电能质量-第02章术语与定义

2.1 需要一致的术语体系（Need for a Consistent Vocabulary）¶

“电能质量（power quality）”这一术语被用于描述电力系统中的多种电磁现象（electromagnetic phenomena）。近年来，随着电子设备（electronic equipment）和分布式发电（distributed generation）的应用不断增加，人们对电能质量的关注明显提高；与此同时，也形成了一套用于描述这些现象的专门术语体系。遗憾的是，这套术语在行业不同群体之间并不一致。这造成了相当大的混乱，因为设备供应商和终端用户都在努力理解：为什么电气设备没有像预期那样工作。同样，在各种厂商术语（vendor jargon）中辨别大量不同的解决方案，也令人困惑。

很多含糊词语被使用，而且这些词有多重含义或含义并不清楚。例如，surge 一词常被用来描述许多会导致设备失效或误动作的扰动。某种“浪涌抑制器（surge suppressor）”也许能够抑制其中一部分扰动，但对另外一些则完全无效。像 glitch、blink 这种根本没有技术含义的词，也被混入了电能质量讨论词汇中。一些不负责任的营销者会利用公众对这些术语的不了解，销售价格高昂、却宣称能“神奇改善电能质量”的装置。当然，他们通常还会附带“退款保证”。读者保护自己的方式，是更好地理解电能质量术语，并坚持要求对方给出该装置工作机理的技术解释。作者给出的基本规则是：如果卖方不愿告诉你盒子里是什么、以及它如何工作，那就不要买。

本章将描述一套可用于描述电能质量变化的一致术语体系。本章也会解释为什么一些常见术语在电能质量讨论中并不合适。

2.2 电能质量问题的一般类别（General Classes of Power Quality Problems）¶

本章给出的术语体系，反映了近年来美国和国际上对电能质量术语定义标准化的工作成果。在美国，IEEE 标准协调委员会 22（IEEE SCC22）主导了协调电能质量标准的主要工作。该委员会跨越 IEEE 的多个学会承担协调职责，主要包括工业应用学会（Industry Applications Society）和电力工程学会（Power Engineering Society）。它还通过与 IEC 和 CIGRE（国际大电网会议）的联络，与国际标准化工作保持协调。

IEC 将电磁现象分为表 2.1 所示的若干组。本书主要关注其中前四类。

Table 2.1 Principal Phenomena Causing Electromagnetic Disturbances as Classified by the IEC

美国电力行业在制定电能质量监测推荐实践时，在 IEC 术语基础上增加了一些术语。Sag 被用作 IEC 术语 dip 的同义词。类别 short-duration variations（短时变化）被用来指代电压跌落和短时中断。术语 swell（暂升）被引入，作为 sag (dip) 的相反概念。类别 long-duration variation（长时变化）被加入，用于处理 ANSI C84.1 的限值问题。类别 noise（噪声）被加入，用于描述宽带传导现象。类别 waveform distortion（波形畸变）被用作一个容器类，用来覆盖 IEC 的谐波（harmonics）、间谐波（interharmonics）、交流网络中的直流分量（dc in ac networks）现象，以及 IEEE 519-1992 中称为 notching 的现象。

表 2.2 展示了电能质量领域常用的电磁现象分类方式。表中的现象还可以通过列出适当属性（attributes）来进一步描述。对于稳态现象，可使用以下属性：

幅值（Amplitude）
频率（Frequency）
频谱（Spectrum）
调制（Modulation）
源阻抗（Source impedance）
缺口深度（Notch depth）
缺口面积（Notch area）

对于非稳态现象，还可能需要其他属性：

上升率（Rate of rise）
幅值（Amplitude）
持续时间（Duration）
频谱（Spectrum）
频率（Frequency）
发生率（Rate of occurrence）
能量潜势（Energy potential）
源阻抗（Source impedance）

表 2.2 在适用处还给出了各类电磁现象的典型频谱成分、持续时间和幅值信息。这些分类类别与前述属性结合使用时，可以为清晰描述某种电磁扰动提供一种方法。这些类别及其描述之所以重要，是因为它们使我们能够对测量结果进行分类，并描述那些可能导致电能质量问题的电磁现象。

Table 2.2 Categories and Characteristics of Power System Electromagnetic Phenomena

2.3 暂态（Transients）¶

术语 transients 长期以来一直用于分析电力系统变化，用来表示一种不希望出现、而且具有瞬时性质（momentary in nature）的事件。大多数电力工程师听到 transient 这个词时，首先想到的可能是由 RLC 网络产生的阻尼振荡暂态（damped oscillatory transient）。

