电压波动和闪变.doc

电能质量 电压波动和闪变

Power quality—Voltage fluctuation and flicker

GB12326—2000
代替GB12326—1990

前 言

本标准是电能质量系列标准之一，目前已制定颁布的电能质量系列国家标准有：《供电电压允许偏差》（GB 12325—1990）；《电压允许波动和闪变》（GB 12326—1990）；《公用电网谐波》（GB/T 14549—1993）；《三相电压允许不平衡度》（GB/T 15543—1995）和《电力系统频率允许偏差》（GB/T 15945—1995）。
本标准参考了国际电工委员会（IEC）电磁兼容（EMC）标准IEC 61000-3-7等（见参考资料）， 对国标GB 12326—1990进行了全面的修订。
和GB 12326—1990相比，这次修订的主要内容有：
1）将系统电压按高压（HV）、中压（MV）和低压（LV）划分，分别规定了相关的限值，以及对用户指标的分配原则。
2）将国标中闪变指标由引用日本ΔV10改为IEC的短时间闪变Pst和长时间闪变Plt指标，以和国际标准接轨，并符合中国国情。
3）将电压波（变）动限值和变动频度相关联，使标准对此指标的规定更切合实际波动负荷对电网的干扰影响。
4）将原标准中以电压波（变）动为主，改为以闪变值为主（原标准中ΔV10均为推荐值），以和国际标准相对应。
5）对于单个用户闪变允许指标按其协议容量占总供电容量的比例分配，并根据产生干扰量及系统情况分三级处理（原标准中无此内容），既使指标分配较合理，又便于实际执行。
6）引入了闪变叠加、传递等计算公式，高压系统中供电容量的确定方法以及电压变动的计算和闪变的评估等内容，并给出一些典型的实例分析。
7）对IEC 61000-4-15规定的闪变测量仪作了介绍，并作为标准的附录A，以利于测量仪器的统一。
8）整个标准按国标GB/T1.1和GB/T1.2有关规定作编写。原标准名称的引导要素“电能质量”英译为“Power quality of electric energy supply”改为国际上通用的“Power quality”，并将本标准名称改为《电能质量 电压波动和闪变》。
作为电磁兼容（EMC）标准，IEC 61000-3-7等涉及的内容相对较多，论述上不够简洁。在国标修订中选取相关内容，基本上删去对概念和原理的解释部分，因为国内将陆续发布等同于IEC 61000的EMC系列标准，可作为执行电能质量国家标准参考。对于国标中所需要的一些定义、符号和缩略语，以及相关闪变测量仪规范和闪变（Pst）的表达式等，主要参考了IEC 61000-3-3、IEC 61000-4-15。
须指出，在采用IEC 61000相关内容中，本标准对于下列几点作了修改：
1）按IEC标准，对闪变Pst、Plt指标，每次评定测量时间至少为一个星期，取99%概率大值衡量。这样规定，在电网中实际上难以执行。本标准中对闪变Pst指标规定取1天（24h）测量，而且取95%概率大值衡量；对Plt指标，原则上规定不得超标。
2）对于电压变动，除了按变动频度r范围给出限值外，还补充了随机性不规则的电压变动的限值以及测量和取值方法
3）在IEC标准中，除了电磁兼容值外还引入“规划值”，规划值原则上不大于兼容值，是由电力部门根据负荷和电网结构等特点自行规定的目标值，本标准不采用“兼容值”或“规划值”，一律用“限值”概念。
4）IEC 61000-3-7实际上只对中、高压波动负荷的兼容限值作了规定，对于低压，主要是控制单台设备的限值，已由IEC 61000-3-3和IEC 61000-3-5中作了规定（国内将有等同标准）。在制定本标准时，鉴于中、低压设备兼容值相同（见IEC 61000-3-7），而国产低压电气设备大多未按IEC标准检验其电压波动和闪变指标，故将低压也作了规定，以使标准较为完整。
本标准从实施之日起，代替GB 12326—1990。
本标准的附录A、附录B都是标准的附录。
本标准的附录C、附录D都是提示的附录。
本标准由国家经贸委电力司提出。
本标准由全国电压电流等级和频率标准化技术委员会归口。
本标准起草单位：国家电力公司电力科学研究院、清华大学、北京供电局、北京钢铁设计研究总院、机械科学研究院。
本标准主要起草人：林海雪、孙树勤、赵刚、陈斌发、王敬义、李世林。

