现代电网中敏感性负荷越来越多，保障其用电的正常安全有极其重要的意义。敏感性负荷供电的电能质量相关问题有：影响设备对电压暂降敏感度的因素，一些常用设备敏感性的机理分析，电压暂降耐受能力的标准等。文章讲诉了解决敏感性负荷供电质量的技术措施以及国标GB/T 30137《电能质量电压暂降与短时中断》的贯彻问题。有助于专业人员对敏感性负荷的认识和相关电能质量问题的处理。
0、引言
随着国民经济和科技的快速发展，个人计算机、可编程逻辑器件、可调速驱动装置、交流接触器等用电设备大量的投入使用。这类设备构成了电网中的敏感性负荷，其特点是对电压暂降十分敏感，往往几个周波的电压暂降或供电中断都会导致设备跳闸，造成严重的损失。
实际上，负荷的敏感度是指提供给负荷的电能质量不良时负荷承受干扰仍能正常工作的能力，这种能力越低，敏感度就越高。分析这类设备受电压暂降影响的机理，研究其影响因素、相关标准和技术措施等对于更好地避免事故发生，保障正常用电有着重要的意义。
1、设备对电压暂降敏感度的影响因素
影响设备对电压暂降敏感度的因素是多方面的，这些影响因素有：
1.1设备本身的特性
这也是设备敏感度的主要因素。不同类型设备不但对电压暂降的敏感机理(下节作进一步分析)不同，敏感度往往差别很大，甚至同类型但不同厂家生产、同类型同一厂家生产但不同时期产品(经过技术更新)对电压暂降的敏感度也可能相差甚远。
1.2电压暂降的发生特性
同一设备对于不同类型的电压暂降及其暂降深度的反应是不同的。暂降的持续时间、对称与否、暂降是否伴随有相位跳变，甚至暂降发生的起止时刻的相位角都将引起不同的暂态过程(发生在电压过零点附近的扰动要比发生在电压峰值点附近的扰动造成的影响要小)，不同的暂降有效值变化曲线引起的危害对某些用户设备也可能是不同的。另外，不少暂降是连续重复发生的，即在一个电压暂降发生之后的很短时间内会发生另外一个暂降，敏感设备可能能够承受第一个暂降，但却不能承受第二个暂降，这是因为两次暂降的间隔时间太短以致设备在第二次暂降发生时还没有从第一次暂降的影响中恢复到正常稳态。
1.3设备的运行状态
这包括暂降发生前后设备运行的电压水平、负载情况、设备是否处于稳态等。系统电压不可能时刻都保持额定电压不变，在设备正常电压范围内，暂降前电压越高，设备对暂降的敏感度就越低，反之亦然。这是因为电压的高低决定了能量存储的多少。如果暂降前电压刚好等于设备能够正常运行的最小电压，那么设备对幅值低于此最小电压的暂降将没有任何承受能力。
1.4生产过程的需要(设备伺服对象的要求)
生产过程(设备伺服对象)对设备的运行状况要求越高，敏感度就越高。比如，可调速驱动装置所驱动的过程对电动机转速和转矩的变化范围要求很严格，当发生暂降时，驱动装置本身可能是“正常工作”的，但所驱动的过程却可能认为是“不正常”的，是不能接受的，这时仍然认为设备对电压暂降是敏感的。
2、常用的电压暂降敏感性设备分析
2.1计算机及电子设备电压
计算机和电子设备( 如电视机、复印机、传真机、PLC等)的电源结构极为相似，因此它们对电压暂降的敏感机理也很相似，在这里将它们作为一个类型来讨论。
计算机及电子设备电源的简化结构见图1，通常由一个二极管整流器和一个电压调节器(DC/DC换流器)组成。交流电压经整流器整流后得到几百伏直流电压，再经电压调节器将其调节为10V电压等级的直流电压供给设备。如果交流侧电压降低，整流器直流侧电压也将随之降低，但在一定的电压变化范围内，电压调节器能保持其输出变动很小，使设备正常工作。但若整流器直流侧电压过低，电压调节器输出电压不再能维持规定值时，将导致数字电子设备内部发生错误，或导致计算机电源跳闸。
图1 计算机及电子设备电源的简化结构
