随着数字经济时代的到来，电能质量问题的重要性在不断地增加，但如何确定适当的质量和可靠性水平受到许多因素的影响，如环境要求以及性能、经济、技术、标准等指标和自动化及通信系统等基础设施作用的影响。应当注意的是，电能质量问题如图3-65所示，它实际上不仅取决于电力系统的供电质量，也取决于终端用户系统和设备的特性，比如用户的非线性负荷（如电力电子装置），会向系统注入畸变的电流，并且和系统阻抗相互作用造成谐波失真。因此电力系统的电能质量标准应当符合两方面要求，即终端用户的设备可以正常运行，同时对于系统而言又具有现实的可行性。这意味着在终端用户设备的运行和电力系统本身的性能之间进行紧密的协调，在供电系统的性能和终端用户设备抗扰性之间达到适当的平衡。
图3-65 电能质量问题的来源[20]
从终端用户的角度来看，电能质量事件包括设备误动、跳闸、生产率降低、设备寿命缩短和恶劣的工作条件。电压跌落可能来自配电网，也可能来自工厂中大型电动机的起动，由于电容投切和熔断器动作引起的暂态过程。
据此，可以将电能质量问题划分为三类：①源自供电系统的电能质量问题对工厂的影响；②源自工厂自身的电能质量问题对工厂本身的影响；③工厂产生的电能质量问题对电网的影响。
实际上，电能质量问题可以归结为电网向电力敏感设备提供的电能质量和敏感设备可靠运行所需的电能质量之间存在的差别。这意味着，一方面电力公司必须对提高供电质量的需求加以评估，重要的是其基础设施可以满足敏感设备对于电能质量的要求。假定供电系统能够免除电压跌落，则可以提高许多工业企业的生产率，并且对更大范围的家用电器的用户而言也是十分重要的。提高供电设备性能的经济性需要和提高设备对电压跌落的抗扰性的经济效益应综合考虑。
另一方面，电力用户同样需采取措施以提高设备的抗扰性和设备本身产生的电磁干扰，从而在保护设备正常运行的同时，提高电能质量。在电能质量变化时，改进设备的性能可以带来大量的节约。
因此，解决方法包括：
1）供电系统方面降低电源的变化；
2）制造厂商和终端用户提高用电设备对电能变化的耐受性；
3）终端用户在电源和敏感电子设备之间插入接口设备，如各种电能控制设备，以隔离相互之间的影响。
实际上，解决电能质量问题的关键在于电力公司和终端用户一起对电能质量变化在经济上带来的影响和不同性能改进方案所需的投资进行评估，并制定维护供用电双方合法权益的相应标准，而这些标准则是保证电力系统安全经济运行、保障用户正常用电的基本技术规范和实施电能质量管理的法律依据。到目前为止，我国已制定了6个关于电能质量的标准，但仍存在一系列没有解决的问题。
图3-66所示的ITI曲线[21]是设备制造商给出的对于在供电系统电磁干扰（EMI）条件下设备性能的一个描述，它给出了包括计算机、打印机和监视器等数字设备在内的电子设备在不同电磁条件下的预期效应。
该曲线给出了绝大多数信息设备可以允许（即功能不中断条件下）的交流输入电压的包络；该曲线给出了稳态和暂态条件下设备对电压的要求。应当指出的是，该曲线是在标称电压为120V、60Hz的条件下制定的；其他情况下需由用户另行确定。
该曲线（2000年修改）可以分为8种情况进行描述：
（1）稳态工作区 这里指电压的有效值维持恒定或变化非常缓慢，且其变化范围为标称电压的±10%以内，该电压是额定负荷和配电系统损耗的函数。
（2）电压增高区 对应图中电压有效值的增高不超过120%，而持续时间不超过0.5s的区域。该状态通常出现在系统中有大负荷退出运行或负荷由另一个电源供电的情况。
图3-66 信息技术工业委员会[Information Technology Industry Council，ITI （原名，计算机和商用设备制造商协会，Computer&Business Equipment Manufacturers Association）]
