电力质量与电压暂降问题

林周布 福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州350002

摘要：本文论述了公用电网的电力质量（PQ）概念以及相应的PQ问题；分析了电力系统中的电磁兼容性问题与PQ问题之间的联系与差异。论述了电压暂降问题的重要性；指出SEMI F47 标准不但加大了电压暂降的严酷度，而且还强化了对电压暂降的处理要求；对今后解决PQ问题提供了方向。认为电力串联有源补偿器与Dip-proofing inverter是有效且成本合适的解决电压暂降与大多数PQ问题的专用设备。 叙词：电力质量（PQ），电压暂降，SEMI F47

1 引言

所有使用市电供电的用户都期望一直能有频率稳定、电压稳定、供电可靠性高的电源；实际上这种期望是难以实现的。但是，电力产品与其它产品不同，供给用户的电力要通过发、输、变、配这些环节。由于发、输、变、配和用电设备是连接在同一个电力系统上，而且这些电力流通环节是同时进行并同时完成的；因此，发生在低压市电网上的许多电能质量下降问题超越了市电的控制范围。也就是说，电能质量不但取决于发、输、变和配这些环节，而且还取决于公共用电环节；随着对供电质量要求较高的信息技术类设备日益增大的应用，以及作为最大谐波电流源的非线性电力电子装置的大量使用；为了防止电力故障造成政治、经济、人员生命与财产损失；现代社会必然对电力系统的可靠性与电能质量提出高要求。改善电力质量已经成为发展配电和低压系统中最重要的课题之一。它不但是电力系统的电磁兼容性问题；而且也是当代电力电子学科中一个重要的研究方向。 发生在市电网电力质量达不到使用要求的所有事件中，以电压短时的突然降低，即电压暂降（IEEE 标准中称为sag，IEC标准中称为dip）出现频次最多、危害也最大；可以称作电力灾害。国际上对此电力灾害极为重视。本文结合笔者对相关国际标准的学习心得体会，论述电压暂降现象、危害性以及相应的标准规范与防止措施。

2 电力质量问题

质量（quality）术语的定义很多；在日常使用中对不同的人具有不同的含意。在ISO质量管理系列标准中，质量被定义为“反映实体满足明确和隐含需要的能力的特性总和”。对于电力质量（power quality，PQ）这个概念，在最新的IEEE Std 1100-2005，IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment（IEEE推荐的操作规程 敏感电子设备的电源与接地）标准中定义为“The concept of powering and grounding electronic equipment in a manner that is suitable to the operation of that equipment and compatible with the premise wiring system and other connected equipment.”[1]。即：PQ是适合电子设备正常工作并与所在地的接线系统及其它连接设备兼容的电源与地线的概念。这个定义与较早发布的用于PQ的IEEE Std 1159-1995, IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality（IEEE推荐的操作规程 电力质量的监控）标准对PQ的定义“The concept of powering and grounding sensitive equipment in a manner that is suitable to the operation of that equipment.”相比，有两处不同[2]。其一，前者是指电子设备，后者是指敏感设备；反映了电子设备等同敏感设备的意思。其二，后者比前者多了“并与所在地的接线系统及其它连接设备兼容”一段话；

这是新增的重要概念，明确地将电源、线路间作用、地线都视为电磁兼容性的一部分，弥补了后者对PQ定义的不完整。

IEEE Std 1159-1995进一步具体地指出：PQ问题是指在给定时间和地区，公用电力系统发生的以电压、电流大变动为特征的电磁现象。有时也用电流质量术语作为PQ问题的补充。实际上电压与电流紧密相关；完整地说，PQ问题就是电压质量与电流质量的结合。因此，PQ问题既有技术特征的供电电源电压质量方面内容，也有与消费方之间相关的电力服务方面内容；它还包含了用户线路上的电流质量、用户依帐单所付电力费用与实际消耗电力之间的准确度等内容。基于电力产品的系统性与公用性，公用低压市电网的电能质量要求除了供电方有义务满足外，用电方也应有责任加以改善。因此，有两大系列标准制约与管理着PQ问题。其一，是应用于电气电子产品的电磁兼容性系列标准中关于低频传导发射与抗扰度标准；其二是电力系统的电能质量系列标准。

