電能質(zhì)量與供電系統(tǒng)設計

電能質(zhì)量與供電系統(tǒng)設計摘要：國家標準將負荷按重要程度分為3級，IEc標準將負荷分為2類(應急負荷和正常工作負荷)和電源分為3類(主電源、應急電源、后備電源)，本文對此進行對比分析，認為IEc標準的定義和措施都很明確，適應新形勢下的要求，建議仿效。關鍵詞：主電源(工作電源)應急電源后備電源1老問題需要再認識供電系統(tǒng)設計是個老問題，長期以來，一直是先尋找電源，根據(jù)負荷的重要等級，有可能要求幾個電源，在解決電源的有或無的同時，再關注電源的質(zhì)量。隨著電子設備的普及，對電能質(zhì)量的要求，愈來愈高，不僅是停電，就是供電的短時中斷或電壓暫降，也可能會帶來嚴重的后果。為了明確問題的性質(zhì)和問題討論的范圍，先介紹幾個重要術語的定義，簡述產(chǎn)生這些現(xiàn)象的根源和現(xiàn)行的有關國家標準GB，然后再作深入分析。1．1定義[11]①電壓暫降一一電氣系統(tǒng)某一點的電壓突然下降，經(jīng)歷幾周到數(shù)秒的短暫持續(xù)期后，又恢復正常。很明顯，標準[l]沒有規(guī)定電壓下降到什么程度。它的英文名IEC為Voltagedip，美國IEEE標準[2]為Voltagesag，含義相同，但規(guī)定持續(xù)時間為工頻半周到幾秒。②(供電電壓的)短時中斷供電電壓消失一段時間，其中斷時間在規(guī)定的時限內(nèi)。注：供電電壓降低到低于額電電壓的l％，且其(降低的)持續(xù)時間的下限為十分之幾秒，上限為lmin(有些情況下可達3min)時，可以認為是短時中斷。美國IEEE標準規(guī)定完全失壓或降到低于10％，中斷持續(xù)時間從半周到3s為瞬時(momentary)中斷，3s到lmin為短暫(temporary)中斷[3]，完全失壓lmin以上為持續(xù)性(sustained)中斷[2]。從實用觀點出發(fā)，用電設備允許的電源中斷時間的長短決定選用什么樣的補救措施：UPS(不停電電源)、EPS應急電源系統(tǒng)、后備電源系統(tǒng)(第二電源等)或它們的某種組合。1．2中斷或暫降的原因由上節(jié)可知，電壓暫降和短時中斷是一類現(xiàn)象中的兩小類，即電壓降至很低或完全消失但很快又能恢復，電壓異常持續(xù)時間很短的叫電壓暫降，略長一點的叫短時中斷。產(chǎn)生的原因多數(shù)是系統(tǒng)發(fā)生短路后斷路器斷開或重合閘。至于停電，由于正常電源故障，一時難以修復，則斷電時間更長，為了維持生產(chǎn)，可能需要后備電源，這是性質(zhì)不同的另一類問題了。1．3有關的現(xiàn)行GB涉及上述問題的國標主要是《GB50052-95供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》[4](在本文中簡稱為GB[4])。該GB[4]雖然未明確適用范圍，但眾所周知，它是從《工業(yè)與民用供電系統(tǒng)設計規(guī)范GBJ52-83》修訂而成，因此，它應該與IEC的有關標準相對應，即都不涉及電力公司直接管制的電力系統(tǒng)。客觀現(xiàn)實也如此，主要由非電力行業(yè)所自行編制的電氣標準大都參照IEC標準，下面先介紹該GB的主要規(guī)定，再與IEC標準進行比較。2現(xiàn)行GB[41的主要規(guī)定《GB50052-95供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》[4]的主要規(guī)定如下：2．1負荷分為三曩：一級負荷中斷供電將有下列后果之一時：1)造成人身傷亡時；2)在政治、經(jīng)濟上造成重大損失時；例如……(略)3)對有重大政治、經(jīng)濟意義的用電單位的正常工作有影響；例如……(略)4)發(fā)生中毒、爆炸和火災等情況，則為一級負荷中特別重要的負荷。