中华人民共和国国家标准

电能质量 电压波动和闪变
GB12326—2000
代替GB12326—1990

Power quality—Voltage fluctuation and flicker

国家质量技术监督局2000－04－03批准 2000－12－01实施

1 范围

本标准规定了电压波动和闪变的限值及测试、计算和评估方法。
本标准适用于交流50Hz电力系统正常运行方式下，由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能引起人对灯闪明显感觉的场合。

2 引用标准

GB 156—1993 标准电压

3 定义

本标准采用以下定义。
3.1 公共连接点 point of common coupling（PCC）
电力系统中一个以上用户的连接处。
3.2 波动负荷 fluctuating load
生产（或运行）过程中从供电网中取用快速变动功率的负荷。例如：炼钢电弧炉、轧机、电弧焊机等。
3.3 电压方均根值曲线U（t） R.M.S.voltage shape，U（t）
每半个基波电压周期方均根值（r.m.s.）的时间函数。
3.4 电压变动特性d（t） relative voltage change characteristic，d（t）
电压方均根值变动的时间函数，以系统标称电压的百分数表示。
3.5 电压变动d relative voltage change，d
电压变动特性d（t）上，相邻两个极值电压之差。
3.6 电压变动频度r rate of occurrence of voltage changes，r
单位时间内电压变动的次数（电压由大到小或由小到大各算一次变动）。同一方向的若干次变动，如间隔时间小于30ms，则算一次变动。
3.7 闪变时间tf flicker time，tf
一个有时间量纲的值，表示电压变动的闪变影响，和波形、幅值以及频度均有关。
3.8 电压波动 voltage fluctuation
电压方均根值一系列的变动或连续的改变。
3.9 闪变 flicker
灯光照度不稳定造成的视感。
3.10 闪变仪 flickermeter
一种测量闪变的专用仪器（见附录A）。
注：一般测量Pst和Plt。
3.11 短时间闪变值Pst short term severity，Pst
衡量短时间（若干分钟）内闪变强弱的一个统计量值（见附录A）。Pst＝1为闪变引起视感刺激性的通常限值。
3.12 长时间闪变值Plt long term severity，Plt
由短时间闪变值Pst推算出，反映长时间（若干小时）闪变强弱的量值（见附录A）。
3.13 累积概率函数 cumulative probability function（CPF）
其横坐标表示被测量值（例如瞬时闪变值），纵坐标表示超过对应横坐标值的时间占整个测量时间的百分数（见图A2）。

4 电压变动和闪变的限值

4.1 电力系统公共连接点，由波动负荷产生的电压变动限值和变动频度、电压等级有关，见表1。

表 1 电压变动限值

r,h-1
d,%
r,h-1
d,%
LV、MV
HV
LV、MV
HV
r≤1
4
3
10 UN≤1kV
中压（MV） 1kV第一级规定。满足本级规定，可以不经闪变核算，允许接入电网。
a）对于LV和MV用户，第一级限值见表3。
b）对于HV用户，满足（ΔS/Ssc）max<0.1%。

表 2 各级电压下的闪变限值

系统电压等级
LV
MV
HV
Pst
1.0
0.9(1.0)
0.8
Plt
0.8
0.7(0.8)
0.6
注
1 本标准中Pst和Plt每次测量周期分别取为
10min和2h(下同)。
2 MV括号中的值仅适用于PCC连接的所有用
户为同电压级的用户场合。

表 3 LV和MV用户第一级限值

r,min-1
k=(ΔS/Ssc)max,%
r<10
0.4
10≤r≤200
0.2
200闪变限值。不同电压等级之间闪变传递系数T如表4所列。

表 4 不同电压等级间闪变传递系数

HV-MV
THM
HV-V
THL
MV-V
TML
范 围
0.8～1.0
0.8～1.0
0.95～1.0
一般取值
0.9
0.9
1.0

用户闪变限值的计算如下：
a）对于MV和LV单个用户，首先求出接于PCC的全部负荷产生闪变的总限值G（以MV用户为例写公式）为：
（1）
式中：LMV和LHV——分别为MV和HV的闪变限值（见表2）；
THM——HV对MV的闪变传递系数（见表4）。
单个用户闪变限值EiMV为：

