用电设备对电网供电质量影响的测量
摘要：详细叙述了用电设备的谐波、电压波动与闪烁的测量方法及其相关技术标准的要点。
关键词：标准谐波电压波动闪烁测量
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
供电质量是人们关注的热点，开关电源、晶闸管器件等的大量采用，一方面提高了人们对电能的利用效率，另一方面在电网里形成了大量谐波电流，其后果是使同一电网的其他电子产品受到干扰，谐波电流还会引起电网中线电流的超载，影响电网对电力的传输能力。此外，对交流电源的相位控制还会在电网上引起电流有效值的变化，导致电压有效值明显波动，这种电压波动有可能引起照明装置的闪烁。
为保证电网供电质量和维护人类健康，国际电工委会员（IEC）TC77委员会编制了两个适合于评价16A以下低压设备对电网供电质量影响的标准，分别是：
（1）IEC61000－3－2（1995）《电磁兼容，第3部分：限值，第2章：每相额定电流小于等于16A的低压电器设备所引起的谐波电流发送限值》。
（2）IEC61000－3－3（1994）《电磁兼容，第3部分：限值，第3章：在低压供电系统中，额定电流小于、等于16A设备的电压波动和闪烁限值》。
其中IEC61000－3－2标准已经等同地转化为我国国家标准，GB1765.1－1998《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）》，并已正式出版。
从国际上看，IEC61000－3－2和IEC61000－3－3标准的出版是为了替代IEC在80年代初出版的IEC555系列的标准：
IEC555－1（1982）《家用电器及类似电气设备在供电系统中产生的干扰，第1部分：定义》；
IEC555－2（1982）《家用电器及类似电气设备在供电系统中产生的干扰，第2部分：谐波》；
IEC555－3（1982）《家用电器及类似电气设备在供电系统中产生的干扰，第3部分：电压波动》。
比较IEC61000－3系列与IEC555系列标准的名称，不难看出新标准已扩大了标准的适用范围，从早先的家用电器和类似用途的电气设备扩大到所有接在低压电网中的电气设备，其意义重大。遵守新标准的要求，可保证在低压电网上的所有设备免受谐波和电压波动的危害，及保护用电人员身体的健康。
在欧洲，欧共体几乎是在国际标准出版的同时，将IEC61000－3－2和IEC61000－3－3同步地转化成了欧洲标准，标准号分别是EN61000－3－2和EN61000－3－3。欧共体还规定从1998年7月1日强制执行这两个标准。此举表明，与强制执行其他电磁兼容性标准一样，设备对电网供电质量的影响也将成为国际贸易的重要砝码，任何人不得掉以轻心。
2谐波电流的测试
依据IEC61000?3?2及GB17625.1标准。
2．1谐波测量的数学基础
按数学分析，任何非正弦的周期波形都可以用傅立叶级数表示：
式中F0为直流分量。若进一步设
sinφn=an/Hn
cosφn=bn/Hn
则f(t)可改写成
因此，对非正弦周期性波形的测量，可转变为对其直流分量（如果有直流分量的话）和各次谐波幅值及相角的测量。
2．2设备的分类
按标准要求，对不同的用电设备可用4种类别加以分类，不同类别的设备有不同的谐波电流限值。
A类指三相平衡（各线的额定电流相差不大于20％）的设备，及不属于以下3类设备的其他设备。
B类指便携式工具（特别是指手持式短时工作制电气工具），但对于对称控制的、短时工作制家电设备（如电吹风等）仍按A类设备进行试验。
C类指包括调光设备在内的照明装置。
D类指输入电流有特殊波形的设备（如在输入电路中有整流器及电容器，使输入电流在每半周波内，至少有95％的持续时间是落在以为中心的区域内），且输入的有功功率小于等于600W（对大于600W的设备，仍按A类设备的限值考核）。
