电能质量与供电系统设计

摘要：国家标准将负荷按重要程度分为3级，IEc标准将负荷分为2类(应急负荷和正常工作负荷)和电源
分为3类(主电源、应急电源、后备电源)，本文对此进行对比分析，认为IEc标准的定义和措施都很明确，适应新形势下的要求，建议仿效。
关键词：主电源(工作电源)应急电源后备电源
1老问题需要再认识
供电系统设计是个老问题，长期以来，一直是先寻找电源，根据负荷的重要等级，有可能要求几个电源，在解决电源的有或无的同时，再关注电源的质量。随着电子设备的普及，对电能质量的要求，愈来愈高，不仅是停电，就是供电的短时中断或电压暂降，也可能会带来严重的后果。为了明确问题的性质和问题讨论的范围，先介绍几个重要术语的定义，简述产生这些现象的根源和现行的有关国家标准GB，然后再作深入分析。
1．1定义[11>
①电压暂降一一电气系统某一点的电压突然下降，经历几周到数秒的短暂持续期后，又恢复正常。
很明显，标准[l>没有规定电压下降到什么程度。它的英文名IEC为Voltage dip，美国IEEE标准[2>为Voltagesag，含义相同，但规定持续时间为工频半周到几秒。
②(供电电压的)短时中断
供电电压消失一段时间，其中断时间在规定的时限内。
注：供电电压降低到低于额电电压的l％，且其(降低的)持续时间的下限为十分之几秒，上限为lmin(有些情况下可达3min)时，可以认为是短时中断。
美国IEEE标准规定*失压或降到低于10％，中断持续时间从半周到3s为瞬时(momentary)中断，3s到lmin为短暂(temporary)中断[3>，*失压lmin以上为持续性(sustained)中断[2>。
从实用观点出发，用电设备允许的电源中断时间的长短决定选用什么样的补救措施：UPS(不停电电源)、EPS应急电源系统、后备电源系统(第二电源等)或它们的某种组合。
1．2中断或暂降的原因
由上节可知，电压暂降和短时中断是一类现象中的两小类，即电压降至很低或*消失但很快又能恢复，电压异常持续时间很短的叫电压暂降，略长一点的叫短时中断。产生的原因多数是系统发生短路后断路器断开或重合闸。
至于停电，由于正常电源故障，一时难以修复，则断电时间更长，为了维持生产，可能需要后备电源，这是性质不同的另一类问题了。
1．3有关的现行GB
涉及上述问题的国标主要是《GB50052-95供配电系统设计规范》[4>(在本文中简称为GB[4>)。该GB[4>虽然未明确适用范围，但*，它是从《工业与民用供电系统设计规范GBJ52-83》修订而成，因此，它应该与IEC的有关标准相对应，即都不涉及电力公司直接管制的电力系统。客观现实也如此，主要由非电力行业所自行编制的电气标准大都参照IEC标准，下面先介绍该GB的主要规定，再与IEC标准进行比较。
2现行GB[41的主要规定
《GB50052-95供配电系统设计规范》[4>的主要规定如下：
2．1负荷分为三曩：
一级负荷中断供电将有下列后果之一时：
1)造成人身伤亡时；
2)在政治、经济上造成重大损失时；例如……(略)
3)对有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作有影响；例如……(略)
4)发生中毒、爆炸和火灾等情况，则为一级负荷中特别重要的负荷。
二级负荷中断供电将有下列后果之一时：
1)在政治上、经济上有较大损失；例如……(略)。
2)对重要用电单位的正常工作有影响；例如……(略)。
三级负荷不属于上述一级、二级负荷者。
2．2各级负荷对电曩的要求：
2．2．1一级负荷
1)不会同时损坏的两个电源；
2)特别重要的一级负荷，尚应增设应急电源。应急电源选择，按允许中断供电时间分：
1)>15s时—快速自启动的发电机组；
2) 
独立电源；
3)毫秒级一UPS或UPS与其它(如发电机)装置的组合。
2．2．2二级负荷宜由二回线供电，一回也可以。
2．2．3三级负荷无规定，有电就行。
2．3电麓质量
该GB[4>在第4章中关于电能质量谈到了电压波动和电压闪变(4．0．10条)，没有定量规定指标，却有限制骚扰的措施。
3 IEC标准的规定
IEC标准关于电源系统的规定如下：
这见之于《IEC 60364-3建筑物电气装置一般特性的评估》[5>，它提出了对电源系统的要求。
3．1关于电曩系统类嗣的规定1．电源有三类：主电源、应急电源、后备电源。
对这三类都应明确其频率、电压、受电点予期短路电流，包括适应用户装置要求如zui大需量。
2．在有关防火以及其它需要紧急撤离情况的权力机构的规定下，和戚装置的当事人要求设置后备电源的条件下，对应急电源和／或后备电源应当分别加班乎估，都应有适当的容量，可靠性和定额以及适应运行需要的倒换操作时间。
3．2对应急电薄的要求
3．2．1性能要求