还有一些常见定义范围较宽，只是简单地说：暂态是“变量在从一个稳态工况过渡到另一个稳态工况期间会消失的那部分变化”。作者指出，不幸的是，这个定义几乎可以用来描述电力系统上发生的任何不寻常事件。

另一个常见且常被视为 transient 同义词的词是 surge。电力公司工程师可能把 surge 理解为由雷击引起、需要通过避雷器（surge arrester）保护的暂态。终端用户则经常不加区分地用这个词去描述供电中观察到的任何异常，从暂降（sags）到暂升（swells）再到中断（interruptions）。由于在电能质量领域这个词存在很多潜在歧义，除非事先明确规定其含义，本书一般避免使用它。

从广义上说，暂态可分为两类：

冲击型（impulsive）
振荡型（oscillatory）

这两个术语反映的是电压或电流暂态的波形形状（waveshape）。下面将分别更详细说明这两类。

2.3.1 冲击暂态（Impulsive transient）¶

冲击暂态是指在电压、电流或两者的稳态条件中，突然出现的一种非工频变化（non-power frequency change），并且其极性是单向的（主要为正或主要为负）。冲击暂态通常通过其上升时间和衰减时间来表征，而这些特征也能从其频谱成分中反映出来。

例如，一个 1.2/50 μs、2000 V 的冲击暂态，按定义大致表示其在 1.2 μs 内从零上升到峰值 2000 V，然后在 50 μs 内衰减到峰值的一半。冲击暂态最常见的原因是雷击。图 2.1 给出了一个由雷击引起的典型电流冲击暂态。

Figure 2.1 Lightning stroke current impulsive transient.

由于冲击暂态涉及很高的频率，其波形会被电路元件迅速改变，因此在电力系统不同位置观察到的特性可能明显不同。它们通常不会从进入电力系统的位置传播太远，尽管在某些情况下也可能沿公用线路传播较长距离。冲击暂态还可能激发电力系统回路的固有频率，并产生振荡暂态。

2.3.2 振荡暂态（Oscillatory transient）¶

振荡暂态是指在电压、电流或两者稳态条件中突然出现的一种非工频变化，并且该变化包含正负极性值。振荡暂态由某个电压或电流组成，其瞬时值会快速改变极性。

它通过以下量来描述：

频谱成分（主导频率，predominant frequency）
持续时间（duration）
幅值（magnitude）

表 2.2 中定义的频谱子类为高频、中频和低频。这些频率范围的划分，是为了与常见电力系统振荡暂态现象相对应。主频分量大于 500 kHz、且典型持续时间为微秒级（或主频若干周波）的振荡暂态，被视为高频暂态。

这类暂态通常是系统对冲击暂态的局部响应。主频在 5~500 kHz、持续时间为几十微秒（或主频若干周波）的暂态，被称为中频暂态（medium-frequency transient）。

背靠背电容器投入（back-to-back capacitor energization）会产生几十千赫兹范围的振荡暂态电流，如图 2.2 所示。电缆投切也会在同一频率范围产生振荡电压暂态。中频暂态同样也可能是系统对冲击暂态的响应。

Figure 2.2 Oscillatory transient current caused by back-to-back capacitor switching.

主频小于 5 kHz、持续时间为 0.3~50 ms 的暂态，被视为低频暂态。这类现象在公用电网次输电和配电系统中很常见，并且可由多种事件引起。最常见的原因是电容器组投入（capacitor bank energization），通常会形成主频在 300~900 Hz 的振荡电压暂态。其峰值幅度可接近 2.0 pu，但更典型的是 1.3~1.5 pu，持续时间约 0.5~3 周波，具体取决于系统阻尼。

Figure 2.3 Low-frequency oscillatory transient caused by capacitor bank energization. 34.5-kV bus voltage.
Figure 2.4 Low-frequency oscillatory transient caused by ferroresonance of an unloaded transformer.

