（电气工程专业论文）医疗设备的电能质量敏感度问题研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h en a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s ，a l lk i n d so fc o m p l e xa n ds o p h i s t i c a t e d ，u l t r a - s e n s i t i v et op o w e rq u a l i t yo ft h el o a de q u i p m e n t ( s u c ha st h el a r g en u m b e ro fm e d i c a le q u i p m e n t s ) w i d e l yu s e di nm e d i c a le s t a b l i s h m e n t s ，p l a yad e c i s i v er o l e si nd i a g n o s i n ga n dt r e a t i n gt h ep a t i e n t s a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，a tp r e s e n t ，t h em e d i c a le q u i p m e n t so fa t h r e eg r a d ej i a d e n gh o s p i t a lw o r t ha sm u c ha s4 0 0m i l l i o ny u a n ，a n ds o m eh a v e e v e nr e a c h e dm o r et h a n10b i l l i o ny u a n t h e ya r et h eh o s p i t a lm a t e r i a lb a s i sf o rl i f e s a v i n ga n di m p o r t a n ts a f e g u a r d s t h i sr e q u i r e st h a tm e d i c a le q u i p m e n t sa r es a f ea n dr e l i a b l e ，c o n t i n u o u so p e r a t i o n ，h i g ha c c u r a c ya n dr e p e a t a b i l i t y , a n t i i n t e r f e r e n c e ，n o n - p o l l u t i n g , c o n t i n u o u sd a t at r a n s m i s s i o n ，d a t as t o r a g ea n do t h e rf e a t a r e s m e d i c a le q u i p m e n t ss t a b l eo p e r a t i o n s r e l yo nt h en a t i o n a le l e c t r i c i t y 鲥ds y s t e mc o n t i n u e dd e l i v e r yh i g h q u a l i t yp o w e r b u ti na c t u a lo p e r a t i o n ，t h en e t w o r k v a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e s ，s c rc o m m u t a t o re q u i p m e n t s ，c o m p u t e r sa n do t h e rn o n - l i n e a rl o a d sc a u s dp o l l u t i o no fp o w e r g r i d ，p o w e rq u a l i t yd e c l i n e ，r e s u l t i n gi nt h eo p e r a t i o no fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t sa r eo f t e nr u n n i n gm i s t a k e ，as e r i o u st h r e a t o fd a t al o s s ，h a r d w a r ed a m a g e i np a r t i c u l a r , m a k et h es e n s i t i v em e d i c a le q u i p m e n t st op o w e rq u a l i t yf o rs a f eo p e r a t i o ni sm o r ea n dm o r es i g n i f i c a n t l ya n dh a sa s e r i o u si m p a c to nc l i n i