二級負荷中斷供電將有下列后果之一時：1)在政治上、經(jīng)濟上有較大損失；例如……(略)。2)對重要用電單位的正常工作有影響；例如……(略)。三級負荷不屬于上述一級、二級負荷者。2．2各級負荷對電曩的要求：2．2．1一級負荷1)不會同時損壞的兩個電源；2)特別重要的一級負荷，尚應增設應急電源。應急電源選擇，按允許中斷供電時間分：1)>15s時—快速自啟動的發(fā)電機組；2)<BZT(備自投)動作時間一專用饋電線的獨立電源；3)毫秒級一UPS或UPS與其它(如發(fā)電機)裝置的組合。2．2．2二級負荷宜由二回線供電，一回也可以。2．2．3三級負荷無規(guī)定，有電就行。2．3電麓質(zhì)量該GB[4]在第4章中關于電能質(zhì)量談到了電壓波動和電壓閃變(4．0．10條)，沒有定量規(guī)定指標，卻有限制騷擾的措施。3IEC標準的規(guī)定IEC標準關于電源系統(tǒng)的規(guī)定如下：這見之于《IEC60364-3建筑物電氣裝置一般特性的評估》[5]，它提出了對電源系統(tǒng)的要求。3．1關于電曩系統(tǒng)類嗣的規(guī)定1．電源有三類：主電源、應急電源、后備電源。對這三類都應明確其頻率、電壓、受電點予期短路電流，包括適應用戶裝置要求如最大需量。2．在有關防火以及其它需要緊急撤離情況的權力機構的規(guī)定下，和戚裝置的當事人要求設置后備電源的條件下，對應急電源和／或后備電源應當分別加班乎估，都應有適當?shù)娜萘?，可靠性和定額以及適應運行需要的倒換操作時間。3．2對應急電薄的要求3．2．1性能要求對應急電源及其性能的要求，常由法定權力當局所規(guī)定，必須遵守其要求。認可下列電源作為應急電源：蓄電池、一次電池、與正常電源無關系的發(fā)電機組、有效獨立于正常饋電線的單獨饋電線。3．2．2應急電源分類非自動一由人員切換操作自動～不依靠人員啟動自動應急電源按切換時間又分為5類如下表：自動應急電源分類3．2．3關于對應急電源的進一步要求還要參看標準《IEC364-5-556建筑物電氣裝置第5部分：電氣設備的選擇和安裝第55章其它設備第556節(jié)應急供電》[9]，其中556．5條為應急供電系統(tǒng)。3．3對于后備電源除了和主電源有相同的要求外，IEC標準并無特殊要求。主電源即工作電源，由公用電網(wǎng)電源來。4對各類電源系統(tǒng)分類的進一步分析如上所述，有三大類：主電源、應急電源和后備電源。為了更明確，IEC600~6,在1999年對建筑物電氣裝置中的部分術語的定義作了新的規(guī)定和補充，現(xiàn)錄下有關的4條：1)<826--01-05應急供電系統(tǒng)用來維持下列至關重要設備和裝置運行的供電系統(tǒng)：一為了人員的健康和安全，和威一為了避免對環(huán)境和其它設備的重大損壞，如果有規(guī)范要求時。注：供電系統(tǒng)包括電源和直到設備端頭的電路，在一定條件下，也可包括設備。按本條原文，直譯名可為安全服務的供電系統(tǒng)，現(xiàn)從眾譯名為應急供電系統(tǒng)和IECl990年版的原條文相比，增加了避免對環(huán)境和其它設備的重大損害一款，并取消了并列的美國“應急電力系統(tǒng)”的另一名稱。2)《826-01-07應急電源用來維持對應急設備供電的電源》原文直譯可為“安全電源”，日本就譯為安全電源，“應急設備”直譯則為“安全服務設備”，現(xiàn)均從眾。3)《826-01-06后備供電系統(tǒng)在正常電源中斷時，用來維持裝置或某一部分的功能的供電系統(tǒng)，其理由不是為了安全性的緣故》和1990年版的原文相比，現(xiàn)條文的“安全性”也包含了環(huán)境和其它設備，而1990年版原文為“其理由不是為了人員安全性的緣故”。4)《826-01-08后備電源(略)》簡述就是后備供電系統(tǒng)用的電源。