（3）低频减幅振荡区 该区域对应一个减幅振荡的状态过程，它通常出现在向交流配电系统接入功率因数补偿电容时的过程中。该状态过程的频率范围随配电系统的谐振频率的不同，从200Hz～5kHz，而其幅值通常以60Hz标称电压的峰值的百分比而不是有效值来表示。通常认为，该暂态过程产生于电压波形的峰值附近，并且在其产生的半周之后就已被完全衰减。暂态电压的幅值与标称电压之比，随着频率的增加而线形增长，从振荡频率为200Hz时的140%，增加到5kHz时的200%。
（4）高频脉冲与振荡区 该区域对应的暂态过程产生的原因最典型的是由于雷电脉冲引起。对于此类暂态过程的波形和测试条件在ANSI/IEEE C62.41-1991中给予了详细的规定。该区域的波形的特征不仅取决于有效值，而包括幅值和持续时间（能量）两个方面。目的是为系统提供最小为80J的暂态抗扰度。
（5）电压跌落区 这里包括两个具有不同有效值的电压跌落。通常该暂态跌落过程是由于在交流配电系统的不同地点中投入重负荷或发生故障引起的。电压幅值跌落到标称电压的80%的典型持续时间不大于10s；而跌落到70%标称电压的典型持续时间则不大于0.5s。
（6）失电压区 失电压包括严重的电压跌落和电源电压完全中断，随之又迅速重新恢复标称电压的供电。上述电压中断的持续时间应不大于20ms。此类暂态现象通常是由交流配电系统故障引起跳闸及故障清除后重合闸过程引起的。
（7）无损害区 该区域对应的现象包括较（5）、（6）所列条件更为严重的电压跌落和失电压，以及所施加的电源电压长期低于稳态电压允许范围的下限。信息设备应尽可能避免工作于该区域，但在该区域工作并不会造成设备的损坏。
（8）禁止区 该区域包括可能的浪涌或电压超过设备的上限。假如信息设备工作于该区域，可能会造成设备的损坏。
而一个双方成功合作的事例就是半导体制造商和电力公司合作研究后制定的一个国际半导体设备与材料组织（SEMI）性能曲线[22]，该曲线（见图3-67）要求半导体处理设备可以承受最大电压跌落为50%、持续时间不超过200ms的电压跌落。即当发生电压跌落，但电压仍在折线范围之上时，设备必须能够继续运行而不会中断。
因此，电力公司和工业界一起根据典型电力系统所提供的供电质量来开发新的设备的性能标准，这种方式对在谋求提高生产率和与供电系统的兼容性的工业而言，是至关重要的。
1.源自电网的电能质量问题与标准
电力系统中任何导致用户设备失败或误操作的电压、电流或频率偏移问题均被称为电能质量问题，也是此类问题的主要来源。比如，电压跌落引起的电能质量问题占城市和农村负荷区域所有问题的67%以上。前述两条曲线（见图3-66、图3-67）可以作为终端用户对于敏感工艺和控制设备的采购规范。ITI曲线中功能不中断区域的范围从持续时间0.01周期、500%峰值，到持续时间20ms以下的完全电压丧失。SEMI则只包括电压跌落，并且在0.2～0.5s范围更为严格，设备的工作电压必须在50%标称电压以上。此外，对于一些极端情况，如近处雷电脉冲，其暂态电压水平肯定超过上述曲线给出的条件。此时，设计人员必须采取其他措施来减轻其影响。上述措施必须包括幅值和持续时间两方面的考虑，使设备运行于上述标准规定的范围中。
图3-67 半导体加工设备电压跌落承受能力要求曲线（SEM-F47：2004）
为了解决上述问题，可以采取的措施包括：
1）供电系统和紧急/备用电源必须良好地接地；
2）在变电所、工厂进线和加工与控制设备，采用多层次过电压保护；(www.xing528.com)
3）电气设计上，采用可靠的供电接线和将问题负荷与敏感负荷隔离；
4）设计、确定和实现满足表3-11中的ITI和SEMI标准所要求的紧急处理和控制设备。
表3-11 相关标准
2.源自工厂的自身电能质量问题对工厂本身的影响