c a ld i a g n o s i sa n dt r e a t m e n tw o r k s on o to n l yh a v ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m si nt h ep o w e rs y s t e mv o l t a g ea n df r e q u e n c yo ft h eb a s i ct e c h n i c a li s s u e s ，r e l a t i o n sh a v eb e e np r o m o t e dt ot h ee n t i r ep o w e rs y s t e ma n dt h eu s e l e q u i p m e n t st ot h es e c u r i t y , s t a b i l i t y ，e c o n o m i c ，r e l i a b l eo p e r a t i o n ，r e l a t e dt o e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gt op r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t ，r e l a t i o n st ot h en a t i o n a le c o n o m y a st h em a j o ri s s u e so fw h o l en a t i o nh e a l t h yd e v e l o p m e n t t h e r e f o r ep o w e rq u a l i t yi s s u e sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，c a u s e d t h ep o w e rs u p p l yd e p a r t m e n t sa n dt h ev a s tn u m b e ro fu s e r si n c l u d i n gm e d i c a lu n i t su n i v e r s a la t t e n t i o n t h i st h e s i sw i t ht h ea c t u a le x a m p l e sa n a l y s e st h ei m p a c to fp o w e rq u a l i t yt o t h em e d i c a le q u i p m e n t so nt h en o r m a lw o r k ，i np a r t i c u l a rf o c u so nt h ev o l t a g e d e v i a t i o n ，h a r m o n i c s ，f r e q u e n c yc h a n g eo f t h ep o w e rq u a l i t yo nm e d i c a le q u i p m e n t sa n dp u tf o r w a r d st h es o l u t i o nm e a s u r e so ft h ep o w e rs u p p l yi nh o s p i t a l k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；m e d i c a le q u i p m e n t s ；i n f l u e n c e ；i m p r o v e m e n tm e a s u r e s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字r 期：年月e t签字日期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师张小青教授，郑徐葆高级工程师的悉心指导下完 成的，张小青教授，郑徐葆高级工程师的严谨治学态度和科学工作方法给了我极 大的帮助和潜移默化的影响，不仅使我顺利地完成本论文的研究工作，更使我在 科研品德、专业学识和研究能力诸方面终身受益。谨借此机会，向我的两位导师 致以衷心的感谢。 李德华教授和汪士治教授级高级工程师对于我的科研工作和论文都提出了许 多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在我工作及撰写论文期间，田芳、魏华等同学对我论文中的研究工作给予了 热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外，也感谢家人们，他们的理解和支持使我能够专心完成我的学业。 i引言 由于供电电源的电能质量下降而影响电气设备正常工作的问题，早在电力供 应的一开始就引起了供用电双方的关注。