（2）

式中：FMV为波动负荷的同时系数，其典型值FMV＝0.2～0.3（但必须满足Si/FMV≤SMV）。式（1）、式（2）中，如将下标作适当替换（例如MV换为LV，THM换为THL或TML等），则可以用于LV用户的计算。式（1）、式（2）对于短时间闪变（Pst）和长时间闪变（Plt）均适用。
b）对于HV单个用户，闪变限值计算式为：
（3）
式中：StHV——接Si的PCC总供电容量，确定方法见附录B。

表 5 基本闪变值

Epsti
Eplti
0.35
0.25

c）对于某些相对较小的用户，利用式（2）、式（3）求出的闪变限值可能过严如用户未超过表5规定的基本闪变值，则仍允许接网。
4.3.2.3 第三级规定了超标（超过第二级限值）用户和过高背景闪变水平的处理原则。
由于PCC上并不都是波动负荷，按第二级条件计算，某些用户若是超标的，但实际背景闪变水平比较低，或者超标的概率很低（例如每周不超过1%时间），电力企业可以酌情（包括考虑近期的发展）放宽限值。反之，如背景水平已接近于表2规定值，则应适当减少分配的指标，研究采用补偿设备的可能性，并应分析背景水平高的原因，采取必要的降低闪变水平措施。

5 电压变动和闪变的测量条件、取值

5.1 本标准电压变动值d、短时间闪变值Pst和长时间闪变值Plt指的是电力系统正常运行的较小方式下，波动负荷变化最大工作周期的实测值。例如：炼钢电弧炉应在熔化期测量；轧机应在最大轧制负荷周期测量；三相负荷不平衡时应在三相测量值中取最严重的一相的值。
注
1 对于三相等概率波动的负荷可以任意选取一相测量。
2 设计所取的短路容量可以用投产时系统最大短路容量乘系数0.7。
5.2 对于随机性不规则的电压波动，电压变动实测值应不少于50个，以95%概率大值作为判断依据。短时间闪变值测量周期取为10min，每天（24h）不得超标7次（70min）；长时间闪变值测量周期取为2h，每次均不得超标。
注：95%概率大值指的是将实测值按由大到小的次序排列，舍弃前面5%的大值，取剩余的实测值中最大值。

6 闪变的叠加和传递

根据新用户投入前后公共连接点实测的闪变值，可以利用以下有关计算公式，推算出新用户实际上产生的闪变值。
6.1 n个波动负荷各自引起的闪变及背景闪变在同一结点上相互叠加，其短时间闪变值可按下式计算：
（4）
式中：m值取决于主要闪变源的性质及其工况的重叠可能性：
m＝1用于波动负荷引起电压变动同时发生重叠率很高的状况；
m＝2用于随机波动负荷引起电压变动同时发生的状况（例如熔化期重叠的电弧炉）；
m＝3用于波动负荷引起的电压变动同时发生的可能性很小的状况（比较常用）；
m＝4仅用于熔化期不重叠的电弧炉所引起的电压变动合成。
6.2 如图1所示，电力系统不同母线结点上闪变的传递可按下式简化计算：

（5）
式中：结点B短时间闪变值传递到结点A的传递系数；
PstA——结点B短时间闪变值传递到结点A，在结点A引起的短时间闪变值；
PstB——结点B上的短时间闪变值；
S′scA——结点B短路时结点A流向结点B的短路容量；
SscA——结点A的短路容量；
S′scB——结点A短路时结点B流向结点A的短路容量。

图 1 闪变传递计算示意

图1中L为波动负荷。
当S′scA＝0，而SscA＝S′scB时，PstA＝PstB。
6.3 某台设备在系统短路容量为Ssc0时Pst0已知， 当短路容量变为Ssc1时Pst1按下式计算：
（6）