工厂本身同样会产生电能质量问题，它不仅影响邻近用户的正常运行，还会对自己产生影响。工厂自身的电能质量问题包括电压跌落、谐波和闪变。电动机起动是工厂电压跌落的一个典型原因。谐波产生的主要原因是非线性负荷，比如电能变换器——电力电子装置、开关电源、整流器、变频器等。
实际方案的选择往往取决于可行性和经济性两方面的考虑，比如往往可能根本找不到可以满足特殊条件下电能质量要求的设备。对于敏感设备用户而言，相应的解决步骤包括如下4点：
1）确定问题所在，找出解决方法，并加以优化。这包括：
①进行彻底调查，包括对所有的接线和接地，以发现问题所在；
②监测电力系统可能的扰动；
③调查设备对电力系统扰动的敏感性，选择具有足够抗扰度的设备；
④研究电源和负荷之间的相互作用；
⑤确定负荷停运条件及后果。
上述做法可以帮助发现存在的问题，找出可能的解决方案，并采用最优的解决方法。该方法虽然最佳，但可能找不到实际可行的解决方法。比如，为了发现偶然出现的一种干扰，可能需要用户长时间进行监测，并且该方法只能用于解决已知的现象，而放过了潜在的问题。此时应考虑采用可以解决已发现的电能质量问题的补偿设备。
2）补偿设备与电网的兼容性：用户必须确定计划采用的补偿设备与电网兼容，从而可以正常工作，并且不会对邻近负荷发生相互干扰。这里所谓的兼容除了包括适当的输入电压、相数、频率外，还应包括以下暂态特性：
①对可能的电网电压暂降、暂升、瞬间停电和浪涌的耐受性，以及设备本身；
②对起动或突入电流进行限制，以阻止其运行引起馈线电压跌落；
③限制谐波失真电流；
④限制换相缺口。
否则该设备的接插入可能引起扰动而影响工厂中其他设备。比如虽然采用UPS可以保护目标设备免受电源中断的影响，但其输入侧整流器的换相缺口可能引起同一建筑物中计算机及其他敏感设备的误动作。
3）校验补偿装置与负荷的兼容性：用户必须了解计划保护的负荷对环境的要求，从而选择具有适当输出性能的电能质量控制设备，特别是根据要求确定容量和精度。比如如果敏感负荷要求供电电压的波动范围在+6%～-10%，则所选用的补偿装置的电压调节精度应当在±1%的范围。此外，对于补偿器和负荷之间可能出现的相互作用，必须加以特别的关注，比如假定负荷电流的变化会引起欲采用的控制器输出电压变化，则两者的同时应用，可能会导致类似正反馈的作用，进一步加大负荷电流的变化，从而导致不稳定以及欲采用的控制器输出电压的振荡。因此，必须仔细研究欲补偿的负荷的详细特性和建议的控制器对此类负荷的响应，当补偿负荷经受大的电流变化时，可能会引起控制器输出电压发生很大的畸变，如图3-68所示。通常需要将控制器的容量选得大一些，或选择一个对负荷电流变化不敏感的控制器。
图3-68 电能质量控制器的补偿效果
特别是虽然电能质量控制设备可以保护敏感设备免受各种电力系统干扰的影响，但为了得到最优的保护作用，必须对各种设备的性能和相应的使用范围有足够的了解，以选择适当的设备，这一点将在随后的章节中加以说明。
4）根据相关标准对设计进行评估：与设备电能质量相关的主要标准见表3-12。
表3-12 电能质量问题相关标准
（续）
注：关于闪变的规定有两个标准，即IEEE 519，提供了在可见和刺激两个范围中的限制。IEEE 1453基于IEC61000-4-15提出一种新的限制方法。该方法将取代IEEE 519和IEEE 141提出的电压闪变限值。
虽然电能质量问题目前得到了各界越来越广泛的关注，并且一系列相应的标准被制定出来，但技术及全球化的新进展使得人们对电能质量问题本身及其相应的标准的认识也在不断地得到深化。作为本章的总结，图3-69给出了电能质量控制设备的设计流程图，可供从事该领域设计和研究的技术人员参考。
图3-69 电能质量控制设备设计流程图
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