随着国民经济的发展和科学技术的进步， 一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备越来越多，特别是在 敏感地点( 如医疗场所) 使用的超敏感负荷设备( 如大型数字化医疗设备) ，由于 电能质量下降会引起入身安全问题或造成较大经济损失；而另一方面，许多新型 的电气设备在其运行过程中又会对供电系统产生各种电磁干扰，对供电电能质量 造成严重的干扰或污染，从而对供电用户设备的正常工作造成的危害与影响不断 增加，电能质量问题日益突出。电能质量问题已经不仅仅是电力系统中的电压和 频率等基本技术问题，已经被提升为关系到整个电力系统及设备的安全稳定、经 济可靠运行，关系到电气环境工程保护，关系到整个国民经济健康发展的重大问 题。 电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力 的主要标志之一。在满足工业生产、社会和人民生活对电能要求的同时，提高对 电能质量的要求是一个国家工业发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现， 是信息时代和信息社会发展的必然结果，是提高用电效率、节能降损、改善电气 环境、提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续性发展的技术保证。 现代电力系统中，负荷结构发生了重大变化，诸如半导体整流器、晶闸管调 压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展，由于 其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变，引起电 压波动和闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率波动等，对供电电能质量造成 严重的干扰或污染。当电能质量不良时，会造成巨大的经济损失或严重后果，如 造成集成电路芯片生产流水线、军事设施、医院中采用计算机进行控制的设备等 的突然损坏等。我院就因为供电电压暂降引起核磁共振系统四块射频线路板被烧 毁，直接经济损失高达8 0 万元。据文献介绍，半导体生产线、计算机集成制造系 统、造纸生产线上使用的、对电能质量十分敏感的、以微处理器芯片为核心的设 备，即使几个周期的供电中断或电压暂降都将影响这些设备正常工作。美国某计 算机中心2 s 的供电中断引起了约6 0 万美元的损失【2 1 。 随着现代医疗事业的发展，医疗设备在现代化医院中的地位和作用越来越重 要。根据统计资料显示，国内一所三级甲等医院医疗设备的价值已高达4 亿元， 有的甚至达到十几亿元。医疗设备的稳定运行要依靠国家电网系统输送持续稳定 的符合电能质量要求的电能。但在实际运行中，电力供电系统会受到干扰，输送 到医院的三相电压的幅值、频率及相位差有时不能保持恒定，波形不再是单一正 弦波。电压的波动使医疗设备的电源系统发生故障，轻则烧断保险丝，重则损坏 电源系统和整台设备；供电频率偏移会对一些精度较高而又需要市电频率同步或 做基准的设备产生很大影响；供电中断会使核磁、c t 的计算机数据丢失，或者系 统软件损坏，严重时会造成计算机主机、硬盘、光驱、磁带机损坏；更严重的是 直接影响c t 球管的寿命和控制电路、高压箱的安全以及m r i 的磁体线圈、梯度功 放、射频功放等部件的安全，甚至瞬间损坏这些部件；尖峰电压、浪涌电压、噪 声干扰、奇次谐波等干扰会造成医疗设备的电路板损坏，计算机控制出现紊乱， 高压系统不稳定而危及整机安全。电力供应系统因污染所导致的电能质量下降， 使医疗设备的安全运行指数显著降低，医疗设备的故障率明显增加，严重影响了 患者的临床医疗与医生的诊断。 电能质量不良对医疗用电设备影响的严重性在我国还没有形成共识，电能质 量问题的危害性更没有引起医院决策层以及医疗设备的制造和维修工程技术人员 的重视。现今，许多医院领导和参与设备采购论证的工程技术人员不惜重金购买 医疗设备，因为大型先进医疗设备体现了医院的综合实力和技术水平，是医院实 现经济效益和社会效益的物质保障。在购进医疗设备时，往往只重视待引进的设 备质量、性能、附件是否多，过分强调性价比，追求设备功能多而全，而对设备 安装的供电条件及设备投入运行后的电能质量问题引发的严重后果缺乏调查研 究，没有考虑待引进设备的供电要求，医院是否完全满足，供电质量问题如何预防 解决等，从而在使用时由于电能质量原因造成的医疗设备使用质量下降、使用状 态不良、寿命缩短等问题时有发生，据不完全统计，约占医疗设备发生故障原因 的4 0 左右。医疗设备故障频发，为数不多的医疗工程技术人员疲于维修设备， 多数情况还需要请生产厂家来更换损坏的电路板或部件，大量的人力、物力、财 力都消耗在这类故障的事后维修，而对引发故障的根本原因一电能质量问题却 没有给予足够的重视和研究，电能浪费和这类医疗设备故障所造成的经济损失制 2 约了医院的发展。鉴于上述情况和现实问题，本论文针对电能质量对医疗设备的 影响进行分析研究和探讨解决的措施是十分必要的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 电能质量的研究现状 早在2 0 世纪2 0 年代，国外就开始认识到电能质量的重要性，并着手从事相 关课题的研究。