对应急电源及其性能的要求，常由法定权力当局所规定，必须遵守其要求。
认可下列电源作为应急电源：蓄电池、一次电池、与正常电源无关系的发电机组、有效独立于正常馈电线的单独馈电线。
3．2．2应急电源分类
非自动一由人员切换操作
自动～不依靠人员启动
自动应急电源按切换时间又分为5类如下表：
自动应急电源分类
3．2．3关于对应急电源的进一步要求还要参看标准《IEC364-5-556建筑物电气装置第5部分：电气设备的选择和安装第55章其它设备第556节应急供电》[9>，其中556．5条为应急供电系统。
3．3对于后备电源除了和主电源有相同的要求外，IEC标准并无特殊要求。主电源即工作电源，由公用电网电源来。
4对各类电源系统分类的进一步分析
如上所述，有三大类：主电源、应急电源和后备电源。为了更明确，IEC600~6,在1999年对建筑物电气装置中的部分术语的定义作了新的规定和补充，现录下有关的4条：
1)<826--01-05应急供电系统用来维持下列至关重要设备和装置运行的供电系统：
一为了人员的健康和安全，和威
一为了避免对环境和其它设备的重大损坏，如果有规范要求时。
注：供电系统包括电源和直到设备端头的电路，在一定条件下，也可包括设备。
按本条原文，直译名可为安全服务的供电系统，现从众译名为应急供电系统和IECl990年版的原条文相比，增加了避免对环境和其它设备的重大损害一款，并取消了并列的美国“应急电力系统”的另一名称。
2)《826-01-07应急电源用来维持对应急设备供电的电源》原文直译可为“安全电源”，日本就译为安全电源，“应急设备”直译则为“安全服务设备”，现均从众。
3)《826-01-06后备供电系统在正常电源中断
时，用来维持装置或某一部分的功能的供电系统，其理由不是为了安全性的缘故》和1990年版的原文相比，现条文的“安全性”也包含了环境和其它设备，而1990年版原文为“其理由不是为了人员安全性的缘故”。
4)《826-01-08后备电源(略)》简述就是后备供电系统用的电源。从上面所述可知，客观事实也如此，现实工程中并没有真正意义上的*不中断的公用供电系统或电源。在建筑物电气装置有关的正C标准中，只出现了正常电源、应急电源和后备电源及相应的供电系统。
5关于UPS产品及其应用
5．1 UPS产品
现已成为产品名称的缩写，并已写入了产品标准中即《GB／T7260(IEC62043)不间断电源设备(UPs)>[6>，其基本功能是确保交流电源的连续供电，
可用于改善电源的质量使其保持在预定的特性范围之内，其大多数用途都与信息技术设备(ITE)相关。
既然有了产品标准，所称的连续供电，也就有确定的性能规定指标，根据UPS产品标准[6>，按动态输出性能将UPS分成3类，一类性能，输出中没有电压为0的瞬间，电压羞为±30％的时间只有5ms，经
lOOms后减小到±10％；二类性能居中，有lms电压为O，经10ms差值到±10％，三类性能zui低，输出电压为O的瞬间zui长可达10ms，经过lOOms后偏差缩小为一20％和+10％成为稳态值。
这第三类UPS因而仅适用于例如开关式电源的负载(整流后有大电容平波再斩波)。因此，只有具有产品国家标准的性能的设备才能叫真正的UPS设备。关于标准，美国的情况也许有点特殊，是UPS生产大国之一。笔者经过多种渠道，却找不到UPS的美国国家标准或IEEEF_,~准，也许可能有行业或企业标准。不怀疑美国产品可能对信息技术设备的适用性，但没有国家标准对技术交流确有不便之处，特别是将UPS应用于信息技术设备之外的场合。总之UPS也是应急电源设备中的一种，是转换过程中动态输出指标很好的一类。UPS(包括EPS)在建筑物电气装置中(低压配电系统)的应用，若深入加以研究，有许多问题要研究，例如它的电磁兼容性(EMC)，系统接地．合理选型等等。今后将根据国内应用实况针对上述重点问题展开讨论，作为基础资料，可以参看梅兰日兰电子(中国公司)印发的《UPS和电源保护解决方案一一设计指南(2003版)》[7>，厚厚的一本资料适用于工程设计人员参考，美中不足的是一些专业术语没有和GB[6>的中文术语取得一致，希望再版时能改正过来。
5．2信息技术设备(ITE)等对电源的要求：
信息技术设备(ITE)以及过程控制自动化仪表系统中的电子设备对交流电源的要求是很严格的，即使只是电压暂降和短时中断也可能破坏它们的正常工作，按理，IEC在电磁兼容系列标准中应该规定电压哲降和短时中断的兼容水平值，但是在已经出版的mc标准[>01中，只是对工作在第l类电磁环境即涉及到使用了那些对电源的骚扰很敏感的设备例如试验室的电气仪表，某些自动化和保护设备，某些计算机等，在这种场合下，规定“要考虑用UPS来保护而不希望有电压暂降”。在另一本IEC技术报告[ll>中，还只是讨论这个问题。之所以不能规定出电压暂降和短时中断的兼容水平值的原因是目前还未获得足够的数据来完成这个工作。