在国际上，与供电方相关的PQ问题的主要标准文件是欧盟标准EN 50160：1999，Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems（公用配电系统的电源特性）。该标准规定了公用中、低压配电系统以电压参数为特征的电能；其中对最重要的电压参数的基本定义是：供电电压是以一个给定时间间隔中的一个给定瞬时，在公共连接点（point of common coupling，PCC）测量的电压有效值；电力系统的标称电压是电力系统设计要求的、能标识出其确定的工作特性的电压。在EN 50160标准中对电压参数的规定还有电压变化、闪变强度、供电电压暂降、供电中断、过压、谐波电压、内谐波电压、三相电压不对称等特性。因此，只要电压、电流或频率中的任何一个量的偏差引起用户设备的误动作或故障，就认为存在有PQ问题。

与用电方相关的PQ问题的主要标准文件是IEC 61000系列的电磁兼容性（EMC）标准。IEC 61000-1-1 从EMC角度来定义电力质量。这是因为设备要求在给定值的电磁环境级别下能正常工作。电磁环境中的干扰因素既有来自电源线路，也有来自在同一电源线路的其它电气设备；也有可能来自设备自己本身。引起这些问题的原因除了供电部门运行中的故障外，电力用户使用的非线性设备也包括在其中。在电磁兼容领域中与电力质量有关的电磁现象按频率可以分为高频现象和低频现象；此外，还有静电放电和大功率暂态现象。在某些情况下，这些特性参数可能与电网的供电和连接到该电网的负荷之间的兼容性有关。许多PQ问题也是电力系统的EMC问题。EMC与PQ是两个既有联系又有明显区别的两个概念；具体分析如下：

1）EMC是指设备所在场地包括电力线路在内的周围电磁环境；PQ是指市电网的公共连接点的电力。

2）PQ是对电力线路而言；EMC则对所有电源电路、信号电路以及周围空间的静电场与电磁场而言。

3）EMC规定了电气电子设备向外部传导或辐射发射的所有电磁干扰强度限值要求；PQ只规定了电气电子设备向电力线路传导电力谐波干扰、闪变电磁干扰强度限值；但是PQ还规定了电气电子设备所致的电压波动、三相电压不平衡等有关电力参数变坏程度的要求。 4）EMC要求敏感电子设备对周围电磁环境的持续时间较短的电磁干扰能有规定的抗扰度能力；PQ要求敏感电子设备能抵御发生在公用电力系统上规定的电磁干扰（包括电压瞬变与短时断电）。

5）EMC与电气电子设备及周围电磁环境相关；PQ则与电子设备、地线及公用电力公司相关。

6）EMC涉及的电磁现象与电路的电压、电流以及电磁环境的电磁场量相关；PQ涉及的电磁现象与单相、三相电力中的电力参数（如频率、电压幅值、波形与对称性等）相关；因此，发生在电力系统的EMC问题主要以电流量为特征，而PQ问题主要以电压量为特征。 虽然EMC不能包括所有的PQ问题，但是PQ问题中含有电力系统的EMC问题，解决PQ问题也要从EMC技术入手。根据处理EMC问题的干扰源、耦合途径、敏感设备三要素原理，也可以得到处理PQ问题的三要素：公用配电系统、电力线路、敏感设备。

为了能给信息电子设备设计提供一个定量的PQ参考值。国际计算机和商用设备制造商协会（Computer and Business Equipment Manufacturers Association）于2000年提出了更新的ITI曲线[1] ，如图1所示。图中的横轴是电压干扰的持续时间，纵轴则是电压值（等于标称电压有效值或等效峰值的百分比；其中峰值用于小于1个工频周期的区间）。根据不同的电压干扰程度与持续时间，ITI曲线可以按时间与电压值分成下列六个区间： 1）稳态区：持续时间≥10s的区间属于稳态变化，电压在标称值的±10%的偏差内，可以不受时间长短的影响。