A类，C类和D类设备所引起的谐波电流限值分别如表1、表2和表3所示。对B类设备，标准规定取A类设备的1.5倍。
表1A类设备的谐波电流限值
| 奇次 | 谐波次数 | 最大允许的谐波电流值（A） |
|---|---|---|
| 3 | 2.30 | |
| 5 | 1.14 | |
| 7 | 0.77 | |
| 9 | 0.40 | |
| 11 | 0.33 | |
| 13 | 0.21 | |
| 15?h?39 | 0.15×15/h | |
| 偶次 | 2 | 1.08 |
| 4 | 0.43 | |
| 6 | 0.30 | |
| 8?h?40 | 0.23×8/h |
表2C类设备的谐波电流限值
| 谐波次数 | 用基波输入电流的比例来表示的谐波电流最大允许值 |
|---|---|
| 2 | 2％ |
| 3 | 30×λ％ |
| 5 | 10％ |
| 7 | 7％ |
| 9 | 5％ |
| 11?h?39(h仅为奇次谐波) | 3％ |
注：λ是电路的功率因数
对白炽灯照明装置，如采用相位控制，触发角不应超出145°。
表3D类设备的谐波电流限值
| 谐波次数 | 每瓦允许的最大谐波电流（mA/W） | 最大允许的谐波电流（A） |
|---|---|---|
| 3 | 3.4 | 2.30 |
| 5 | 1.9 | 1.14 |
| 7 | 1.0 | 0.77 |
| 9 | 0.5 | 0.40 |
| 11 | 0.35 | 0.33 |
| 13?h?39(h仅为奇次谐波) | 3.85/h | 0.15×15/h |
注：“mA/W”限值适用于有功功率大于75W的设备，今后可能会降为50W。
2．3谐波电流测量
谐波电流测量分稳态和暂态两种：
（1）稳态谐波电流测量
若谐波成分与基波的关系具有周期性变化的特点时，可进行稳态谐波电流的测量，GB17625.1－1998标准中提到的限值适合于稳态谐波电流的要求。
（2）暂态谐波电流测量
若谐波成分与基波无周期性变化的关系时，要进行暂态谐波电流的测量，有如下规定：
●若这一情况是由于设备投入或退出过程中引起的，且持续时间小于10s，则这种暂态过程的谐波电流变化可不予考虑。
●若各次谐波的最大持续时间不超过以2.5min为限的观察周期的10％，可允许将各次谐波电流的限值放宽至标准规定稳态限值的1.5倍。
2．4试验线路
图1线路分别适合于单相和三相设备的试验。
对线路各部分都有不同的要求。
（1）试验电源S
试验电源必须具有的性能是：
●内阻要足够小；
●输出电压应在一定范围内可调，以适应各国、各地区对电源电压额定值的要求；
●电压稳定度为±2％；
●频率稳定度为额定频率的±0.5％以内；
●对三相电源，相间基波的相位精度为120°±1.5°；
●试品运行时，试验电源的电压谐波含量要小（如3次，5次，7次，9次及11次以上谐波含量应分别低于额定输出电压的0.9％，0.4％，0.3％，0.2％，0.1％；2次～10次偶次谐波含量均应低于输出额定
图1谐波电流测试线路
（a）单相设备的试验线路（b）三相设备的试验线路
注1：S供电电源，G～供电电源的开路电压，Zs供电电源内阻抗
M测量设备，Zm测量设备的输入阻抗，EUT被试设备
U试验电压，Ih线电流的h次谐波分量。
注2：●标准未规定Zs和Zm的值，但对于因输入电流流过Zm引起的电压降不应超过0.15V(峰值)；
●测量设备的总误差不应超过允许值的5％，或被试设备额定电流的0.2％，两者之中以大者为准。
电压的0.2％）。
（2）试验仪器M
对谐波电流的测量可采用各种波形分析仪器，如选频放大器、外差分析仪、多路无源滤波器、频谱分析仪；也可使用数字滤波器和离散傅立叶变换器等时域分析仪器。但从世界范围来看，各主要厂商所提供的谐波电流测量仪器中，离散傅立叶变换的时域测量仪器正在被考虑为参考测量仪器。
2．5试验中的一些规定