图2为电压暂降发生前、暂降期间与暂降结束后整流器直流侧电压的变化情况示意图，暂降幅值为50%，无相移。图中虚线为交流电压绝对值。发生电压暂降时，由于交流侧电压的突然降低，其最大值小于直流侧电压，因此二极管处于关断状态，电容器开始放电，直至电容器电压小于暂降期间交流电压的最大值为止。此后将建立一个新的平衡点。电容器放电只取决于直流侧负荷，而与交流电压无关，因此对于给定负荷，任何幅值的电压暂降都将引起相同的直流侧电压的初始衰减，但衰减的持续时间取决于暂降的幅值。
图2 电压暂降对单相整流器直流侧电压的影响
在交流电压绝对值低于直流侧电压时，负荷消耗的能量都来自电容器的储能。设电容量为C ，暂降前和暂降期间的直流侧电压分别为U 0和U (t)，直流侧负荷功率为P ，则暂降后某一时间t，直流侧电压表达式为：
只要直流侧电压大于交流电压的绝对值，式(1)就成立。
电压暂降期间，设备电源跳闸是由于二极管整流器直流侧电压低于电压调节器能够正常工作的最小输入电压Umin造成的，Umin取决于电压调节器的设计，一般在50%～90%额定值之间。若忽略直流电压纹波，则直流侧电压与交流电压幅值相等，只要暂降时交流侧电压幅值Uac>Umin，设备电源就不会跳闸。当Uac
就计算机而言， 其正常安全工作电压为90%～110%，当电压下降到70%及以下，持续时间超过20ms(或60%及以下，持续时间超过240ms)，计算机就可能无法工作。IBM公司统计表明，48.5%的计算机数据丢失都是由电压不合格造成的。另据估计，信息产业80%的服务器出现瘫痪以及用户端45%左右数据丢失和“出错”均与电压暂降有关。由计算机控制的自动生产线、机器人、机器手、精密加工等，在电压暂降时也可能停止工作或产品质量下降。相比计算机，可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)在工程上的用途更为广泛，因为整个工业流程通常都是在这些装置的控制下进行的。
各类可编程逻辑控制器对电压暂降的敏感程度有很大差别，但一般来讲，PLC的某些部分对电压暂降非常敏感。例如，电压仅有几周波低于90%额定值，远端I/O单元就会跳闸。图3为两个不同类型PLC的电压暂降承受能力测试结果，从图中可以看到同一功能不同类型的PLC对不同电压暂降的承受能力。较新的类型1控制器在电压降低至额定值的50%～60%时就较为敏感，而较早的类型2控制器则能够承受15个周波的零电压。这说明电子装置正在变得对电压变化越来越敏感，即随着高新技术的发展，电压暂降所带来的危害有加重的趋势，应当引起关注。
图3 不同类型PLC对电压暂降的敏感性
2.2可调速驱动装置
可调速驱动装置(adjustable-speed drives，ASD)是工业过程中最关键的设备之一，用于控制电动机的速度、转矩、加速度和转动方向。其对电压暂降非常敏感，当电压下降30%～40%，持续120ms时，用户的ASD就停止运转，并且当驱动的过程对电机的转速和转矩要求严格时，装置对电压暂降就更加敏感。可调速驱动通过一个三相二极管整流器或三相可控整流器由交流电源供电。一般来讲，第一种方式多见于交流驱动中，第二种方式则在直流驱动和大型交流驱动中多见。由于机理相似，这里仅选取通过三相二极管整流器供电的中小型交流驱动装置进行讨论。
多数交流驱动的结构见图4。三相交流电压经三相二极管整流器整流后由直流侧电容器滤波，一些驱动的直流侧可能还会串入一个电感。整流得到的直流电压经电压源型逆变器(VSC)逆变成频率和幅值都可变的交流电压供给电动机。
图4 典型的交流驱动结构