公式（4）、式（5）、式（6）原则上也可用于长时间闪变值的相关计算。

7 电压变动的计算

对于平衡的三相负荷：
（7）
式中：ΔSi——负荷容量的变化量；
Ssc——考察点（一般为PCC）的短路容量。
当已知三相负荷的有功功率和无功功率的变化量分别为ΔPi和ΔQi时，则用下式计算：

（8）

式中：RL、XL——分别为电网阻抗的电阻和电抗分量。
在高压电网中，一般XL>>RL
（9）

式（7）～式9）中，ΔSi、ΔPi和ΔQi要根据负荷变化性质确定。
对于由某一相间单相负荷变化引起的电压变动，计算式为：
（10）

8 闪变的评估

不同类型的电压波动，Pst有不同的评估方法，如表6所列。

表 6 闪变的评估方法

电压变动类型
Pst评估方法
各种类型电压波动(在线评估)
直接测量
Ut(t)已确定的所有电压波动
仿真法，直接测量
周期性等间隔电压波动(图2、图3)
利用Pst=1曲线
电压变动间隔时间大于1s的电压波动(图4、图5、图6)
闪变时间分析法、仿真法、直接测量

8.1 闪变仪
各种类型的电压波动均可以用符合IEC 61000-4-15的闪变仪直接测量来评估，这是闪变量值判定的基准方法。
8.2 仿真法
当负荷变动特性和PCC的系统阻抗已知时，可以计算负荷引起的电压变动d（t），然后由闪变仪的模拟程序求出相应的Pst。本法需要专门的程序，其精度主要取决于负荷特性的数学模型。
8.3 用Pst＝1曲线分析
对于周期性等间隔矩形波（或阶跃波）、正弦波和三角波的电压变动，当已知电压变动d和频度r时，可以利用图2（或表7）由r查出对应于Pst＝1的电压变动dLim，则：
（11）

式中：F为波形系数。对于短形波（或阶跃波）F＝1；对于正弦波和三角波查图3。

图 2 周期性矩形（或阶跃） 电压变动的单位闪变（Pst＝1）曲线

图 3 周期性正弦波和三角波电压波动的波形系数

8.4 闪变时间分析法
在求Pst（或Plt）时分别选取产生闪变较严重的10min（或2h）时段的d（t）作分析，把各种变动波形利用波形系数等值为阶跃变动波形，求出闪变时间tf（s）来评估Pst（或Plt）。

表 7 周期性矩形（或阶跃）电压变动的单位闪变（Pst＝1）曲线对应数据

d，%
3.0
2.9
2.8
2.7
2.6
2.5
2.4
2.3
2.2
2.1
2.0
1.9
1.8
r，min-1
0.76
0.84
0.95
1.06
1.20
1.36
1.55
1.78
2.05
2.39
2.79
3.29
3.92

d，%
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
r，min-1
4.71
5.72
7.04
8.79
11.16
14.44
19.10
26.6
32.0
39.0
48.7
61.8
80.5
d，%
0.70
0.65
0.60
0.55
0.50
0.45
0.40
0.35
0.29
0.30
0.35
0.40
0.45
r，min-1
110
175
275
380
475
580
690
795
1052
1180
1400
1620
1800

对每个波形
（12）
式中：F为波形系数。对于阶跃波F＝1；对于双阶梯波、斜坡波、三角波和矩形波， 查图4、图5；对于直接起动的电动机，F≈1；对于采取缓冲措施的电动机，查图6。

图 4 双阶梯波和斜坡波电压变动的波形系数

图 5 三角波和矩形波电压变动的波形系数

图 6 具有不同前后沿的电动机起动电压波形系数

将规定时段（10min，2h）内d（t）的tf总和求出，则

（13）
（14）
闪变时间分析法一般用于电压变动间隔大于1s且电压变动波形为上列几种的组合，所求的Pst、Plt值和直接测量结果相比，误差在±10%以内。电压变动间隔小于1s，不推荐用此法。
8.3、8.4中方法仅适用于特定的电压波动场合。一些典型的实例分析见附录C。