加拿大在1 9 9 8 1 9 9 9 年间，通过全国范围内的电能质量调查和测 量后，将电能质量问题分为1 0 6 个因素，用2 5 项指标来表示。在这1 0 6 个因素中， 3 7 个是有关暂态的，6 9 个与稳态相关的【1 9 】【2 0 1 。美国对电能质量问题进行了大量的 监测和研究工作，为了解和解决全国的电能质量问题，于1 9 9 3 年5 月1 9 9 5 年9 月间，组织全国2 4 个电力公司对配电系统共计2 7 7 个监测点进行长时间的电能质 量监视项目，有些电力公司甚至将电能质量监视扩展到一些用户端，以便了解电 能质量问题与用户之间的关系。 在国外8 0 年代末9 0 年代初，许多学者及组织认识到电压暂降问题的严重性 和重要性，已经开始从事这方面的研究， i e e e 等国际知名的刊物发表了大量关于 电压暂降研究方面的论文。这些论文研究的范围主要集中在：电压暂降的监测、 预测与统计分析；电压暂降的影响、危害及减小措施；电压暂降的特性及其在不 同电压等级电网中的传播；电压暂降的可靠性评估等【2 4 】。迄今，主要研究工作集 中在欧美等一些国家，并已取得丰富的研究结果。瑞典学者m a t hh j b o l l e n 是 最早研究电压暂降问题的专家之一，在多个领域进行了具有开创性的研究，并于 1 9 9 2 年出版了第一本关于电压暂降的专著，其专著对电压暂降的起因、短时间中 断、暂降域、电压暂降的检测及抑制措施等内容进行了深入的研刭9 1 。此外，许多 发达国家对电压暂降进行了多年的监测，如美国e p r i 对电压暂降进行了长期、 广泛的实测。结果表明，许多电压暂降的幅值是变化的，且有的还伴随相位突变、 不对称以及波形的畸变；另外，绝大多数的电压暂降深度小于4 0 的额定值，且 持续时间不足1 0 个周期。因此，如果能够持续2 0 0 m s 补偿3 0 的负载容量，则 估计可以消除9 5 以上的电压暂降扰动【1 0 】。英国、加拿大等发达国家也进行了类 似的电能质量监测工作，为改善电能质量获取了直接的数据。 从2 0 世纪2 0 年代以后，有些国家的电力部门己开始测量电压波动和闪变。 1 9 7 8 年同本电气加热技术协会和电弧炉技术委员会已制定日本国内统一的闪变标 准并协调a v i o 闪变仪的规格。英国早在2 0 世纪6 0 年代就重视研究电弧炉等波动 性负荷干扰所引起的闪变干扰。现阶段许多工业发达国家正侧重于电压闪变测量 技术的研究，已提出的测量电压闪变的技术可以有以下几种：快速傅立叶变换技 术( f f t ) ：f f tp r u n e 技术；卡尔曼滤波技术；最小绝对值( l a v ) 状态估计；t e a g e r 能量算子技术( t e a g e re n e r g eo p e r a t o rt e o ) ：小波变换技术；遗传算法技术( g a s ) 。 2 0 世纪9 0 年代以来，在英、法、德、意、日等几个工业发达国家出现了定制 电力技术【2 。美国电力研究院( e p r i ) 首先提出了定制电力的概念和技术，将电 力电子技术、微处理技术、自动控制技术等高新技术运用于中、低压配电系统和 用电系统，用于减小谐波畸变、降低电压波动和闪变，降低电压不平衡及电压暂 降和短时断电的影响；以用户对电力可靠性和质量要求为依据，为用户配置所需 要的电力，从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。将大功率电力电子 技术和配电自动化技术集成起来，定制电力技术和产品，主要是针对配电网的供 电可靠性和供电质量两个方面，以达到用户所需可靠性水平和电能质量水平的电 力。而静态控制器则是以大功率电力电子开关技术器件为基础，采用微处理器、 光纤通信、数字信号处理等新技术的新型电气设备，如静止无功补偿器( s v c ) 、 配电灵活交流输电开关( d f a c t s ) 、固态断路器( s s c b ) 、固态电源切换开关( s s t s ) 、 动态电压恢复器( d v r ) 固态电流限制器( s s c l ) 、有源滤波器( a p f ) 、统一电能 质量调节器( u p q c ) 和相关的储能技术等。实际上，定制电力电子技术就是想方 设法解决电压暂降和瞬时断电问题，它是一种正在发展的新兴技术。目前，采用 先进的电力电子技术和计算机技术、网络技术研究电能质量问题，开发相关监测 装置，采取有效手段解决实际问题己成为近年来电力系统研究的新热点。 在理论研究方面，电能质量的分析方法目前主要有三种方法：时域、频域和 变换域。时域仿真方法目前较通用的时域仿真程序有e m t p 、e m t d c 、n e t o m a c 等系 统暂念仿真程序和s p i c e 、p s p i c e 、s a b e r 等电力电子仿真程序两大类。近年来， 频域分析方法提出的混合谐波潮流计算法，可详细考虑非线性负载控制系统的作 用，因此可精确描述其动态特性。基于变换域的方法目前主要指傅立叶变换方法， l 短时傅立叶变换方法以及近年来出现的小波变换方法【2 6 1 。 