從上面所述可知，客觀事實也如此，現(xiàn)實工程中并沒有真正意義上的完全不中斷的公用供電系統(tǒng)或電源。在建筑物電氣裝置有關的正C標準中，只出現(xiàn)了正常電源、應急電源和后備電源及相應的供電系統(tǒng)。5關于UPS產(chǎn)品及其應用5．1UPS產(chǎn)品現(xiàn)已成為產(chǎn)品名稱的縮寫，并已寫入了產(chǎn)品標準中即《GB／T7260(IEC62043)不間斷電源設備(UPs)>[6]，其基本功能是確保交流電源的連續(xù)供電，可用于改善電源的質(zhì)量使其保持在預定的特性范圍之內(nèi)，其大多數(shù)用途都與信息技術設備(ITE)相關。既然有了產(chǎn)品標準，所稱的連續(xù)供電，也就有確定的性能規(guī)定指標，根據(jù)UPS產(chǎn)品標準[6]，按動態(tài)輸出性能將UPS分成3類，一類性能最好，輸出中沒有電壓為0的瞬間，電壓羞為±30％的時間只有5ms，經(jīng)lOOms后減小到±10％；二類性能居中，有l(wèi)ms電壓為O，經(jīng)10ms差值到±10％，三類性能最低，輸出電壓為O的瞬間最長可達10ms，經(jīng)過lOOms后偏差縮小為一20％和+10％成為穩(wěn)態(tài)值。這第三類UPS因而僅適用于例如開關式電源的負載(整流后有大電容平波再斬波)。因此，只有具有產(chǎn)品國家標準的性能的設備才能叫真正的UPS設備。關于標準，美國的情況也許有點特殊，是UPS生產(chǎn)大國之一。筆者經(jīng)過多種渠道，卻找不到UPS的美國國家標準或IEEEF_,~準，也許可能有行業(yè)或企業(yè)標準。不懷疑美國產(chǎn)品可能對信息技術設備的適用性，但沒有國家標準對技術交流確有不便之處，特別是將UPS應用于信息技術設備之外的場合?？傊甎PS也是應急電源設備中的一種，是轉(zhuǎn)換過程中動態(tài)輸出指標很好的一類。UPS(包括EPS)在建筑物電氣裝置中(低壓配電系統(tǒng))的應用，若深入加以研究，有許多問題要研究，例如它的電磁兼容性(EMC)，系統(tǒng)接地．合理選型等等。今后將根據(jù)國內(nèi)應用實況針對上述重點問題展開討論，作為基礎資料，可以參看梅蘭日蘭電子(中國公司)印發(fā)的《UPS和電源保護解決方案一一設計指南(2003版)》[7]，厚厚的一本資料適用于工程設計人員參考，美中不足的是一些專業(yè)術語沒有和GB[6]的中文術語取得一致，希望再版時能改正過來。5．2信息技術設備(ITE)等對電源的要求：信息技術設備(ITE)以及過程控制自動化儀表系統(tǒng)中的電子設備對交流電源的要求是很嚴格的，即使只是電壓暫降和短時中斷也可能破壞它們的正常工作，按理，IEC在電磁兼容系列標準中應該規(guī)定電壓哲降和短時中斷的兼容水平值，但是在已經(jīng)出版的mc標準[]01中，只是對工作在第l類電磁環(huán)境即涉及到使用了那些對電源的騷擾很敏感的設備例如試驗室的電氣儀表，某些自動化和保護設備，某些計算機等，在這種場合下，規(guī)定“要考慮用UPS來保護而不希望有電壓暫降”。在另一本IEC技術報告[ll]中，還只是討論這個問題。之所以不能規(guī)定出電壓暫降和短時中斷的兼容水平值的原因是目前還未獲得足夠的數(shù)據(jù)來完成這個工作。美國雖然再次公布了經(jīng)修改后的眾所周知的《新ITIC(CBEMA)曲線(1996)》但同時指出該曲線確是需要的，但不完滿，尚有許多工作要做。IEC在上述[]01和[ll]文件中也提到了這個曲線圖，可是認為只能作參考用。從本文中的第5．1節(jié)中的介紹中可知，UPS設備按mC標準(GB也一樣)，它的動態(tài)輸出曲線的性能中有真正意義上的“不停電”的一類，遠遠高出美國曲線描述的要求。因此，如何根據(jù)具體工程的實際需要來區(qū)分選擇不同動態(tài)輸出特性的UPS，是需要認真研究的。