主频小于 300 Hz 的振荡暂态也可能出现在配电系统中。这类暂态通常与铁磁谐振（ferroresonance）和变压器励磁合闸（transformer energization）有关。涉及串联电容器的暂态也可能归入这一类。当系统与变压器励磁涌流中的低频分量（2 次、3 次谐波）发生谐振，或者在异常条件下发生铁磁谐振时，就会出现这种现象。

此外，还可以按“模式（mode）”对暂态（以及其他扰动）进行分类。在带独立中性导体的三相系统中，根据扰动出现在相线/中性线与地之间，还是出现在相线与中性线之间，暂态可分为共模（common mode）和正常模（normal mode）。

2.4 长时电压变化（Long-Duration Voltage Variations）¶

长时电压变化包括在工频下持续超过 1 min 的电压有效值（rms）偏差。ANSI C84.1 给出了电力系统预期的稳态电压容差范围。当电压偏差超过 ANSI 限值且持续时间大于 1 分钟时，该电压变化被视为长时变化（long duration）。

长时变化可以是过电压（overvoltages）或欠电压（undervoltages）。过电压和欠电压通常不是由系统故障引起的，而是由系统负荷变化和系统开关操作造成的。这类变化通常用“电压有效值-时间”曲线来显示。

2.4.1 过电压（Overvoltage）¶

过电压是指工频下交流电压有效值上升到 110% 以上，并且持续时间超过 1 min。

过电压通常是负荷开关操作的结果（例如切除大负荷或投入电容器组）。之所以会出现过电压，是因为系统对目标电压调节来说太弱，或者电压控制措施不足。变压器分接头设置错误（incorrect tap settings）也会导致系统过电压。

2.4.2 欠电压（Undervoltage）¶

欠电压是指工频下交流电压有效值下降到 90% 以下，并且持续时间超过 1 min。

欠电压由与过电压相反的开关事件引起。例如，大负荷投入或电容器组退出，都会在系统电压调节设备将电压恢复到容差范围前造成欠电压。线路过载同样可能导致欠电压。

术语 brownout 常被用来描述一种由电力公司调度策略主动实施、用于降低负荷需求的持续欠压状态。由于 brownout 没有正式定义，而且在表征扰动时不如 undervoltage 清楚，因此作者建议避免使用 brownout。

2.4.3 持续中断（Sustained interruptions）¶

当供电电压为零的持续时间超过 1 min 时，这种长时电压变化被视为持续中断（sustained interruption）。持续时间超过 1 分钟的电压中断通常具有永久性，需要人工干预修复系统后才能恢复供电。术语 sustained interruption 指的是一种特定电力系统现象，一般不应与 outage 一词在日常语境中的用法混为一谈。公用事业单位出于可靠性报告目的，会使用 outage 或 interruption 来描述性质相近的现象。但这会让终端用户产生混淆，因为用户往往把任何足以使工艺停机的电源中断都称为 outage，哪怕仅有半个周波。IEEE Standard 100 中定义的 outage 并不是某个特定电能质量现象，而是系统中某个部件未按预期工作的一种状态。此外，在电能质量监测语境中使用 interruption 一词，也与可靠性或服务连续性统计并无直接关系。因此，这里的术语定义被设计得更具体，专门用于描述长时间失压现象。

2.5 短时电压变化（Short-Duration Voltage Variations）¶

这一类别包含 IEC 中的“电压跌落（voltage dips）和短时中断（short interruptions）”。

根据表 2.2 中的定义，每一类变化都可按持续时间进一步称为：

瞬时（instantaneous）
短暂（momentary）
临时（temporary）

短时电压变化通常由以下原因引起：

故障状态（fault conditions）
启动时需要大电流的大负荷投入
电力布线中间歇性松动连接

根据故障位置和系统条件，故障可能引起暂时性的电压下降（sags）、电压升高（swells）或完全失压（interruptions）。故障点可能靠近，也可能远离观察点。无论哪种情况，在故障发生到保护装置切除故障的这段时间内，电压表现出的现象都属于短时变化。

2.5.1 中断（Interruption）¶

当供电电压或负荷电流下降到 0.1 pu 以下，且持续时间不超过 1 min 时，就称为中断（interruption）。

中断可能是电力系统故障、设备故障或控制故障导致的。中断通常按持续时间进行衡量，因为其中电压幅值始终低于额定值的 10%。对于由公用电网故障引起的中断，其持续时间由公用电网保护装置的动作时间决定。瞬时重合闸（instantaneous reclosing）通常会把非永久性故障造成的中断限制在 30 周波以内。保护装置延时重合闸则可能造成短暂中断（momentary）或临时中断（temporary）。由设备故障或松动连接引起的中断，其持续时间可能不规则。

当中断是由电源侧故障造成时，有些中断在前面会伴随一个电压暂降。这个暂降发生在故障起始到保护装置动作之间。图 2.5 显示了这样一次短暂中断：其中一相电压先约 3 周波降到约 20%，然后降为零约 1.8 s，直到重合器重新合上。

Figure 2.5 Three-phase rms voltages for a momentary interruption due to a fault and subsequent recloser operation.