2）电压突升区: 为持续时间在0.1个工频周期至0.5秒以内且电压值不超过500%的标称值(按图换算为600V，在电力的低压范围) 内；电压值小于120%的标称值范围内具有电压值与持续时间为反时限关系的特性。 3）雷击脉冲区：为持续时间小于0.01

个工频周期且电压超过超过500%的标称值的范围；此区的干扰电压不在图中表示，属于雷击防护标准内容。

4）电压突降区：为持续时间不超过10s且电压值小于90%的标称值范围内；该区包括持续时间不超过1个工频周期的短时断电。

5）不损坏区：为持续时间不小于1个工频周期且电压下降比电压突降区要更低的区域；即使电压落在此区间而设备仍持续通电时，也必须确保设备不会受到任何损坏。

6）禁止区：为图中右上角不属于上述五个区的区域；在这个区域，任何较大的电压都可能导致设备损害或宕机，应该避免出现此状态。

3 电压暂降问题

暂降（sag或dip）在最新的IEEE Std 1100-2005中定义为“An rms reduction in the ac voltage, at the power frequency, for durations from a half-cycle to a few seconds.”；即：持续时间为半个工频周期到数秒的工频交流电压有效值的减少现象。这个定义与IEC标准的定义相同；但与较早发布的IEEE Std 1159-1995标准的定义有差异。表现为：（1）暂降专指电压暂降，不包括电流暂降；（2）持续时间改为较短，现在为从半个工频周期到数秒，而以前则为从半个工频周期到一分钟。特点是电压突然降低发生后，经过一段很短的持续时间又会恢复到原始值。实际

上，典型的发生电压突然下降事件的持续时间可以从2ms一直到数分钟。但由于持续时间小于半个工频周期的电压突降对设备的作用不大，故将持续时间从半个工频周期算起，由此用有效值来定义是合理的。而对于持续时间大于1s的电压下降，由于是稳态电压波动问题，可以用普通交流稳压器来调校；不是难以对付的电磁现象；因此也不包括在电压暂降所定义的持续时间范围内。描述电压暂降用有效值下降量(或深度)、持续时间和发生频次这三大特征量。 发生电压暂降的直接因素是电力故障。电力故障产生的原因涉及电力系统运行以及用户两方面。电力系统方面的原因主要有配电系统的单相接地故障、雷击引起的线路对地放电或绝缘子闪络；其次是两相短路、两相短路接地和三相短路故障；有时电力系统的开关操作、变压器以及电容器组的投切等也会造成电压暂降。用户方面的原因是诸如大负荷设备的投入使用或冲击性负荷的投运等都可能造成电力线路严重过载而致电压短时间降低。电压暂降所关联的持续时间是隔离故障与重合闸装置的动作时间。当重合闸动作不成功时,电压暂降将增加一次。电力系统发生电力故障事故后，继电保护装置检测出故障、断路器动作清除故障并瞬刻重合闸都要经历一段短暂的时间，此时在邻近线路的用户就会发生短暂的电压突然降低。

电压暂降与非有意的突然断电不同。突然断电时负载与供电系统完全分离，断电与供电系统的可靠度有关，涉及的因素较小、发生的机会也较少，故所受损失有限。而电压暂降发生时负载仍与供电系统连接，只是供电电压突然降得很低，加上持续时间很短，没有专门的瞬态检测仪器通常很难确定出原因。由于电压暂降涉及的因素很多、发生的机会也很多，故所受损失会很大。因此，在所有PQ问题中电压暂降出现频次较多、危害最大。电压暂降已成为用户所面临的市电系统中的最重要电磁干扰问题之一。 [3]

对电压暂降较为敏感的装置与设备有可编程控制器、变频调速器、计算机、信息技术设备、直流电源设备和接触器等。由于这些装置与设备是自动化生产线的重要部分；因此，由于电压暂降而使设备宕机、计算机数据丢失、电磁开关误动作等，将导致自动化生产不正常，造成次品率增加甚至产品作废时，必然造成极大的损失。

