电压变动对设备的影响及应对措施

电力系统中，理想的电压应该是其幅值和方均根值，始终为额定值的三相对称正弦波电压，但由于系统中存在阻抗及用电负荷的变动、用电负荷不同的性质和不同的特点，造成实际电压在幅值与波形上与理想电压之间出现偏差。其中，电压幅值的变动通常以其对额定电压的偏移量是否超过给定值来衡量。波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。所谓畸变率（或正弦波形畸变率），是指各次谐波有效值二次方和的方根值与基波有效值的百分比。也就是说，如表3-1所示的电压质量主要包括两个方面内容，即电压幅值（或有效值）和电压波形，而以电压的偏移、变动和波形的质量来评估的。本节主要讨论电压幅值的变动，而有关波形失真的内容将放在下一节进行讨论。

保证用户端的电压接近额定电压，是电力系统运行调整的基本任务之一，因为所有的用电设备都是按运行在额定电压时效率为最高设计的，偏离额定电压必然导致效率下降、技术指标和经济指标的降低以及寿命的减少。电压幅值的变动是由于流经电网的负荷的无功和有功电流的变化引起的，该电流会在电网阻抗上形成相应的压降。电力系统中复杂的结构和大量的用电负荷，导致系统内各节点电压不同，此外各节点负荷处于不断地变动之中，也会引起节点电压变动。

IEC标准^[7，8]中关于电压变动的定义是根据电压有效值给出的，这里电压有效值（即方均根值）电压的时间函数U（t）定义为：过零点之间或电源电压的每个相继半周期取方均根值得到的时间函数。据此，电压变动特性ΔU（t）被进一步定义为：两个相邻的、持续时间1s以上的稳态的、以电源电压过零点之间半周期电压方均根值之间的差值的时间函数。这里，稳态指的是在测量准确度范围内可以看做是常量。

两个至少被一个电压变动特性隔开的邻近稳态电压之间的差值称为稳态电压变动，以ΔU_c表示。而电压变动特性中最大和最小方均根值之间的差值ΔU_max称为最大电压变动特性，如图3-21所示。

图3-21 方均根电压直方图^[7，8]

上述定义表示的是相电压之间的绝对关系，而在应用中，往往更关注的是相对关系，如上述电压与标称电压U_n之间的比率。这包括相对电压变动特性d（t）、最大相对电压变动d_max、相对稳态电压变动d_c，如图3-22所示。

图3-22 相对电压变动特性^[7，8]

电压变动对用户设备的影响可以从两个方面，即分别以电压变动的程度和电压变动持续的时间来加以说明。日本电气学会^[9]为此对日本5处的半导体工厂进行实际测量，并将测量结果与电压变动之间的关系进行了分析。测量结果如图3-23所示。

图3-23a给出电压降低的程度与企业受影响的程度之间的关系。电压暂降在40%以内，即剩余电压在60%以上时，所影响的企业在20%以下，超出该范围则企业受损害的程度就急剧增加。

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图3-23 电压降低程度、电压暂降持续时间与危害程度的关系^[9]

a）电压降低程度 b）电压暂降持续时间

但除了电压的变动幅度会对用户设备的产生影响外，上述变动的持续时间同样影响到设备的正常运行。图3-23b显示当电压暂降的持续时间在20ms以下时对企业几乎没有影响；但当电压暂降的持续时间在60ms以上时，受危害的用户数量就会急剧增加。

各种用电设备对电压变动的耐受能力到目前并没有见到非常明确的说明。图3-24给出了一个日本电气协同研究报告所引用的各种不同设备对电压变动的耐量。在图中可以看到，小容量的电磁开关和电动机调速系统（采用逆变器）如电压暂降时间超过10～20ms就可能发生误动或停机。其他包括计算机在内的电子设备对于50ms以内、剩余电压在50%以上的电压暂降则可以耐受。

图3-24 设备对电压暂降和持续时间的耐受程度

与之对应，IEC和IEEE及信息技术工业委员会（ITIC）等对计算机和其他电子设备对电压暂降的耐受程度制定了相应的标准。图3-25给出了不同的标准对于电子设备在1s内电压暂降的耐受程度要求。比如在IEEE std.1100-1999中，要求设备可以在20ms以内电压完全丧失（中断）的条件下，仍能正常工作。由于实际中最常发生的电压暂降的持续时间在100ms左右，因此所设计的设备能够耐受此类的短时间电压变动是值得注意的研究课题。

图3-25 不同标准对电子设备电压暂降耐受能力的要求

据此，对电压变动的分类既可以按变动的幅度，也可以按其持续的时间来进行讨论。这里根据国标将其按短时间电压变动和长时间电压变动进行分类讨论。