6關于EPS現(xiàn)在，在我國它已作為一種電源設備的簡稱，即應急電源EPS而為大家所接受，既然已廣為流傳，也就先認下再說，但是，如果要和GB標準融合在一起，其中就有一些問題，不光是名詞稱呼上，在技術內(nèi)容和指標上也有模糊不清之處：6．1EPS沒有產(chǎn)品標準GB由于沒有產(chǎn)品標準，現(xiàn)根據(jù)一些廠家產(chǎn)品的技術參數(shù)來作分析比較，其最關鍵的一點，EPS的切換時間為0．1-0．25秒，主要用途為火災時消防用或其它場合的應急電源，而UPS中斷供電時間最長的一類也只有0．01秒，主要用途為供信息技術設備等應用，因此按自動應急電源的正C標準的分類，UPS自然也是應急電源中的一種，但它是和EPS的指標完全不同的一種，文[8]在其概述中提到“……EPS作為自備不間斷電源”，這種提法是有問題的，因“EPS”并不是“不問斷電源”。按定義，自動起動的發(fā)電機組也是應急電源，但靜止型的EPS和UPS在線路結構上確有相似處，只是在論及關鍵技術指標(中斷供電時間或切換時間)時，二者為差別極大的兩類設備。6．2EPS的中文名稱“應急電薄”有多義全國建筑物電氣裝置標準化技術委員會在許多國家標準中將“安全電源SafetyElectricSource”意譯為“應急電源”，同時又有產(chǎn)品命名為“應急電源”，有容易混淆之誤，宜妥善解決。為EPSjE名和建立產(chǎn)品標準，是為了更好地發(fā)展它和應用它。7如何處理供電電源與負荷性質(zhì)的關系供電電源的性能指標要盡可能滿足負荷的要求，這是毫無疑義的，無論是國家標準[4J或是IEC的系列標準[5]也都是這么做的，若將二者加以比較，則有下列特點。7．1IEC標準的辦法：IEC標準將電源按其功能分為三大類即主電源(正常電源)、應急電源和后備電源，且都有明確的定義。對主電源的技術性能有一般的要求如頻率、電壓、系統(tǒng)容量等，對后備電源有相同的一般要求，但正c標準對后備電源不提出特別要求，而對自動應急電源按切換時間分成5類，對應急電源和應急供電的要求都作了嚴格而詳細的規(guī)定[5][9]。可以看出，IEC標準的原則是：規(guī)定了什么場合應設置應急電源及對應急電源的要求：如果涉及人身安全、健康、對環(huán)境和設備的重大損壞，一般都有國家權力機構的法定要求，當然，當設備的重大損壞只是經(jīng)濟上的損失時，業(yè)主不論公私，都可提出要求，而對維持繼續(xù)生產(chǎn)或工作的后備電源則不作特別規(guī)定，因為設置后備電源，主要是經(jīng)濟上的得失平衡問題，雖然能夠繼續(xù)生產(chǎn)或工作，但設置后備電源要增加投資，是否合算，應由業(yè)主自己來規(guī)定，不是標準能加以規(guī)定的。7．2GB[4]的辦法：《GB50052-95供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》[4]的辦法不同，如本文前第2節(jié)所簡介，它有許多疑點如下：7．2．1GB先將負荷按重要性分成三級，但對一級與二級如何具體劃分只有原則上的說明并沒有把握的尺度，例如該如何區(qū)分經(jīng)濟上的“重大”損失和“較大”損失，這個“重大”和“較大”就能夠決定應該是一個還是兩個獨立電源嗎?如果指政治上的損失，具體是什么含義?又如，該如何區(qū)分“有重大政治經(jīng)濟意義的用電單位”或“重要用電單位”?如何評估“影響”的程度?如果“標準”本身不具體，那該由誰來解釋呢?在標準的條文解釋中，雖然有說明“具體劃分須由中央各部委分別在部委標準中規(guī)定”，現(xiàn)實是中央各部委并不能代表所有各種企業(yè)作出決定。7．2．2特別重要的負荷這類負荷似相當于mc標準中所定義的應急設備負荷，按GB[4]規(guī)定，這類負荷一定是從一級負荷中劃分出來的，這就要求該單位有二個獨立電源加上一個應急電源共三個電源。