IEEE特别为电子生产设备处理电压暂降问题而制定了一份名为IEEE Std 1346-1998，IEEE Recommended Practice for Evaluating Electric Power System Compatibility With Electronic Process Equipment，（IEEE推荐的操作规程 评估电力系统与电子生产设备的兼容性）标准。该标准认为电压暂降是经济损失最大的PQ问题。提出一个以技术分析与财务分析来处理公用电力配电系统与电子生产设备在电压暂降问题上的兼容性的方法；该方法作为一个规划工具，能定量解决配电环境与敏感设备抵御电压暂降的技术与费用之间的矛盾问题。

值得提出的是，IEC标准与我国标准中还只是将电压暂降作为电磁兼容性中的一个抗扰度项目（等效采用IEC 61000-4-11：1994），还没有将此列为电能质量项目来管理。电力标准界权威专家林海雪认为，由于电压暂降的发生往往带有随机性(从时间、地点和故障性质看) , 其发生频度和电网质量、结构、地理气象条件、运行维持水平等因素有关,其影响大小和用电负荷性质有关, 因此很难提出一个统一的控制指标。由于无论是IEC 61000 系列标准或是欧美、日本等发达国家, 电压暂降都是一项重要的电能质量标准, 因为这项指标涉及一批高新技术企业或用户的供电可靠性和技术经济效益。我国实际上也面临同样的问题, 因此将其列为电能

[4]

质量指标是势在必行的。

由于半导体的价值在于对原材料的深加工与处理；当自动化生产线出现电力故障时，就使得价比黄金高的芯片成为不值钱的废片；因此，半导体业界对生产过程中PQ问题特别重视。

[3]

国际半导体设备与材料组织（Semiconductor Equipment and Materials International, Inc.，SEMI）与美国电力研究学会（The Electric Power Research Institute，EPRI）合作，经过数年对电压暂降事件的分析并结合现场测试论证，于2000年提出一个SEMI F47-0200-2000, Specification for Semiconductor Processing Equipment Voltage Sag Immunity.（半导体处理设备的电压暂降抗扰度规范）标准。标准中提出一个SEMI F47曲线图，如图2所示；作为半导体处理设备有关电压暂降耐受能力的规范。是目前最新的针对电压暂降的国际PQ标准。SEMI F47 标准不但加大了电压暂降的严酷度，而且还强化了对电压暂降的处理要求。与电压暂降抗扰度同义的是对电压暂降的渡跃（ride through）能力。[1]

根据一些电压暂降事件发生的电压下降量要比ITI曲线更低的测试结果，SEMI F47在ITI曲线中0.05s至1.0s时间范围内对电压暂降的规定基础上，将不超过0.2s的电压下降量从标称值的70%更改为标称值的50%。尽管如此，这些规定值仍比断电条件要好。根据EPRI的说明，实施SEMI F47规范，就是要在不使用不易维护的蓄电池下；采用可以替代之的技术。

EPRI已经设立了一个符合SEMI F47 标准的测试程序，称之为电力质量之星（PQ

Star）认证程序。该程序按照SEMI F42 测试规约要求，根据SEMI F47 标准要求对半导体处理系统中所用的装置进行测试并完成Semi F47（或称为PQ Star）认证工作。据EPRI报道已有一些直流电源设备、变频驱动器、接触器产品等获得了PQ Star的认证。

4 措施

典型地说，单次电压暂降不会直接造成生产设备的损坏，倒是有一些设备在电压暂降期间由于增大了电流而可能损坏。连续几次的电压暂降可以使设备损坏；暂降幅度很大的电压暂降能直接损坏设备。可以从四个方面采取措施来加以解决或减缓电压暂降带来的危害：

1）从供电方来说就是减少公用电网的故障，采取措施减少或杜绝电压暂降事故的发生。 2）降低电子设备对电压暂降的敏感度，使设备具备一定的抗暂降能力；典型的方法是在电子设备内增加储能电容的量值或加入带储能电容的抗电压暂降电路。