i 1 2 2电能质量影响敏感设备运行工况的研究状况 国内外( 特别是国外发达国家) 对电能质量对敏感设备的影响问题的研究已 4 比较广泛和深入，内容涉及：电能质量问题对设备行为的分析，对不同类型设备 电能质量敏感度的理论分析和实验研究，电能质量敏感度试验装置的研究开发， 对电能质量敏感曲线的研究以及降低敏感度措施等方面。表1 - 1 所示说明了电能 质量所引起设备的主要问题及通用解决方法【2 2 1 。 表1 1 电能质量引起设备问题一览表 类型特征指标产生原因 后果解决方 法 谐波谐波频谱电压、非线性负载、固 设备过热、继电保护有源、无 电流波形态开关负载误动、设备绝缘破坏 源滤波 三相不对 不平衡因子不对称负载设备过热、继电保护静止无 称 误动、通信干扰功补偿 陷波持续时间、幅值调速驱动器计时器计时错误、通 电容器、 信干扰隔离电 感器 电压闪变波动幅值、出现电弧炉、电机启伺服电机运行不正静止无 频率、调制频率动常 功补偿 谐振暂态波形、峰值、持线路、负载和电 设备绝缘破坏、损坏滤波器、 续时间 容器组的投切电力电子设备隔离变 压器、避 雷器 脉冲暂态 上升时间、峰值、闪电电击线路、设备绝缘破坏避雷器 持续时间感性电路开合 瞬时电压峰值、持续时间、远端发生故障、 设备停运、敏感负载不问断 上升、瞬瞬时值时间 电机启动不能正常运行电源、动 时电压下态电压 将 恢复器 噪声 幅值、频谱不正常接地、固 微处理器控制设备正确接 态开关负载不正常运行地、滤波 器 近十多年以来的研究表明，在影响电能质量的所有因素中，电压暂降和短时 断电是造成电压敏感设备不能正常工作的主要因素，其发生的概率最大，影响面 最广，是最亟待解决的问题。通常认为，电压暂降和短时断电将会引起7 0 9 0 电能质量问题【3 】，如英国1 9 9 5 年就电能质量问题对容量超过1 m w 的1 0 0 家用户 所做的监测结果显示：在1 年内，6 9 用户的生产过程因电能质量问题受到破坏， 8 3 的事故是由电压暂降和短时断电引起的 4 1 。 1 3 电能质量影响敏感医疗设备运行工况的研究状况 现代化医疗设备的中枢控制系统对电能质量的下降尤为敏感，当今电能质量 问题对医院医疗设备的安全可靠性的影响之大，超出了人们的预料。鉴于国内医 院以从事医疗诊断、治疗为主要目的，9 9 以上的科技人员为医务人员，为数不多 的工程技术人员也大多是水、电、暖等方面单一专业的科技人员。从事医疗器械 维修的专业人员( 一般占医院总人数的5 左右) 中很少一部分为生物医学工程专 业人员，几乎没有电气工程专业的科技人员，医疗设备的故障维修已经使其穷于 应付，因而设备故障原因的研究分析，受各方面条件的制约目前还没在国内医院 普遍展开，电能质量对医疗设备的影响还没有得到应有的重视和研究，这方面的 研究成果较少。 医院医疗器械工程技术人员在实际工作中就遇到的问题进行了为数不多的探 讨。主要发现：停电、暂短中断及过压浪涌常常引起仪器烧保险，甚至毁损仪器； 而突然断电可使计算机数据丢失，甚至硬盘划伤：雷电的活动或大型电气开关的 动作都可能干扰医疗与诊断设备计算机控制系统的j 下常工作，两者均会在电子系 统的电源总线、数据通信、信号等线路上引起电压瞬间的激增，如果激增的瞬态 电压超过了计算机控制系统电子元器件的承受能力，就会造成破坏性的后果；电源 频率和相序的改变对医疗与诊断设备的影响也很大，源频率的改变会使磁饱和稳 压器工作失灵；医疗设备中还广泛使用三相交流电供电，有时因为某种原因其电 源相序改变会引起一些故障现象，电源相序改变能导致三相电动机反转并由此引 起医疗设备中的一些机械运动方向与操作指令的相反，有一些医疗设备或其配备 的稳压电源因为带有相序保护电路，当相序不对时就会拒绝工作，而且电源相序 改变还会使有的x 线发生器不能j 下常曝光。 1 4 本论文的主要工作 1 与国外发达国家相比，我国对电能质量影响电气设备工况的研究才n i j 冈i j 起 步，对电能质量影响医疗设备工况的研究几乎还是空白。本论文首先详细说明电 能质量问题的提出、电能质量的概念及对医疗设备工况的影响，阐述研究电能质 量对医疗设备工况影响的重要意义。 6 2 论述电能质量所研究的具体内容，对电能质量影响电气设备工况的不同情 况进行了归类总结。 3 按照电能质量影响医疗设备的主要系统，将医院医疗设备分为1 5 类，并对 我院3 年来电能质量下降对1 0 0 台重点医疗设备的影响进行了总结。 4 具体分析了电压暂降、电源频率和相序、谐波对医疗设备所造成的 影响。 5 最后，提出了医院解决电能质量影响医疗设备工况问题的具体措施。 7 2 电能质量 2 1 电能质量的概念和标准 2 1 1 电能质量的概念 电能质量目前还没有一个统一的定义，国际电工委员会i e c 标准对电能质量 ( p o w e rq u a l i t y ) 是这样定义的：电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中 断和干扰用户使用电力的物理特性。所谓电能质量实质上是各种单一的扰动和不 平衡现象的总和在电网中的集中体现，它强调的是电网与用电设备之间的相互影 响。电气与电子工程师协会( i e e e ) 定义电能质量为：电能质量的合格是指提供 给敏感设备的电力和装置的接地系统能够使得该设备工作正常f l 】。 