（1）对有功功率小于等于25W的照明设备尚无谐波电流限值的规定，可暂不进行试验。
（2）通常，设备不允许使用不对称供电（指正、负半周电流波形不相同，或每个导通时间内的正、负半周的数目不相同）的控制方法。
（3）对直接利用电源半波整流供电的，其最大功率应小于100W，否则视同超出设备的标准限值。
（4）直接利用电源半波整流供电的设备还可以有双芯电缆供电的短时工作制的便携设备（如电吹风等）。
（5）对加热元件，当输入功率≤200W，或工作未超出D类设备限值时，其供电电源可允许采用对称控制法来控制功率（只要电流波形的正、负两半周是相同的；或每个导通时间内正、负半周数目是相等的）。
（6）在测量中，对大于19次以上的谐波，如果随着谐波次数的增加，频谱成份呈单调下降时，则对19次以上的谐波部分可以不计。
（7）在测量中，若谐波电流小于输入电流的0.6％或小于5mA，则无论哪一个条件成立，则试验都视同通过。
3电压波动与闪烁的测试
依据ICE61000?3?3标准。
3.1考核内容及限值
从本节题目所见，要考核两方面的内容，即电压波动和闪烁。其中电压波动主要反映在电网上突然有较大的电压变动，一般说来，它对闪烁测量的影响很小，但是对同一电网中其他设备特别是电子设备的影响可能是很大的。
作为闪烁测量则可以精确评定连续电压波动的影响，它可以反映对人类肉眼产生随时间变化的光刺激引起的不稳定视觉效果。
（1）电压波动
对电压波动的描述有3个指标，（见图2）
相对稳态电压变化特性dc：指至少间隔一个电压变化的两个相邻稳态电压差值与额定电压的百分比值，标准规定不得大于3％。
相对电压变化特性d(t)：指电压处在至少为1s的稳态条件下，各周期间的电压有效值相对于电压变化的时间函数。标准规定在超过200ms测量时间内，其相对稳态电压变化不得大于3％（反之，如果有相对稳态电压变化大于3％的情况，则持续时间必须小于200ms）。
图2相对电压变化特性
每分钟电压变化次数
图3短期闪烁的限值（Pst=1曲线）
图4电压波动和闪烁测量线路
（a）单相(b)三相
图中:EUT被试设备M测量设备
G供电电源S由电压发生器和阻抗Z组成的电源
参考阻抗在50Hz下：
单相电源RA=0.4Ω,JXA=0.25Ω
三相电源RA=0.24Ω,JXA=0.15Ω
RN=0.16Ω,JXN=0.1Ω
最大相对电压变化特性dmax:指电压变化特性的最大与最小有效值之差与额定电压的百分比，标准规定不得大于4％。
（2）闪烁
闪烁分短期闪烁与长期闪烁两种：
●短期闪烁Pst：是在短时间内（10min内）所评估出来的闪烁程度，用Pst=1作为闪烁刺激的阈值。Pst实际上是模拟人对50Hz电网中工作在230V交流电压下60W的白炽灯在电压波动情况下所产生的闪烁感受程度，如图3所示。
●长期闪烁PLt：指在较长时间内（2h内）所评估出来的闪烁程度，标准用PLt=0.65作为闪烁刺激的阈值。
3.2测量方法
关于电压波动和闪烁，在标准中提到的评估方法有3种可以替代的方法，分别是直接测量法、模拟法、分析法。其中使用闪烁测量仪器的直接测量法是一种基准的测量方法。
3．3测量线路
直接测量法的测量线路如图4所示。
（1）交流试验电源
试验电源的开路电压应等于设备额定电压，电压稳定度保持在±2％以内；频率稳定度为额定频率（50Hz）的±0.5％，供电电源的电压谐波失真应小于3％。此外试验电源本身的最大短时闪烁Pst要小于0.4。并且要求在试验前、后都作校验。
（2）参考阻抗
由于电压波动和闪烁是靠监测负载端的电压变化来确定的，故测试中必须选择合适的线路阻抗作为统一的参考阻抗。供电线路的总阻抗（包括电源内阻抗和参考阻抗在内）应当合适，保证在整个评估测量中达到±8％的总体精度。
当电源阻抗值未知时，就必须在电源和被试设备之间加入由电阻和电感组成的参考阻抗，测量应参考阻抗的电源端和被试设备端分别进行，并规定从电源端测得的相对电压变化最大值dmax1，应当比被试设备端测得的最大值dmax2小20％。