2.5.2 暂降（Sags / Dips）¶

暂降（sag）是指工频下电压或电流有效值下降到 0.1~0.9 pu，持续时间在 0.5 周波到 1 min 之间。

电能质量领域多年来一直使用 sag 来描述短时电压下降。虽然这个术语最初并没有正式定义，但已经被公用事业单位、制造商和终端用户越来越广泛地接受和使用。IEC 对同一现象的术语是 dip。这两个词被视为可互换，其中 sag 是美国电能质量领域更常用的表达。

用于描述电压暂降幅值的术语常常会令人混淆。例如，“80 percent sag” 有时可能被理解为电压降到 0.8 pu，也可能被理解为电压降到 0.2 pu。更好的表达方式应当明确无歧义地指出结果电压水平，例如：

“sag to 0.8 pu”
或“幅值为 20% 的暂降（sag whose magnitude was 20 percent）”

除非另有说明，书中把 “20 percent sag” 理解为电压有效值下降 20%，即降到 0.8 pu。同时也应给出额定/基准电压水平（nominal or base voltage level）。

电压暂降通常与系统故障有关，但也可能由重负荷投入或大电机启动引起。图 2.6 给出了一个典型暂降示例，它可能与同一变电站另一馈线上的单相接地故障（SLG fault）有关。大约持续 3 个周波的 80% 暂降存在，直到变电站断路器切断故障电流。典型故障切除时间在 3~30 周波之间，取决于故障电流大小和过电流保护类型。

图 2.7 展示了大电机启动的影响。感应电机在启动过程中会吸取 6~10 倍额定电流。如果该点的启动电流相对于系统可提供的故障电流较大，则产生的电压暂降会很明显。在该例中，电压立即暂降到约 80%，随后在约 3 s 内逐渐恢复正常。应注意这与公用电网故障所引起暂降在时间尺度上的差别。

Figure 2.6 Voltage sag caused by an SLG fault. (a) RMS waveform for voltage sag event. (b) Voltage sag waveform.
Figure 2.7 Temporary voltage sag caused by motor starting.

在近期标准化工作之前，暂降事件的持续时间并没有被清晰定义。一些文献中把暂降持续时间定义为从 2 ms（约 0.1 周波）到几分钟。持续时间小于半周波的欠压事件，无法通过基波有效值变化进行有效表征，因此这类事件被视为暂态（transients）。持续时间超过 1 min 的欠压，一般可由电压调节设备控制，并且其成因通常不只是系统故障，因此被归类为长时变化（long-duration variations）。

本书将暂降持续时间细分为瞬时、短暂和临时三类，这与中断和暂升的三类划分保持一致。这些时间划分旨在对应典型公用电网保护装置动作时间，同时也与国际技术组织建议的持续时间区分一致。

2.5.3 暂升（Swells）¶

暂升（swell）被定义为工频下电压或电流有效值上升到 1.1~1.8 pu，持续时间在 0.5 周波到 1 min 之间。

与暂降类似，暂升通常也与系统故障有关，但出现频率不如暂降高。一种常见暂升发生方式是：单相接地故障（SLG fault）期间，未故障相出现暂时性的电压升高。图 2.8 展示了由单相接地故障造成的电压暂升。暂升也可能由切除大负荷或投入大电容器组引起。

暂升可通过其幅值（rms）和持续时间进行表征。故障条件下暂升的严重程度，取决于故障位置、系统阻抗和接地方式。在不接地系统中，如果零序阻抗无限大，则单相接地故障期间未故障相对地电压会达到 1.73 pu。在接地系统中、且靠近变电站的位置，由于变电站变压器通常采用三角-星形接线（delta-wye），为故障电流提供低阻抗零序通道，因此未故障相几乎不会出现电压升高。

在四线制多点接地馈线（four-wire, multigrounded feeders）的不同位置发生故障时，未故障相暂升程度会不同。像图 2.8 中所示的约 15% 暂升，在美国公用电网馈线上是常见的。

很多作者把 momentary overvoltage 当作 swell 的同义词使用。

Figure 2.8 Instantaneous voltage swell caused by an SLG fault.