理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z ) 和正弦波形，按照规定的电压水平 对用户供电【5 1 1 2 7 1 。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应呈幅度大小相等、 相位互差1 2 0 。的对称状态。由于系统各元件( 发电机、变压器、线路等) 参数并 不是理想线性或对称的，加之调控手段不完善、负荷性质各异且变化的随机性以 及运行操作、各种故障等原因，这种理想状态在实际中并不存在，因此就产生了 电能质量的概念。电能是一种特殊商品，不能储存，同时涉及发、供、用三方。 由于这种特殊性，决定了电能质量不完全取决于电力生产企业，有些电能质量指 标( 例如谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度等) 主要由用电负荷的性质、干 扰产生的影响来决定。从用户方面考虑，电能质量就是导致用户设备失效或不能 正常工作的电压、电流、频率偏移。 2 1 2 电能质量的分类 电能质量参数通常可分为两个范畴：( 1 ) 由国际标准或国家标准明确定义的 电能质量参数，如电压频率、偏差、波动与c j j 变、三相电压不平衡度、谐波等。( 2 ) 暂时尚无标准，仅仅给出了一些指标值供参考，这些参数包含了一些电压指标和 供电可靠性指标，如电压暂降( v o l t a g ed i p ) 、短期与中期电压中断。如果从电压 的幅值和波形( 指非等幅正弦波) 上划分，所涉及的电压质量问题如下：( 1 ) 幅 值问题，如电压偏差、三相电压不平衡( 负序) 等；( 2 ) 波形问题，如谐波、电 压波动与闪变等；( 3 ) 既有幅值问题又有波形问题，如过电压、电压暂降、电压 中断等【6 1 。 2 1 3 电能质量的国家标准 对电能质量评估所依据的国家标准有8 个：( 1 ) g b t 1 2 3 2 5 - - 2 0 0 3 电能质量 供电电压允许偏差；( 2 ) g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪变；( 3 ) g b t1 4 5 4 9 - - - 1 9 9 5 电能质量公用电网谐波；( 4 ) g b t i5 4 9 5 - - 1 9 9 5 电能质 量电力系统频率允许偏差；( 5 ) g b 厂r 1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压允许 不平衡度；( 6 ) g b t1 8 4 8 1 - - 2 0 0 1 电能质量暂态过电压和瞬态过电压；( 7 ) g b z1 7 6 2 5 。l - 2 0 0 3 电磁兼容限值对额定电流大于1 6 a 的设备在低压供电系 统中产生的谐波电流的限制；( 8 ) g b1 7 6 2 5 1 2 0 0 3 电磁兼容限值谐波电流 发射限值( 设备每相输入电流( 1 6 a ) ) 。1 9 9 0 2 0 0 1 年的1 1 年间，我国陆续制定 和颁布的6 项电能质量国家标准 7 1 叫1 2 l ：g b l 2 3 2 5 1 9 9 0 ，电能质量供电电压允 许偏差，g b 厂r 1 4 5 2 9 一1 9 9 3 ，电能质量公用电网谐波，g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 ，电能 质量电压波动和闪变，g b 厂r 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ，电能质量三相电压允许不平衡度， g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 ，电能质量电力系统频率允许偏差，g b 厂r 1 8 4 8 l 一2 0 0 l ，电能 质量暂时过电压和瞬态过电压。该六项电能质量国家标准摘要如表2 1 所示。 表2 1六项电能质量国家标准摘要 标准编号 标准名称允许限值说明 g b l 2 3 2 5电能质量( 1 ) 3 5 k v 及以上，正负偏差绝对值之和衡量点为供 1 9 9 0 供电电压不超过l o 电产权分界 允许偏差( 2 ) 1 0 k v 及以下三相供电，7 或电能计量 ( 3 ) 2 2 0 v 单相供电，+ 7 ，一1 0 占 、 g b l 2 3 2 6电能质量 电压变动d 的限值和变动频率r 有关：当( 1 ) 衡量点 2 0 0 0 电压波动r 1 0 0 0 h _ 1 时，对于低压( l v ) 和中压( m v ) ，为公共连接 和闪变d = 1 2 5 - - - 4 ；对于高压( h v ) ，d = 1 0点( p c c ) - - - - 3 ；当随机不规则的变动时，对于 ( 2 ) p 吼的测 l v 和m v ，d = 2 ；对于h v ，d = 1 5 量周期为 闪变限值1 0 m i n ，取实 系统电 l vm v h v测9 5 概率 压等级 大值；p i 。