（3）测量仪器与测量精度
尽管标准列举了多种评估被试设备的电压波动和闪烁的方法，但直接测量法是标准规定的基准测试方法。标准对测量仪器的要求是：电流幅值的测量精度应在±1％以内。如果不测电流的实部和虚部，而是测量其相位角，则相位测量误差不得超出±2°，相对电压变化的测量精度要优于±8％。
3．4测试中的一些规定
（1）限值测试仅适用于被试设备的电源端子。
（2）对紧急开关和紧急中断的情况，限值不适用。
（3）对一次运行时间超过30分钟的设备，一般要作PLt的评估。
（4）当电压变动是由人为开关电源引起的，或发生率低于每小时1次，可不考虑Pst和PLt；电压变动的3项指标也可放宽至限值的1.33倍。
（5）在作Pst和PLt评估时，要保证试品的工作循环中包括了最严重的电压变化过程。
（6）在Pst的评估中，工作循环要连续不断地重复。若设备的运行周期低于观察周期，且试品在运行结束时自动关机，则重新启动设备所要的最短时间应包含在观察周期内。
（7）在PLt的评估中，当设备的运行周期低于2h，且试品平时不经常连续工作时，则可不再重复工作循环。
（8）当被试设备有多个分立控制电路时，如果每个控制电路都可以单独工作，而且都不在同一时刻做开关控制时，那么每个电路都可认为是单独设备来进行测试（反之，如果这些分立电路的控制是同时进行的，那么这个组合仍作单个设备来进行测试）。
（9）对于电动机，可使用堵转方式进行测量，以确定发生在电动机起动阶段电压变动的最大值dmax。
（10）对三相平衡设备，可以测量相线中某一相对中线的电压变化。但对三相不平衡设备，则应当测试每一相对中线的电压变化。
（11）试品应在生产厂家提供的测试条件下进行测试，测试前应先对电动机进行预驱动，以确保得到的是相应于正常使用时的结果。
4实用测试系统简介
当今世界上主要仪器供应商提供的谐波、电压波动与闪烁测量的仪器和测试方法无一例外地是采用了标准试验电压源和以时域分析的离散型傅立叶变换器为主的多功能测试仪器的组合，只不过有的公司把两个功能部分组合在一台仪器中。有的公司则用两台独立仪器组成一个系统，分开时可各有应用领域，组合时则可完成IEC61000－3－2和IEC61000－3－3标准的测试要求。
上海三基提供的是后一种测试系统，分别由6630多功能分析仪和6530交流电源发生器组成。
6630多功能分析仪除拥有传统电源分析仪器的交流有效值电压、峰值电压、交流有效值电流、峰值电流、有功功率、功率因数、波形系数和频率测量外，为了顺应电力电子产品多元化的应用及对相应国际标准贯标的要求，还有电压谐波、电流谐波、电压波动、电压闪烁的测量，结果有自动记录并对波形有分析功能。
6530可程式交流电源发生器是运用了先进的PWM技术设计出来的高性能价格比的电源产品，它提供纯净的交流电源与6630多功能分析仪配合后可完成谐波、电压波动和闪烁的测量。
其实6530可程式交流电源除了上述使用外，它还可以作为一台多功能的交流电源来使用，例如它所提供的输出电压有效值为（0～300）V；频率为（15～2000）Hz，故除满足（47～63）Hz的商业要求外，更可适用于要求频率为400Hz以上的海军和航空场合的需要，其低频输出也可用于电动机或空调压缩机的20Hz频率测试。6530的输出是非常纯净的正弦波或方波（波形失真度小于0.5％）。
此外，由于6530可程式交流电源采用的是数字频率合成技术，因此6530可程式交流电源亦可模拟各种电源干扰、突波、噪声的注入角度、电压及频率的缓升与缓降。6530的这一特点可以满足IEC61000－4－11（1994）（等同的我国国家标准为GB/T17626.11－1998）的要求，作电子设备对电源电压瞬时跌落、短时中断和电压渐变的抗扰度试验。
上述6630和6530仪器均设有RS－232和IEEE488接口，通过这些接口可以与计算机配合组成一个全自动的测试系统。