美国虽然再次公布了经修改后的*的《新ITIC(CBEMA)曲线(1996)》但同时指出该曲线确是需要的，但不完满，尚有许多工作要做。
IEC在上述[>01和[ll>文件中也提到了这个曲线图，可是认为只能作参考用。从本文中的第5．1节中的介绍中可知，UPS设备按mC标准(GB也一样)，它的动态输出曲线的性能中有真正意义上的“不停电”的一类，远远高出美国曲线描述的要求。因此，如何根据具体工程的实际需要来区分选择不同动态输出特性的UPS，是需要认真研究的。
6关于EPS
现在，在我国它已作为一种电源设备的简称，即应急电源EPS而为大家所接受，既然已广为流传，也就先认下再说，但是，如果要和GB标准融合在一起，其中就有一些问题，不光是名词称呼上，在技术内容和指标上也有模糊不清之处：
6．1 EPS没有产品标准GB
由于没有产品标准，现根据一些厂家产品的技术参数来作分析比较，其zui关键的一点，EPS的切换时间为0．1-0．25秒，主要用途为火灾时消防用或其它场合的应急电源，而UPS中断供电时间zui长的一类也只有0．01秒，主要用途为供信息技术设备等应用，因此按自动应急电源的正C标准的分类，UPS自然也是应急电源中的一种，但它是和EPS的指标*不同的一种，文[8>在其概述中提到“……EPS作为自备不间断电源”，这种提法是有问题的，因“EPS”并不是“不问断电源”。按定义，自动起动的发电机组也是应急电源，但静止型的EPS和UPS在线路结构上确有相似处，只是在论及关键技术指标(中断供电时间或切换时间)时，二者为差别极大的两类设备。
6．2 EPS的中文名称“应急电薄”有多义
全国建筑物电气装置标准化技术委员会在许多国家标准中将“安全电源Safety Electric Source”意译为“应急电源”，同时又有产品命名为“应急电源”，有容易混淆之误，宜妥善解决。为EPSjE名和建立产品标准，是为了更好地发展它和应用它。
7如何处理供电电源与负荷性质的关系
供电电源的性能指标要尽可能满足负荷的要求，这是毫无疑义的，无论是国家标准[4J或是IEC的系列标准[5>也都是这么做的，若将二者加以比较，则有下列特点。
7．1IEC标准的办法：
IEC标准将电源按其功能分为三大类即主电源
(正常电源)、应急电源和后备电源，且都有明确的定义。对主电源的技术性能有一般的要求如频率、电压、系统容量等，对后备电源有相同的一般要求，但正c标准对后备电源不提出特别要求，而对自动应急电源按切换时间分成5类，对应急电源和应急供电的要求都作了严格而详细的规定[5>[9>。
可以看出，IEC标准的原则是：规定了什么场合应设置应急电源及对应急电源的要求：如果涉及人身安全、健康、对环境和设备的重大损坏，一般都有国家权力机构的法定要求，当然，当设备的重大损坏只是经济上的损失时，业主不论公私，都可提出要求，而对维持继续生产或工作的后备电源则不作特别规定，因为设置后备电源，主要是经济上的得失平衡问题，虽然能够继续生产或工作，但设置后备电源要增加投资，是否合算，应由业主自己来规定，不是标准能加以规定的。
7．2 GB[4>的办法：
《GB 50052-95供配电系统设计规范》[4>的办法不同，如本文前第2节所简介，它有许多疑点如下：
7．2．1 GB先将负荷按重要性分成三级，但对一级与二级如何具体划分只有原则上的说明并没有把握的尺度，例如该如何区分经济上的“重大”损失和“较大”损失，这个“重大”和“较大”就能够决定应该是一个还是两个独立电源吗?如果指政治上的损失，具体是什么含义?又如，该如何区分“有重大政治经济意义的用电单位”或“重要用电单位”?如何评估“影响”的程度?如果“标准”本身不具体，那该由谁来解释呢?在标准的条文解释中，虽然有说明“具体划分须由*各部委分别在部委标准中规定”，现实是*各部委并不能代表所有各种企业作出决定。
7．2．2特别重要的负荷
这类负荷似相当于mc标准中所定义的应急设备负荷，按GB[4>规定，这类负荷一定是从一级负荷中划分出来的，这就要求该单位有二个独立电源加上一个应急电源共三个电源。问题是，如果根据防火规范设置有消防设施的建筑，它就有了应急负荷(特别重要负荷)，如果为一般宾馆时，难道就应有三个电源吗?此外，一级负荷需要的第二独立电源，其意图到底是什么?是作为应急电源还是后备电源?一般来说，不管负荷等级如何，如有应急设备，则应设置应急电源，至于是否需要后备电源，则应另作评估，而且后备电源也可以不是独立电源，这些问题标准确实不必涉及，因此GB将应急负荷和一级负荷捆绑在一起．就带来了许多矛盾，如果应急电源的性能同时满足业主对后备电源的要求，则可以合二而一，但不能妨碍强制性标准对应急电源、应急供电系统的各种规定的*和实施。
7．3怎么办?
