長時間內（2h內）所評估出來的閃爍程度，標準用PLt=0.65作為閃爍刺激的閾值。

3.2測量方法

關于電壓波動和閃爍，在標準中提到的評估方法有3種可以替代的方法，分別是直接測量法、模擬法、分析法。其中使用閃爍測量儀器的直接測量法是一種基準的測量方法。

3．3測量線路

直接測量法的測量線路如圖4所示。

（1）交流試驗電源

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

（2）參考阻抗

由于電壓波動和閃爍是靠監測負載端的電壓變化來確定的，故測試中必須選擇合適的線路阻抗作為統一的參考阻抗。供電線路的總阻抗（包括電源內阻抗和參考阻抗在內）應當合適，保證在整個評估測量中達到±8％的總體精度。

當電源阻抗值未知時，就必須在電源和被試設備之間加入由電阻和電感組成的參考阻抗，測量應參考阻抗的電源端和被試設備端分別進行，并規定從電源端測得的相對電壓變化最大值dmax1，應當比被試設備端測得的最大值dmax2小20％。

（3）測量儀器與測量精度

盡管標準列舉了多種評估被試設備的電壓波動和閃爍的方法，但直接測量法是標準規定的基準測試方法。標準對測量儀器的要求是：電流幅值的測量精度應在±1％以內。如果不測電流的實部和虛部，而是測量其相位角，則相位測量誤差不得超出±2°，相對電壓變化的測量精度要優于±8％。

3．4測試中的一些規定

（1）限值測試僅適用于被試設備的電源端子。

（2）對緊急開關和緊急中斷的情況，限值不適用。

（3）對一次運行時間超過30分鐘的設備，一般要作PLt的評估。

（4）當電壓變動是由人為開關電源引起的，或發生率低于每小時1次，可不考慮Pst和PLt；電壓變動的3項指標也可放寬至限值的1.33倍。

（5）在作Pst和PLt評估時，要保證試品的工作循環中包括了最嚴重的電壓變化過程。

（6）在Pst的評估中，工作循環要連續不斷地重復。若設備的運行周期低于觀察周期，且試品在運行結束時自動關機，則重新啟動設備所要的最短時間應包含在觀察周期內。

（7）在PLt的評估中，當設備的運行周期低于2h，且試品平時不經常連續工作時，則可不再重復工作循環。

（8）當被試設備有多個分立控制電路時，如果每個控制電路都可以單獨工作，而且都不在同一時刻做開關控制時，那么每個電路都可認為是單獨設備來進行測試（反之，如果這些分立電路的控制是同時進行的，那么這個組合仍作單個設備來進行測試）。

（9）對于電動機，可使用堵轉方式進行測量，以確定發生在電動機起動階段電壓變動的最大值dmax。

（10）對三相平衡設備，可以測量相線中某一相對中線的電壓變化。但對三相不平衡設備，則應當測試每一相對中線的電壓變化。

（11）試品應在生產廠家提供的測試條件下進行測試，測試前應先對電動機進行預驅動，以確保得到的是相應于正常使用時的結果。

4實用測試系統簡介

當今世界上主要儀器供應商提供的諧波、電壓波動與閃爍測量的儀器和測試方法無一例外地是采用了標準試驗電壓源和以時域分析的離散型傅立葉變換器為主的多功能測試儀器的組合，只不過有的公司把兩個功能部分組合在一臺儀器中。有的公司則用兩***立儀器組成一個系統，分開時可各有應用領域，組合時則可完成IEC61000－3－2和IEC61000－3－3標準的測試要求。

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

6630多功能分析儀除擁有傳統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、波形系數和頻率測量外，為了順應電力電子產品多元化的應用及對相應國際標準貫標的要求，還有電壓諧波、電流諧波、電壓波動、電壓閃爍的測量，結果有自動記錄并對波形有分析功能。

6530可程式交流電源發生器是運用了先進的PWM技術設計出來的高性能價格比的電源產品，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、電壓波動和閃爍的測量。

其實6530可程式交流電源除了上述使用外，它還可以作為一臺多功能的交流電源來使用，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的商業要求外，更可適用于要求頻率為400Hz以上的海軍和航空場合的需要，其低頻輸出也可用于電動機或空調壓縮機的20Hz頻率測試。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字頻率合成技術，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的這一特點可以滿足IEC61000－4－11（1994）（等同的我國國家標準為GB/T17626.11－1998）的要求，作電子設備對電源電壓瞬時跌落、短時中斷和電壓漸變的抗擾度試驗。

上述6630和6530儀器均設有RS－232和IEEE488接口，通過這些接口可以與計算機配合組成一個全自動的測試系統。