2.6 电压不平衡（Voltage Imbalance）¶

电压不平衡（也称 voltage unbalance）有时被定义为：三相电压或电流相对于三相平均值的最大偏差，除以该三相平均值，并以百分数表示。

在标准中，更严格的定义采用对称分量法（symmetrical components）。可以使用负序分量或零序分量与正序分量的比值来表示不平衡百分比。最新标准规定使用负序法。图 2.9 给出了居民馈线一周不平衡趋势中这两个比值的示例。

电压不平衡小于 2% 的主要来源，是三相回路上的单相负荷。三相电容器组某一相熔断器熔断也可能造成电压不平衡。严重电压不平衡（大于 5%）则可能来自缺相运行（single-phasing）。

Figure 2.9 Voltage unbalance trend for a residential feeder

2.7 波形畸变（Waveform Distortion）¶

波形畸变被定义为：相对于工频理想正弦波的稳态偏离，其主要特征由该偏离的频谱成分来表征。

波形畸变主要有五类：

直流偏置（DC offset）
谐波（Harmonics）
间谐波（Interharmonics）
缺口（Notching）
噪声（Noise）

DC offset（直流偏置）¶

在交流电力系统中存在直流电压或直流电流，称为直流偏置（dc offset）。它可能由地磁扰动（geomagnetic disturbance）或电力电子变换器的不对称引起。例如，某些白炽灯延寿装置会通过二极管半波整流，使灯泡所受 rms 电压降低。交流网络中的直流分量可能通过使变压器铁芯偏磁而产生不利影响，使其在正常运行中发生饱和。这会增加发热并缩短变压器寿命。直流分量还可能导致接地电极和其他连接件发生电解腐蚀。

Harmonics（谐波）¶

谐波是指频率为供电系统设计运行频率（基波，通常 50/60 Hz）整数倍的正弦电压或电流分量。周期性畸变波形可分解为基波与各次谐波分量之和。谐波畸变来源于电力系统中设备和负荷的非线性特性。

谐波畸变水平可通过完整谐波谱（各次谐波幅值与相角）描述。也常使用单一量值总谐波畸变（THD）来表示谐波畸变的有效值大小。图 2.10 展示了一个典型调速驱动（ASD）输入电流的波形及其谐波频谱。

Figure 2.10 Current waveform and harmonic spectrum for an ASD input current.

电流畸变水平可用 THD 表征，但这样做有时会产生误导。例如，许多调速驱动在轻载运行时会表现出很高的输入电流 THD，但这未必是重大问题，因为谐波电流的绝对值很小，只是相对畸变比例较高。

为了解决对谐波电流进行一致表征的问题，IEEE 519-1992 定义了另一个术语：总需求畸变（TDD）。该术语与 THD 类似，不同点在于畸变值以某个额定负荷电流为百分比表示，而不是以测量瞬时的基波电流幅值为基准。IEEE 519-1992 对配电和输电线路上的谐波电流、谐波电压畸变水平给出了指导。

Interharmonics（间谐波）¶

频率不是供电系统设计频率（如 50/60 Hz）整数倍的电压或电流分量称为间谐波（interharmonics）。它们可以表现为离散频率，也可以表现为宽带频谱。所有电压等级的网络中都可能出现间谐波。

间谐波畸变的主要来源包括：

静止变频器（static frequency converters）
交-交变频器（cycloconverters）
感应炉（induction furnaces）
电弧装置（arcing devices）

电力线载波信号（power line carrier signals）也可视为间谐波。

自本书第一版之后，该主题已有大量研究，因此对间谐波畸变的来源和影响有了更好的理解。间谐波通常是频率变换的结果，并且常常不是恒定的，而是随负荷变化。这类间谐波电流可能激发非常严重的系统谐振，尤其当变化中的间谐波频率与系统固有频率重合时。它们已被证明会影响电力线载波通信，并会在荧光灯、其他电弧照明以及计算机显示设备中引起可见闪烁。

Notching（缺口）¶

缺口（notching）是由电力电子装置在电流从一相换流到另一相时的正常工作过程引起的一种周期性电压扰动。

由于缺口连续发生，它可以通过受影响电压的谐波谱来表征。不过，缺口通常被作为特殊情况单独处理。与缺口相关的频率分量可能很高，因此未必能被通常用于谐波分析的测量设备充分表征。

图 2.11 显示了一个由三相变换器（输出连续直流电流）引起的电压缺口实例。缺口发生在电流从一相换流到另一相时。在这段期间，两相之间会发生瞬时短路，使电压在系统阻抗允许范围内尽量接近零。

Figure 2.11 Example of voltage notching caused by a three-phase converter.