附 录 A
（标准的附录）
闪变的测量和计算式

根据IEC 61000-4-15制造的IEC闪变仪是目前国际上通用的测量闪变的仪器，有模拟式的也有部分或全部是数字式两种结构，其简化原理框图如图A1所示。

图 A1 IEC闪变仪模型的简化框图

框1为输入级，它除了用来实现把不同等级的电源电压（从电压互感器或输入变压器二次侧取得）降到适用于仪器内部电路电压值的功能外，还产生标准的调制波，用于仪器的自检。框2、3、4综合模拟了灯-眼-脑环节对电压波动的反应。其中框2对电压波动分量进行解调， 获得与电压变动成线性关系的电压。框3的带通加权滤波器反映了人对60W、230V钨丝灯在不同频率的电压波动下照度变化的敏感程度，通频带为0.05Hz～35Hz。框4包含一个平方器和时间常数为300ms的低通滤波器，用来模拟灯-眼-脑环节对灯光照度变化的暂态非线性响应和图 A2 由S（t）曲线作出的CPF曲线示例记忆效应。框4的输出S（t）反映了人的视觉对电压波动的瞬时闪变感觉水平，如图A2a） 所示，可对S（t）作不同的处理来反映电网电压引起的闪变情况。进入框5的S（t）值是用积累概率函数CPF的方法进行分析。在观察期内（10min），对上述信号进行统计。图中为了简明起见，分为10级。以第7级为例，由图A2a），，用CPF7代表S值处于7级（或1.2～1.4p.u.）的时间T7占总观察时间的百分数，相继求出CPFi（i＝1～10）即可作出图A2b）CPF曲线。实际仪器分级数应不小于64级。
由CPF曲线获得短时间闪变值：

（A1）

式中：P0.1、P1、P3、P10、P50——分别为CPF曲线上等于0.1%、1%、3%、10%和50%时间的S（t）值。

图A2 由S（t）曲线作出的CPF曲线示例

长时间闪变值Plt由测量时间段内包含的短时间闪变值计算获得：

（A2）

式中：n——长时间闪变值测量时间内所包含的短时间闪变值个数。
Pst和Plt由图A1框5输出。

附 录 B
（标准的附录）
高压（HV）总供电容量StHV的估算方法

当Si用户接于某单台变压器二次侧母线（PCC）上时，StHV即为主变压器的供电容量。对于某些用户（特别是220kV级用户），其PCC可能有多个供电源，StHV可以用下列方法估算：
第一种近似估算：在PCC最大需求日（或计及将来发展），所供给的HV用户总容量为ΣSiHV，就取为StHV。但当PCC附近有较大的波动负荷时，则按第二种近似估算。

图 B1 第二种近似估算StHV示意

第二种近似估算：如图B1所示。设1为所考虑的结点，2、3为其附近有较大波动负荷的结点。先按第一种估算法，求出StHV1、StHV2、StHV3。然后求出工频下传递系数K2-1、K3-1。“传递系数”Kj-i是结点j注入1p.u.电压时在i结点引起的电压。Kj-i计算一般需要计算机程序，但6.2条给出简化的算法，在许多情况下能很快求出近似的结果。由此得：

附 录 C
（提示的附录）
一些典型的实例分析

C1 轧钢机负荷
已知某轧钢机投产后，在供电的PCC上产生周期性电压波动，其波形如图C1所示，该供电点（中压）总的允许短期闪变值GPst＝0.72，供电总容量30MVA，轧钢厂的协议供电容图 C1 轧机电压变动示例量为3MVA，用电同时系数为0.3，试分析轧钢机接网对闪变的影响。

图C1 轧机电压变动示例

分析：由图C1，在运行周期20s中有2次电压变动，则电压变动频度r＝2/20（s-1）＝6（min-1），由表3和式（7）可知，不满足第一级限值规定。由式（2）求出该用户闪变限值，由图4对于0.5s斜坡电压变动，查得F＝0.3，由式（12）得tf＝2.3×（0.3×2）3＝0.5（s）。
10min内，对于变动10×6＝60次，代入式（13），得：

结论：该轧钢机引起的闪变符合第二级规定。

C2 多台绞车负荷

已知三台5MW矿井绞车，供电的PCC为35kV、SSC＝400MVA，分配给绞车的闪变限值EPst＝0.5；单台绞车典型的无功功率变动周期如图C2所示。三台绞车大体上同时运行，但不完全重叠，试分析闪变的影响。