的测 短时间 1 o 0 9 ( 1 o ) o 8 量周期为2 h ， 闪变值 不得超标 p s t( 3 ) 限值分 9 长时问 0 8 0 7 ( 0 8 )0 6三级处理原 闪变值 则 p n( 4 ) 提供预 注：括号中的值仅适用于所有用户为同电压等级场 测计算方法， 合规定测量一 起并给出典 型分析实例 g b 广t 电能质量各级电网谐波电压限值 ( 1 ) 衡量点 1 4 5 4 9公用电网 电压l ( vt h d奇次偶次为p c c ，取实 一1 9 9 3谐波o 3 854 02 0测9 5 概率 6 ，1 043 21 6大值 3 5 ，6 632 41 2( 2 ) 对用户 1 1 021 60 8 允许产生的 注： 2 2 0 k v 电网参照l1 0 k v 执行 谐波电流提 t h d 为总谐波畸变 供计算方法 ( 3 ) 对测量 方法和测量 仪器做出规 定 ( 4 ) 对同次 谐波随机性 合成提供算 法 g b t 电能质量 ( 1 ) 正常允许2 ，短时不超过4 ( 1 ) 各级电 1 5 5 4 3 电力系统 ( 2 ) 每个用户一般不得超过1 3 压要求一样 1 9 9 5频率允许( 2 ) 衡量点 偏差为p c c ，取实 测9 5 概率 大值或同累 计超标不允 许 超过 7 2 m i n ，且每 3 0 m i n 中超 l o 标不允许超 过5 m i n ( 3 ) 对测量 方法和测量 仪器做出基 本规定 ( 4 ) 提供不 平衡度算法 g b t 电能质量( 1 ) 正常允许0 2 h z ，根据系统容量( 界对测量仪器 1 5 9 4 5电力系统限为3 0 0 0 m w ) 可以放宽到0 5 h z提出基本要 一1 9 9 5频率允许( 2 ) 用户冲击引起的频率变动一般不得求 偏差超过o 2 h z g b t电能质量( 1 ) 系统工频过电压限值( 1 ) 暂时过 1 8 4 8 l 暂时过电系统工频过电压限值电压包括工 - 2 0 0 1压和瞬态电压等级k v 过电压限值( p f u ) 频过电压和 过电压u 2 5 2 ( i )1 3谐振过电压。 u 2 5 2 ( i i )1 4瞬态过电压 1 1 0 ，2 2 0 1 3包括操作过 3 5 6 6压 电压和雷击 3 l o1 1 历 过电压 注：u 。指工频峰值电压 ( 2 ) 工频过 u 2 5 2 ( i ) 和u 2 5 2 ( i i ) 分别指线路断路器 电压 l 。o 两侧变电所的线路电压 ( p u ) = ( 2 ) 操作过电压限值 u i i l 3 。谐振 包括空载线路合闸、单相重合闸、成 过电压和操 功的三相重合闸、非对称故障分闸及振荡 作过电压1 o 解列过电压限值。 ( p u ) = 4 2 操作过电压限值 u i i l 3 电压等级k v 过电压限值( p u ) ( 3 ) 除统计 5 0 02 0 + 过电压( 不小 3 3 0 2 2 + 于该值的概 率为0 0 2 ) 1 1 0 2 5 2 3 0 外，凡未说明 注：表示该过电压为相对地统计操作过哇三压 的操作过电 压限值均为 最大操作过 电压( 不小于 该值的概率 为0 0 0 1 4 ) ( 4 ) 瞬态过 电压还对空 载线路分闸 过电压、断路 器开断并联 补偿装置及 变压器等过 电压限值做 出了规定 2 1 4 国外电能质量标准 国外电能质量标准的制定是从电磁兼容( e m c ) 的角度出发的。1 9 9 5 年，欧 洲共同体在英国标准的基础上，颁布了一个电能质量标准( e n 5 0 1 6 0 ) ，称为公 用配电系统供电电压特性，作为欧洲共同市场对中、低压电能质量的统一标准。 标准共分5 大类、1 3 项指标( 其中，频率偏差、电压幅值、电压不平衡、电压波 形等4 项指标已在i e c 6 1 0 0 0 系列标准中被确认) 。 2 1 4 1 频率偏差 ( 1 ) 在互联电网中：5 0 + 0 5h z ，一周9 5 合格率；4 7 5 2h z ，一周1 0 0 合 格率。 ( 2 ) 在孤立电网中：5 0 + 1h z ，一周9 5 合格率；5 0 4 - 7 5h z ，周1 0 0 合 格率。 2 1 4 2 电压幅值 ( 1 ) 慢速电压变化( 即电压偏差) ：运行1 0r a i n 平均值在周内9 5 概率大 值。u n 3 5k v ，u n 1 0 u n 。 ( 2 ) 快速电压变化( 电压波动和闪变) ：l v 一5 u n ；m v 弋 4 u n ，电压变 动一周内9 5 概率大值。 ( 3 ) 电压暂降：持续时间 0 58 ，跌落幅度 6 0 ，1 0 - - , 1 0 0 次年。 ( 4 ) 短时断电：持续时间 3m i n ，7 0 的次数 3m i n ，1 0 - - , 5 0 次年。 ( 6 ) 暂时工频过电压：低压：相电压 1 5 倍额定电压；中压：相电压 2 倍额 定线电压。 ( 7 ) 瞬态过电压( 持续时间 1 2 o 2 2 51 5 2 50 2 + 1 2 5 h 各国在制定电能质量标准时，均会权衡电力部门和用户两方面的投入比重， 并受制于电力供求关系和经济技术水平。 2 1 5i e e e 关于电能质量问题分类 i e e e 根据电压扰动的频谱特征、持续时间、幅值变化等对供电系统典型的电磁 干扰现象进行了特征分类，为准确区分电压暂态现象提供了依据，如表2 3 所示13 1 。 