当发生电压暂降时，一方面，驱动装置的电气部分可能因电压暂降而非正常工作或跳闸;另一方面，一些驱动装置所驱动的过程要求极其严格，可能不能承受因电压暂降而造成的电动机的转速和转矩的变化。大致说来ASD可能在下列情况下跳闸：
1)为了防止对可调速驱动电力电子元件的损坏，当驱动控制器的保护检测到工作条件的突然变化(例如电容器组的投切瞬态)时可能会使可调速驱动跳闸。
2)电压暂降引起的整流器直流侧电压的降低可能引起驱动控制器或PWM逆变器的故障或跳闸。
3)电压暂降期间交流侧电流的增大或暂降结束后直流电容充电引起的过电流可能造成过电流保护动作跳闸或使保护电力电子元件的熔断器熔断。
4)由电机驱动的过程不能忍受因暂降引起的电机速度的降低或转矩的变化。还需注意的是跳闸后，一些驱动装置在电压恢复时立即重新启动，一些驱动装置在一定的延时后重新启动，另外一些则需要手动启动。只有在过程能忍受一定的速度和转矩的变化时各种自动启动方式才是适用的。ASD在工业生产的很多领域都是不可或缺的。该装置可对工业过程造成直接或间接的影响，例如，冷却器的停运和延时后的启动可能影响工厂要求的精确温度控制，这将影响其产品的质量;而对于挤压车间或金属抽丝等过程，电压暂降造成的可调速驱动的速度下降或停转将使过程彻底停止运行。
文献[3]详细分析了交流和直流ASD装置在平衡和不平衡暂降时运行性能，特别是整流器的直流电压和电机转速的变化，并提供了一些治理措施实用建议。
2.3电磁开关
电磁开关主要有交流接触器及继电器两种类型，一般常用于低压工业配线及控制马达起动。主要电路结构见图5，有一个电磁线圈、一个可动铁心及弹簧。其原理为当电流流过上方的电磁线圈时，上方的铁心产生的电磁力将吸引下方可动铁心，导致常开点(NO)铁心闭合，常闭点(NC)则因为可动铁片离开接点而开启。
图5 电磁接点结构
电磁接点在遭受电压暂降干扰时，会因为电压变小使得流经线圈的电流随之变小，电流变小则使得产生的磁力不足而无法吸引可动铁心，在工业上会导致电磁开关所控制的设备误动作乃至停机。研究表明：当电压低于50%，持续时间超过20ms，接触器就会脱扣;有的研究表明，当电压低于70%，其至更高，接触器也可能脱扣。
2.4照明设备
大部分照明灯在发生电压暂降时只是闪一下或暂时变暗，不会造成严重的后果。在这里重点讨论的照明设备为高压气体放电灯(highintensity disge，HID)，如包括水银灯、金属卤化物灯、高压钠灯等。HID不仅具有高发光效率，而且较荧光灯的发光质量更高，寿命更长，具有极高的经济效益。从以上的优点可见HID在未来的照明技术的应用上势必日益普遍，将占重要地位。
HID属于弧光放电灯，在发光期间灯泡电流的变化会很大，因此需要一个镇流器来稳定其电流，使灯泡所发出的光稳定。
HID镇流器可分为电子式(见图6)及电磁式(传统式，见图7)两种，电子式镇流器具有体积小、效率高、寿命长等优势。目前，电磁式镇流器有被电子式镇流器取代的趋势。
图6 一种HID灯电子式镇流器
电子式镇流器动作原理可以分成三级：第一级将输入的交流电源通过整流电路转成直流，并经过直流对直流升压转换电路进行功率因数修正;第二级为直流对直流降压转换电路，用于提供一个可变的直流，因为HID在点灯的过程中由瞬时到稳态灯管等效电阻变化很大，所以需要一个可变的直流进行控制;第三级利用一个点火器产生一个高压将灯点亮，灯泡点亮之后点火电路即失去了作用，镇流器通过单相全桥电路供给灯泡方波电压。图7为电磁式镇流器动作原理，即通过点火器上的电压控制开关，使电感与电容产生共振，从而在灯泡端产生高压使灯泡点亮，当灯泡点亮之后点火器即失去作用。
图7 HID灯电磁式镇流器