Noise（噪声）¶

噪声定义为：叠加在电力系统相导体电压或电流上的、频谱宽带（低于 200 kHz）的非期望电信号；它也可能出现在中性导体或信号线上。

电力系统中的噪声可能由电力电子设备、控制电路、电弧设备、带固态整流器的负荷以及开关电源引起。接地不当（不能把噪声导走）常常会使噪声问题恶化。从根本上说，噪声可视为任何不能归类为谐波畸变或暂态的、对电力信号的不期望畸变。噪声会干扰微型计算机和可编程控制器等电子设备。该问题可通过滤波器、隔离变压器和线路调理器（line conditioners）来缓解。

2.8 电压波动（Voltage Fluctuation）¶

电压波动是指电压包络的系统性变化，或一系列随机电压变化，其幅值通常不超过 ANSI C84.1 规定的 0.9~1.1 pu 范围。

IEC 61000-2-1 定义了不同类型的电压波动。本书在此将讨论范围限定为 IEC 61000-2-1 中 d 型（Type d）电压波动，即表现为一系列随机或连续电压变化的情况。

那些负荷电流幅值会持续、快速变化的负荷，可能引起常被称为 flicker 的电压变化。术语 flicker 源于电压波动对照明灯的影响，即灯光被人眼感知为闪烁。严格地说，电压波动（voltage fluctuation）是电磁现象，而 flicker 是该电压波动在某些负荷上的一种不良结果。不过，这两个术语在标准中经常联系在一起，因此本书也采用常见说法 voltage flicker。

图 2.12 给出了一个会产生闪变的电压波形示例。该例由电弧炉引起，电弧炉是公用输电和配电系统中最常见的电压波动来源之一。闪变信号用其 rms 幅值定义，并以相对基波的百分比表示。电压闪变是相对于人眼敏感度来测量的。通常在 6~8 Hz 的频率范围内，即使幅值低至 0.5%，也可能导致可察觉的灯光闪烁。

Figure 2.12 Example of voltage fluctuations caused by arc furnace operation.

IEC 61000-4-15 规定了闪变测量仪器的方法和技术要求。IEEE 电压闪变工作组近期同意采用经修订后适用于 60 Hz 系统的该标准，用于北美地区。该标准通过电压测量，给出一种描述可见灯光闪烁潜力的简单方法。其测量方法模拟“灯-眼-脑”的传递函数，并给出一个基本指标 Pst（短时闪变感觉量/短时闪变严重度）。该值被归一化到 1.0，表示一个电压波动水平：在样本观察群体中，有 50% 的人会认为闪烁已达到明显可感知程度。另一个常用指标是 Plt（长时闪变感觉量/长时闪变严重度）。这个值常用于验证是否满足标准机构规定的兼容水平，以及公用电力合同中的要求。它是对 Pst 样本的较长时间平均。

图 2.13 展示了在一座向电弧炉负荷供电的 161 kV 变电站母线上测得的 Pst 趋势。Pst 样本通常以 10 分钟间隔报告。测量标准中定义的统计处理过程会处理瞬时闪变测量结果，并生成 Pst 值。

Plt 值则由 Pst 值每 2 小时生成一次。

Figure 2.13 Flicker (Pst) at 161-kV substation bus measured according to IEC Standard 61000-4-15. (Courtesy of Dranetz-BMI/Electrotek Concepts.)

2.9 工频变化（Power Frequency Variations）¶

工频变化被定义为：电力系统基波频率相对于其规定额定值（如 50 Hz 或 60 Hz）的偏差。

电力系统频率与向系统供电的发电机转速直接相关。随着负荷与发电之间动态平衡的变化，频率会出现轻微变化。频率偏移的大小和持续时间取决于负荷特性以及发电控制系统对负荷变化的响应。

图 2.14 显示了典型 13 kV 变电站母线在 24 小时内的频率变化。

Figure 2.14 Power frequency trend and statistical distribution at 13-kV substation bus. (Courtesy of Dranetz-BMI/Electrotek Concepts.)

超出电力系统正常稳态允许范围的频率变化，可能由以下事件引起：

主干输电系统故障
一大块负荷被切除
大容量发电电源脱网

在现代互联系统中，显著频率变化很少见。真正有影响的频率变化，更有可能出现在由与公用电网隔离的发电机供电的负荷中。在这种情况下，调速器（governor）对突变负荷的响应可能不足以把频率维持在频率敏感设备所要求的窄带范围内。

作者还提醒：电压缺口（voltage notching）有时会被误认为频率偏差。如果缺口足够接近零值，就可能使那些依赖过零点来推导频率或时间的仪器和控制系统产生错误。

2.10 电能质量术语（Power Quality Terms）¶

为了帮助读者更好理解本书材料，本节列出许多与本书内容相关的常见电能质量术语定义。这些定义大多与当前行业内对电能质量术语的定义工作保持一致。此外，也补充了一些与本书内容相关的其他术语。