表2 3i e e e 关于电磁现象和电能质量的分类 种类频谱成分持续时间 电压幅值 电磁瞬态冲击上升沿5 n s 1 i n s 振荡 低频 5 k h z0 3 , - 一5 m s 0 - 4 ( p u ) 中频5 - 5 0 0 k h z2 0 0 8 ( p u ) 高频0 5 5 m h z5 0 4 - - , 4 ( p 。u ) 短时电压瞬时中断o 5 3 0 周波 0 1 ( p u ) 变动跌落 0 5 - 3 0 周波 o 1 0 9 ( p u ) 升高 0 5 - - 一3 0 周波 1 1 - 1 8 ( p u ) 暂时中断3 0 周波3 s l m s o 8 0 9 ( p u ) 过电压 l m s 1 1 1 2 ( p u ) 电压不平衡稳态o 5 2 波形畸变直流偏移稳态o 0 1 谐波1 1 0 0 次稳态 0 - - 2 0 间谐波0 - - 6 k h z 稳态 0 , - 一2 陷波 稳态 噪声 宽带稳态 0 l 电压波动 0 7 5 0 8 5 0 8 5 o 9次数年 o 60 9 7 无无无 0 9 7 0 7 50 9 73 8 9 无无 4 8 6 o 8 50 9 73 8 97 1 2 无1 1 9 8 o 90 9 73 8 97 1 21 1 0 92 3 0 7 3 2 以上对于负载对电能质量问题的敏感度进行了定义并对负载进行了分类，当 然针对不同的电能质量问题可以进行更加细化、更加有针对性的定义。 4 2 医疗设备的电压暂降敏感度 4 2 1 医疗设备的电压暂降敏感度的影响因素 影响医疗设备的电压暂降敏感度的因素是多方面的，这些影响因素主要有：设 备本身的特性，电压暂降的发生特性，设备的运行状态和设备伺服对象的要求。 ( 1 ) 设备本身的特性。这也是设备敏感度的决定因素。不同类型设备不但对 电压暂降的敏感机理不同，而且敏感度也往往差别很大，甚至同类型但不同厂家 生产、同类型同一厂家生产但不同时期产品( 经过技术更新) 对电压暂降的敏感度也 可能相差甚远。 ( 2 ) 电压暂降的发生特性。同一设备对于不同类型的电压暂降的反应是不同 的，暂降的对称与否、何种类型的不对称暂降、暂降是否伴随有相位跳变、甚至 暂降发生的起止时刻的相位角都将引起不同的暂态过程( 发生在电压过零点附近的 扰动要比发生在电压峰值点附近的扰动造成的影响要小) ，不同的暂降曲线引起的 危害对某些医疗与诊断设备也可能是不同的【1 6 】。另外，不少暂降是连续重复发生 的，即在一个电压暂降发生之后的很短时间内会发生另外一个暂降，敏感医疗设 备可能能够承受第一个暂降，但却不能承受第二个暂降，这是因为两次暂降的间 隔时间太短以致设备在第二次暂降发生时还没有从第一次暂降的影响中恢复到正 常稳态。 ( 3 ) 设备的运行状态。这包括暂降发生前后设备运行的电压水平、设备负载 情况、设备是否处于稳态等等。系统电压不可能时时刻刻都保持额定电压不变， 在设备安全电压范围内，暂降前电压越高，设备对暂降的敏感度就越低，反之亦 然，这是因为电压的高低决定了能量存储的多少。如果暂降前电压刚好等于设备 能够正常运行的最小电压，那么设备对幅值低于此最小电压的暂降将没有任何承 受能力。“恢复时间”是指设备在一个暂降发生之后为了能够承受随之而来的另一 暂降所必须的时问，而暂降后电压在决定设备的恢复时问方面起重要作用，因此 暂降后电压水平对设备敏感度也是有影响的【1 7 1 。 ( 4 ) 设备伺服对象的要求。设备伺服对象对设备的运行状况要求越高，设备 敏感度就越高。比如，可调度驱动装置所驱动的过程对电动机转速和转矩的变化 范围要求很严格，当发生暂降时，驱动装置本身可能是“正常工作”的，但所驱 动的过程却可能认为是“不正常 的，是不能接受的，这时仍然认为，设备对电 压暂降是敏感的。 4 2 2电压暂降对敏感设备影响的原因 供电系统中发生电压暂降之所以会影响一些精密控制的设备，特别是某些医 疗设备的正常工作甚至引起停止工作的主要原因如下： ( 1 ) 电压过低。电压暂降使得电压幅值过低，不能满足对电压敏感负载设备 的需求，所以负荷设备停止运动。 ( 2 ) 低压保护电路误动作。电压过低时，低压保护电路会切断电源，使负载 设备停止运动。 ( 3 ) 不平衡继电器误动作。在三相交流系统中，电压暂降通常是不对称的( 仅 影响单相或两相) 。电压暂降产生电压不平衡会使不平衡继电器动作，切除线路， 使负载设备停止运行。 ( 4 ) 快速响应继电器误动作。出现电压暂降时，快速响应继电器会把电压暂 降脉冲误认为是开关动作控制信号，从而电路工作电源被切除，负载设备停止 运行。 ( 5 ) 复位电路误动作。许多电子设备都设有复位电路，以保证在设备启动时 正确的初始化，而复位电路工作的控制信号通常是一个很陡的尖峰脉冲电压。 当发生电压暂降时，在电压水平恢复标准幅值时，会有一个电压幅值突然增加 的过程，复位电路可能会把这个“电压脉冲”误认为是复位信号，从而使整个 医疗设备重启复位，造成负载设备停止运行。 4 3 典型医疗设备的电压暂降敏感度分析与实例 一般而言，电压暂降对任何设备都会造成影响，只是不同的设备对电压暂降 的敏感度不同，且往往差别很大。下面对