問題是，如果根據(jù)防火規(guī)范設置有消防設施的建筑，它就有了應急負荷(特別重要負荷)，如果為一般賓館時，難道就應有三個電源嗎?此外，一級負荷需要的第二獨立電源，其意圖到底是什么?是作為應急電源還是后備電源?一般來說，不管負荷等級如何，如有應急設備，則應設置應急電源，至于是否需要后備電源，則應另作投資回報評估，而且后備電源也可以不是獨立電源，這些問題標準確實不必涉及，因此GB將應急負荷和一級負荷捆綁在一起．就帶來了許多矛盾，如果應急電源的性能同時滿足業(yè)主對后備電源的要求，則可以合二而一，但不能妨礙強制性標準對應急電源、應急供電系統(tǒng)的各種規(guī)定的完全滿足和實施。7．3怎么辦?應該仿照IEC標準的辦法來處理，理由是：1．從上面的分析可知，IEC標準的辦法既符合市場經(jīng)濟的常規(guī)，在技術上其定義和技術措施也都較明確和便于操作。2．便于進行經(jīng)濟上的和技術上的國際交往。8供配電系統(tǒng)設計規(guī)范[4]對于電能質(zhì)量應單獨作出規(guī)定：8．1工廠電網(wǎng)有不同于公用電同的特點關于電能質(zhì)量的國家標準，我國目前有兩大套，第一套是由全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會歸口、由電力部門有關單位為主負責起草的共7項標準(如GB／T]4549-93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波等)，這一套不論標準的名稱或適應范圍是否明確，應理解為公用電網(wǎng)，即由國家電力公司管制的電網(wǎng)，第二套是由mc標準轉(zhuǎn)化而來，沒有標明電能質(zhì)量而是包含在電磁兼容標準中的，如《=GB／T18039．4-2003工廠低頻傳導騷擾的兼容水平》就是其中一項，它也有關于公用網(wǎng)(PublicSystem)的電磁兼容標準，因此很明確的一點是工廠網(wǎng)的標準可以不同于也應該有所不同于公用網(wǎng)的內(nèi)容，原因有：1．工廠網(wǎng)內(nèi)的用電設備的騷擾發(fā)射水平和抗擾水平是各種各樣的，因此，IEC按兼容水平可將電氣環(huán)境粗分為三類，第一類要求嚴格，例如試驗室的電氣儀器，某些自動化和保護設備，某些計算機等，第三類寬松，只適用于工業(yè)設備，如有眾多的變流器、電焊機等；第二類居中，其標準等同于公用網(wǎng)的要求。2．I廠用電設備的業(yè)主屬于一家，他有權決定對企業(yè)內(nèi)的兼容水平作適當調(diào)整，也有權對各用電設備騷擾發(fā)射量作出分配。8．2對電網(wǎng)的某些指標可有不同值在mc標準中，電能質(zhì)量涉及到下列參數(shù)：1．電源頻率2．供電電壓有效值3．閃變4．供電電壓暫降和暫升5．電壓中斷6．瞬變電壓7．供電電壓不平衡8．電壓諧波9．電壓間諧波10．供電電壓上的主電線信號電壓(指載波信號)。至少對下列參數(shù)應作出不同的規(guī)定：8．2．1諧波及其抑制像無功補償一樣，應有單獨的一章或與無功補償并在同一章中，因為二者有密切的關系，現(xiàn)在已有許多企業(yè)和商業(yè)辦公樓倍受諧波的騷擾，既然諧波治理技術尚未普及，那就更應在GB中規(guī)定作為指南，這在冶金和化工行業(yè)中已有許多的成功應用實踐和經(jīng)驗，GB和mc標準[10J也有不少具體規(guī)定，都可以作為參考或依據(jù)。眾所周知，諧波國家標準[12]只涉及公用電網(wǎng)，它對工廠網(wǎng)的諧波電壓未作規(guī)定。8．2．2電壓短時中斷和暫停等這類騷擾對數(shù)據(jù)處理裝置和過程自動化儀表裝置的正常工作都有很大的干擾，這也關系到合適的應急電源的選用以及UPS設備動態(tài)輸出特性的選定。可能還