以下按原文顺序逐条翻译（尽量贴近原定义）：

active filter 有源滤波器：用于消除谐波畸变的一类较复杂电力电子装置。参见 passive filter。
CBEMA curve CBEMA 曲线：一组用来表示计算机设备对电压扰动幅值与持续时间承受能力的曲线。由计算机商业设备制造商协会（CBEMA）提出，后来成为衡量各类设备和电力系统性能的事实标准。CBEMA 已由 ITI 取代，相关新曲线通常称为 ITI 曲线。
common mode voltage 共模电压：从载流导体到地等幅出现的噪声电压。
coupling 耦合：一个可视为输入网孔与输出网孔共同部分的电路元件（或元件组/网络），能量可通过其在二者之间传递。
crest factor 峰值因数：许多电能质量监测仪报告的量，表示被测波形峰值与某有效值之比。正弦波的峰值因数为 1.414。
critical load 关键负荷：其运行不良会危及人员健康或安全，并/或导致功能损失、经济损失，或造成用户认定为关键财产的损坏的设备与负荷。
current distortion 电流畸变：交流线路电流中的畸变。参见 distortion。
differential mode voltage 差模电压：指定一组有源导体中任意两导体之间的电压。
dip 跌落：见 sag。
distortion 畸变：交流量相对正常正弦波的任何偏离。
distributed generation (DG) 分布式发电：相对于大型集中式电站而言，分散布置在电力系统中的发电。按本书语境，通常指容量小于 10 MW 且接入配电系统的机组。
dropout 掉电/脱扣：设备因噪声、暂降或中断而失去运行（离散数据信号）功能。
dropout voltage 脱扣电压：设备释放到失电位置时的电压（在本文语境下，即设备失效不能运行时的电压）。
electromagnetic compatibility 电磁兼容（EMC）：设备、装置或系统在其电磁环境中能够令人满意地工作，同时不向该环境中任何对象引入不可容忍电磁扰动的能力。
equipment grounding conductor 设备接地导体：用于将线管、桥架及设备外壳等非载流金属部分连接到接地导体（中性线）和服务设备处接地电极（主配电盘）或独立电源系统二次侧接地电极（如隔离变压器）的导体。
failure mode 失效模式：失效被观察到的表现形式。
fast tripping 快速跳闸：一种常见公用电网保护做法，指断路器或线路重合器动作速度快于熔断器熔断速度。也称 fuse saving。这种做法有助于在不形成持续中断的情况下清除暂时故障，但也存在争议，因为工业负荷会承受一次短暂或临时中断。
fault 故障：通常指电力系统中的短路。
fault, transient 暂时性故障：通常由雷击、树枝或动物引起，可通过短时中断电流而清除的短路故障。
ferroresonance 铁磁谐振：一种涉及铁芯（ferrous）电感非线性特性的、不规则且常呈混沌状态的谐振。它在供电系统中几乎总是不希望发生的，但在恒压变压器等技术中会被利用以改善电能质量。
flicker 闪变（视觉感受）：由光刺激亮度或光谱分布随时间波动引起的视觉不稳定印象。
frequency deviation 频率偏差：工频的升高或降低；持续时间可从数个周波到数小时。
frequency response 频率响应：在电能质量语境中，通常指系统或测量变送器阻抗随频率的变化。
fundamental (component) 基波（分量）：周期量傅里叶级数中的 1 次分量（50~60 Hz）。
ground 地/接地：有意或无意的导电连接，使电路或电气设备连接到大地，或连接到某个可替代大地、范围较大的导电体，以建立并维持接近大地的电位，并导通接地电流。
ground electrode 接地电极：与土壤紧密接触、用于提供接地连接的导体或导体组。
ground grid 接地网：在一定区域表面或埋设于地下的互连裸导体系统。其主要目的是在高电流故障时限制区域内电位差到安全水平，以保护作业人员。
ground loop 地环路：当系统中两个或多个名义接地点通过导电路径连接，而这些点实际上并非同一地电位时形成的潜在有害回路。
ground window 接地窗口：所有接地导体（包括金属线管）进入某一特定区域的区域。常见于通信系统。
harmonic (component) 谐波（分量）：周期量傅里叶级数中次数大于 1 的分量。
harmonic content 谐波含量：从某交流量中减去基波分量后得到的量。
harmonic distortion 谐波畸变：正弦波的周期性畸变。参见 distortion 和 THD。
harmonic filter 谐波滤波器：电力系统中用于滤除一个或多个谐波的装置。多数为电感、电容、电阻的无源组合；新技术也包括有源滤波器，可同时处理无功问题。
harmonic number 谐波次数：某谐波频率与基波频率之比得到的整数。