3）用户内部要对电力进行管理，采取措施减轻重负荷或大冲击性负荷对电力线路的影响，防止严重的电压暂降事件的发生。

4）加装电力补偿装置。据统计，断电只占所有PQ问题的7%。虽然UPS设备可以解决包括电压暂降、供电中断在内的大多数PQ问题；但是UPS设备价格太贵，而且需要维护与更换蓄电池；使用不方便。一般认为，如果不是要解决断电问题；而是要对付电压暂降问题，不推荐使用UPS设备。除UPS设备外，可以解决电压暂降问题的电力补偿装置还可以有以下几种：

1．使用电力串联有源补偿器（典型是动态电压恢复器DVR）；它可以解决除大于1秒的电力中断外其它所有的PQ问题，即可以解决高达93%的PQ问题。

2．使用带高速静态开关的电源调节器（典型是能宽范围校正源电压的多级分接补偿式交流稳压器）。

3．采用铁磁谐振式交流稳压器，特别是将其减负荷量使用时，对付严重的电压暂降问题效果很好；缺点是费用太高。

4．根据Semi F47 标准，只要对付不大于1s的电压暂降问题；因此可以将UPS设备直接改为用大电容器储能、不带旁路转换开关的专门对付电压暂降的价廉的逆变电源；国外称为Dip-proofing inverter；它也可以解决除大于1秒的电力中断外的其它大多数PQ问题。

5．能量存储技术。牵引用电动机有许多电能参与启动与制动过程，制动中要消耗的能量可以利用能量存储技术就地存储，存储的能量可以用于下一次电机的启动，这样就明显降低了启动时对配电系统的电力要求，可以有效地减小了启动电流，不但降低了线路损耗；而且也防止发生PQ问题。

5 结论

由于文章篇幅所限，不能更细地论述有关PQ问题中最重要的电压暂降问题。尽管如此，我们还是可以得到如下几点结论：

1．PQ问题中含有电力系统的EMC问题，解决PQ问题也要从EMC技术入手； 2．电压暂降问题是PQ问题中最重要的一个问题，也是危害性最大的一类PQ问题；

3．SEMI F47 标准不但加大了电压暂降的严酷度，而且还强化了对电压暂降的处理要求； 4．电力串联有源补偿器与Dip-proofing inverter是有效且成本合适的解决电压暂降与大多数PQ问题的专用设备。 5．由于电压暂降问题的普遍性与严重性，今后SEMI F47 标准将会得到更多团体的认同。

参考文献

[1] IEEE Std 1100-2005, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment (IEEE Emerald Book)

[2] IEEE Std 1159-1995, IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality

[3] IEEE Std 1346–1998, IEEE Recommended Practice for Evaluating Electric Power System Compatibility with Electronic Process Equipment

[4] 林海雪. 电力系统中电压暂降和短时断电. 供用电. 第19 卷第1 期,2002 年2 月:9-12

[5] GB/T 17626.11-1999 （等效采用IEC 61000-4-11:1994） 电磁兼容 试验和测量技术 电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验

[6] http://www.f47testing.com/index.asp

[7] 杨洪耕，肖先勇，刘俊勇. 电能质量问题的研究和技术进展(一)— 电能质量一般概念. 电力自动化设备. 2003, 23 (10): 1-4

作者简介

林周布（1952-），男，福州市人，厦门大学1982届物理学专业毕业，理学士；曾在企业担任新技术研发15年；现为福州大学电气工程与自动化学院教授并担任中国电源学会交流稳定电源专业委员会主任。电子邮箱：lzb@fzu.edu.cn

Problems on Power Quality and Voltage Sag

Lin Zhoubu

College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou, 350002, China

Abstract: A concept of power quality （PQ）and about its problems in the utility are discussed. Relations and differences on PQ problems with EMC problems are analyzed. It is said that voltage sag is importance. So SEMI F47 standard not only increased rigor of the sag, but also intensified requirements against the sag. It is a direction for settlement of PQ problems. It is thought that the power series active compensator and the Dip-proofing inverter are specialized equipments to solve the sag problem and most of PQ problems in the manner of availability and appropriate cost.