电压暂降时输入HID镇流器的电压变低，镇流器所输出的电流也随之变小，一旦流经灯泡的电流小到无法维持灯泡内部建立电弧所需最小的电流值时，灯泡会熄灭。一般电压中断或暂降超过一个周波时，灯就熄灭。HID的特性是灯点亮之后是慢慢地亮，大约经过5～10min之后才会完全的达到稳态发光。灯熄掉之后欲再点灯则需等灯管冷却，一般冷却的时间约为1～7min。也就是说一旦HID遭受到电压暂降的干扰，从熄灭到稳态发光至多约需20min，在工业环境、在人群大量聚集的场所或街道照明等场合，这种情况发生很可能导致混乱。
还需指出，HID引起熄灭的电压暂降量值随其使用时间会逐渐减小，例如钠灯在寿命的最后阶段，2%暂降就会熄灭;而在全新阶段，45%暂降才能熄灭。图8为一般用电设备对电压暂降的敏感程度概要，各种用电设备对电压暂降幅度有不同的耐受度，例如交流接触器在50%以内的电压暂降仍可运转，但可变速马达和高压放电灯只容忍15%以内的电压暂降。此外电压暂降持续间的长短，对用电设备也会产生不同影响。如交流接触器在遭遇持续0.01s以上的电压暂降即会误动，而低压继电器当电压暂降持续1s以上才会受到影响。
图8 一般用电设备对电压暂降的敏感程度
目前，国外已对敏感设备电压暂降敏感度开展了大量的研究，而在国内，对敏感设备电压暂降敏感度的研究尚处于起步阶段，还没有对敏感电气设备电压暂降敏感度进行大量的测试，急需进一步深入研究。
2.5机械装置
通常，对用于切割、钻孔与金属处理等的精加工自动装置或复杂机械来说，电压的任何变化都可能影响被加工部件的质量。机械装置对电压变化敏感的另一个原因是出于安全性的考虑。自动装置通常需要非常平稳的电压以正常安全运行，任何电压的波动，特别是电压暂降，可能引起自动装置或复杂机械的异常运行。因此，这种类型的机械装置通常设定在90%额定电压时跳闸。
3、设备对电压暂降忍受能力的标准
设备对电压暂降忍受能力目前主要有两个规范，一个为lEEE Std.446，1987年被纳入CBEMA(Computer Business Equipment Manufactures Association)曲线(见图9)，另一个为SEMI F47(Semiconductor Equipment and Materials International)曲线。在2000年CBEMA曲线修正为ITIC(Information Technology Industry Council)曲线。ITIC曲线规定了ITE(Information Technology Equipment)所需具备的受电电压干扰耐受能力(不包含断电)，ITIC曲线针对的是计算机跟数据处理技术相关的设备，应用的范围是单相120/240V、60Hz的设备(见图10)。
图9 CBEMA曲线
图10 ITIC曲线
ITIC曲线横轴为电压干扰(电压降或电压升)的持续时间，纵轴为电压干扰时的电压大小(以百分比表示)，上方曲线代表设备对电压升的忍受能力，下方曲线则表示设备对电压降的忍受能力，二曲线的中间表示设备能够正常运行不受电压变动所影响的范围。SEMI代表半导体机台制造业，SEMI F47曲线标准是提供半导体产业设备的规范，引导半导体设备制造商在设备系统设计制造上符合此标准。
SEMI F47曲线(见图11)也引用了ITIC曲线中0.05～1.0s时间范围内电压降幅的规定，作为半导体设备有关暂降耐受能力的规范。由图可以看出ITIC规定当电压暂降发生时，持续时间介于1.2～30周波可忍受到压降为70%，但SEMI F47则规定持续时间在3～12周
波时设备的忍受能力要能达到额定电压的50%，SEMIF47针对设备电压暂降忍受能力要求明显较ITIC严格。
图11 SEMI F47曲线
4、应用效果