图 C2 单台绞车运行典型的无功波动周期

分析：从图C2可以看出，一开始和中间两段为斜坡电压变动，由于T>1s，从图4可知， 波形系数很小，如将其折算为等值阶跃电压变动，其值也很小，可以忽略。在单台绞车开车后6s处有ΔQ＝4Mvar，根据式（9），相应d1＝1%；在45s停车时有ΔQ＝2.5Mvar，相应有d2＝0.63%；对d1和d2分别按60s周期（即r＝1次/min）考虑。查图2得d＝2.7%（对应Pst＝1），则由式（11）d1产生Pst1＝1/2.7＝0.37，由d2产生。根据式（4），取m＝3，单台绞车闪变为Pst＝30.373＋0.233＝040，三台绞车合成闪变。
结论：需要作第三级评定。
本例也可以用闪变时间分析：由式（12）求出tf1＝2.3×13＝2.3（s），tf2＝2.3×0.633＝0.575（s）；三台绞车10min内Σtf＝Σtf1＋Σtf2＝3×（2.3×10＋0.575×10）＝86.25（s），代入式（13），。其结论基本上和直接用Pst分析一致。

C3 电弧炉负荷

交流电弧炉在运行过程中，特别是在熔化期，随机且大幅度波动的无功功率会引起供电母线电压的严重波动，并构成闪变干扰。图C3为最简化的电弧炉等值电路单线图。图中U0为供电电压；X0为电弧炉供电回路的总阻抗（包括供电系统、电炉变压器和短网阻抗）；R为回路的总电阻，以可变的电弧电阻RA为主；P＋jQ为电路复功率。

图 C3 最简化的电弧炉等值电路的单线图

图 C4 电弧炉运行的功率圆图

不难证明，当R变化时，电弧炉运行的功率P、Q如图C4所示，按半圆轨迹移动，其直径为理想的最大短路（R＝0）容量。图中A为熔化期的额定运行点，φN为相应的回路阻抗角，cosφN＝0.7～0.85；B点为电极三相短路运行点，此时RA＝0，φd为短路回路阻抗角，cosφd＝0.1～0.2。
预测计算时可以取最大无功变动量：
C1）
则有
由于，则
（C2）
实际上电弧炉在熔化期电极和炉料（或熔化后钢水）接触可以有开路（R＝∞，对应与O点）和短路（RA＝0，R≈0，对应于D点）两种极端状态。当相继出现这两种状态时则得到：
（C3）
由式（C1）～式（C3）代入式（9）即得到相应的d。其中由式（C1）、式（C2）得到的称为“最大无功功率变动量”，电弧炉引起PCC电压变动，一般可以用此值作为预测值，对照表1中限值 （标有“*”）；由式（C3）得到的称为“短路压降”d，此值为理论上最大的dmax。
交流电弧炉引起的闪变大小主要和d（或dmax）有关，但也和冶炼的工艺、炉料的状况有关，可以粗略地用下式预测：
（C4）
或
（C5）

直流电弧炉是将三相交流整流为直流，采用单电极冶炼。直流电弧电流比交流要稳定，因此对电网的干扰要明显小于交流电弧炉，其产生的电压波动和闪变约为同容量交流炉的一半。

附 录 D
（提示的附录）
参 考 资 料

［1］ IEC 61000-3-3：1994 Electromagnetic compatibility （EMC）—Part 3:Limits—Section 3:Limitation of voltage fluctuations and flicker in low-voltage supply systems for equipment with rated current≤16 A
［2］ IEC 61000-3-5：1994 Electromagnetic compatibility （EMC）—Part 3:Limits—Section 5:Limitation of voltage fluctuations and flicker in low-Voltage power supply systems for equipment with rated current greater than 16A
［3］ IEC 61000-3-7：1996 Electromagnetic compatibility （EMC）—Part 3:Limits—Section 7:Assessment of emission limits for fluctuating loads in MV and HV power systems—Basic EMC publication
［4］ IEC 61000-4-15：1997 Electromagnetic compatibility （EMC）—Part 4:Testing and measurement techniques—Section 15:Flickermeter—Functional and design specifications