应该仿照IEC标准的办法来处理，理由是：
1．从上面的分析可知，IEC标准的办法既符合市场经济的常规，在技术上其定义和技术措施也都较明确和便于操作。
2．便于进行经济上的和技术上的交往。
8供配电系统设计规范[4>对于电能质量应单独作出规定：
8．1工厂电网有不同于公用电同的特点
关于电能质量的国家标准，我国目前有两大套，*套是由全国电压电流等级和频率标准化技术委员会归口、由电力部门有关单位为主负责起草的共7项标准(如GB／T>4549-93电能质量公用电网谐波等)，这一套不论标准的名称或适应范围是否明确，应理解为公用电网，即由国家电力公司管制的电网，第二套是由mc标准转化而来，没有标明电能质量而
是包含在电磁兼容标准中的，如《=GB／T18039．4-2003工厂低频传导骚扰的兼容水平》就是其中一项，它也有关于公用网(Public System)的电磁兼容标准，因此很明确的一点是工厂网的标准可以不同于也应该有所不同于公用网的内容，原因有：1．工厂网内的用电设备的骚扰发射水平和抗扰水平是各种各样的，因此，IEC按兼容水平可将电气环境粗分为三类，*类要求严格，例如试验室的电气仪器，某些自动化和保护设备，某些计算机等，第三类宽松，只适用于工业设备，如有众多的变流器、电焊机等；第二类居中，其标准等同于公用网的要求。2．I厂用电设备的业主属于一家，他有权决定对企业内的兼容水平作适当调整，也有权对各用电设备骚扰发射量作出分配。
8．2对电网的某些指标可有不同值
在mc标准中，电能质量涉及到下列参数：
1．电源频率2．供电电压有效值3．闪变4．供电电压暂降和暂升5．电压中断6．瞬变电压7．供电电压不平衡8．电压谐波9．电压间谐波10．供电电压上的主电线信号电压(指载波信号)。至少对下列参数应作出不同的规定：
8．2．1谐波及其抑制像无功补偿一样，应有单独的一章或与无功补偿并在同一章中，因为二者有密切的关系，现在已有许多企业和商业办公楼倍受谐波的骚扰，既然谐波治理技术尚未普及，那就更应在GB中规定作为指南，这在冶金和化工行业中已有许多的成功应用实践和经验，GB和mc标准[10J也有不少具体规定，都可以作为参考或依据。*，谐波国家标准[12>只涉及公用电网，它对工厂网的谐波电压未作规定。
8．2．2电压短时中断和暂停等
这类骚扰对数据处理装置和过程自动化仪表装置的正常工作都有很大的干扰，这也关系到合适的应急电源的选用以及UPS设备动态输出特性的选定。可能还有一些参数对公用网和工厂网有不同的规定，建议对8．1节中所述二类GB进行仔细的对比分析和研究。
9观念上的更新
新国标的编制，面临着下面三方面形势的发展：
1．交往的增多，应该更多的研究IEC的标准。
2．经济所有制形式中的私有经济(工厂电网)分量增加，规范编制者以及工程设计者应为业主(不论公私)着想。由于投资大，业主对后备电源应有决定权。
3．电子包括电力电子设备增多，骚扰发射量增加，抗扰性能降低，电能质量问题应得到足够重视。
面对上面的形势发展，无论供电系统的国标或工程设计，都应有新的考虑。