实际系统中，对敏感性负荷危害性较大的电压暂降主要是由系统短路故障引起的，它的传播距离远、暂降幅值大。输电线路短路故障将会影响相关配电系统的电压质量，即使是配电系统的短路故障，也会引起相邻馈线的电压暂降。
因此，一方面采取措施降低系统短路故障的发生率，以减少发生电压暂降;另一方面在短路故障发生后，合理地控制短路电流的大小及持续时间，这样也会减少因电压暂降造成的损失。在系统侧降低电压暂降危害程度的相关措施主要与继电保护设备和网络结构有关。比如：①增加继电保护的动作速度;②采用故障限流器，以提高故障电压;③合理配置线路中的自动重合闸和熔断器;④采用不同电源的双支路供电;⑤调整运行方式，修改馈线布局结构;⑥架空线入地、沿线树枝修剪、防雷接地保护的完善和管理等。
在用户侧减少电压暂降危害的最简单的方法是提高设备对电压暂降的耐受力。然而这与设备制造商密切相关。因此尽快协调电力公司、设备制造商以及用户对电压暂降相关标准的认同是重要的工作。
此外，在用户侧利用机械器件的转动惯性及大功率现代电力电子器件的快速投切特性，为治理电压暂降提供了新的途径。如：①电动—发电机组。由于转子的转动惯量较大，在一定程度上可以克服瞬间电压降的影响。②飞轮蓄能系统。可以在相当范围内克服电能质量问题对负荷的影响。③不间断电源(UPS)。将交流电整流后储存在蓄电池或其他储能装置中，然后再通过逆变器把直流变成交流向负荷供电。此外，还有动态电压恢复器(DVR)、固态切换开关(SSTS)、统一电能质量控制器(UPQC)和恒压变压器(CVT)等现代电力电子装置和设备。当然，所有的措施均涉及技术效益和经济成本的比
较，限于篇幅，在此就不作进一步讨论了。
5、GB/T 30137《电能质量 电压暂降与短时中断》的贯彻
GB/T 30137的颁布意味着电压暂降和短时中断已正式被国家认定为电能质量指标，广大用户根据自身负荷特点，有权向电力企业提出相关要求。电力企业则应尽量满足用户的需求，具体实施应当在供用电合同中体现。必须考虑到电压暂降的发生往往带有随机性、偶发性(从时间、地点和故障性质看)，其发生频度和电网结构、地理气象条件、运行维护水平等因素有关，其影响大小和用电负荷性质和工况有关，因此很难提出一个统一的控制指标，各电网只有在长期监测、统计基础上，根据具体用户提出协议控制指标;电压暂降不仅取决于公用电网，也和用户内部电网有关，还和用电负荷性质(承受暂降的能力以及对电网产生的冲击影响)有关，因此减小暂降的危害需要供用电双方共同努力。
在供用电合同中，除了包含典型的电能质量的一般性规定外，有关电压暂降建议纳入下列规定：①电压暂降原因分析和责任划分;②执行的标准(在国内，当然主要依照GB/T 30137)。明确标准中留待决定或选择的条款，例如电力企业对用户承诺的每年暂降和中断次数，以及有关的奖惩规定;③对暂降监测的实施细则，例如暂降测量仪的连接方式，安装位置，技术规格;检测扰动的阈值;④确定对某一单测点或系统的年度暂降监测评估方法;⑤用户损失的评估方法;⑥供用电双方为减少暂降危害采取的措施。
6、结语
现代电网中敏感性负荷越来越多，保障其用电的正常安全有极其重要的意义。本文较全面地论述了敏感性负荷供电的电能质量相关问题，包括影响设备对电压暂降敏感度的因素，一些常用设备敏感性的机理分析，电压暂降耐受能力的标准，解决敏感性负荷供电质量的技术措施以及国标GB/T 30137《电能质量电压暂降与短时中断》的贯彻问题，本文有助于专业人员对敏感性负荷的认识和相关电能质量问题的处理。
作者简介
林海雪，中国电力科学研究院教授级高级工程师，长期从事电能质量标准制定和治理措施的研发及工程应用的研究。
原标题：【电能质量讲座之二】林海雪：敏感性负荷的电能质量问题