harmonic resonance 谐波谐振：电力系统在接近某主要谐波频率处发生谐振，从而加剧谐波畸变。
impulse 冲击/脉冲：在给定应用中近似单位脉冲或狄拉克函数的脉冲。在电能质量监测语境中更推荐使用 impulsive transient。
impulsive transient 冲击暂态：电压或电流稳态条件中突发的、非工频的、单向极性变化（主要正或主要负）。
instantaneous 瞬时（持续时间修饰语）：用于短时变化持续时间，指工频下 0.5 周波到 30 周波范围。
instantaneous reclosing 瞬时重合闸：公用断路器在切除故障电流后尽快重合的做法，典型时间为 18~30 周波。
interharmonic (component) 间谐波（分量）：周期量中不是系统设计频率（如 50/60 Hz）整数倍的频率分量。
interruption, momentary (electrical power systems) 短时停电（电力系统语境）：通过自动或监控切换操作，或由附近值守人员手动切换即可恢复服务的中断；该切换应在规定时间内完成，一般不超过 5 min。
interruption, momentary (power quality monitoring) 短暂中断（电能质量监测语境）：一种短时变化；一相或多相完全失压（<0.1 pu），持续时间在 30 周波至 3 s 之间。
interruption, sustained (electrical power systems) 持续停电（电力系统语境）：不归类为短时停电的任何中断。
interruption, sustained (power quality) 持续中断（电能质量语境）：一种长时变化；一相或多相完全失压（<0.1 pu），持续时间大于 1 min。
interruption, temporary 临时中断：一种短时变化；一相或多相完全失压（<0.1 pu），持续时间在 3 s 至 1 min 之间。
inverter 逆变器：将直流转换为交流（工频或工业过程所需频率）的电力电子装置。现代逆变器常采用 PWM，以较低谐波畸变生成所需频率。
islanding 孤岛运行/孤岛状态：分布式发电在公用电网供电区域的一部分负荷上形成与公用系统隔离的供电状态。通常是不希望出现的，但受控孤岛在某些场景下可提高系统可靠性。
isolated ground 独立接地：与供电导体敷设于同一管道中、但与金属管道和沿途接地点绝缘的设备接地导体。该导体始于独立接地型插座或设备端子，并在电源处中性点与地连接处终止。
isolation 隔离：把系统某一部分与其他部分的不期望影响分开。
ITI curve ITI 曲线：ITI 发布的一组曲线，表示接在 120 V 电力系统上的计算机设备对电压扰动幅值和持续时间的承受能力。该曲线替代了 CBEMA 曲线。
linear load 线性负荷：在稳态下，整个施加电压周期内对电源呈近似恒定阻抗的负荷设备。
long-duration variation 长时变化：电压有效值偏离标称值、持续时间大于 1 min 的变化。通常进一步用欠电压、过电压或电压中断说明其幅值性质。
low-side surges 低压侧浪涌：配电变压器设计人员使用的术语，用于描述雷击附近接地导体时似乎注入变压器二次侧端子的电流浪涌。
momentary 短暂（持续时间修饰语）：用于短时变化持续时间，指工频下 30 周波到 3 s 范围。
noise 噪声：在控制系统电路中产生不良影响的非期望电信号（本文中“控制系统”包括敏感电子设备）。
nominal voltage (Vn) 标称电压：为方便标识电压等级而赋予电路或系统的名义值（如 208/120、480/277、600）。
nonlinear load 非线性负荷：在交流输入电压周期内不连续取流，或其阻抗在周期内随电压波形变化的电负荷。
normal mode voltage 正常模电压：出现在有源电路导体之间或导体组之间的电压。
notch 缺口：一种开关（或其他）引起的电源电压波形扰动，持续时间小于半周波，且起始极性与原波形相反，因此从原波形峰值中“扣除”。其中包括不超过半周波的完全失压。
oscillatory transient 振荡暂态：电压或电流稳态条件中突发的、非工频的、包含正负极性值的变化。
overvoltage 过电压（长时变化语境）：电压高于标称值至少 10%，持续时间超过 1 min。
passive filter 无源滤波器：由电感、电容、电阻组成，用于消除一个或多个谐波。最常见形式是串联电感加并联电容，使主要畸变谐波分量在系统中被旁路。
phase shift 相移：一个电压波形相对于另一电压波形在时间上的位移。
power factor, displacement 位移功率因数：电压与电流基波分量之间的功率因数。
power factor (true) 真实功率因数：有功功率（W）与视在功率（VA）之比。
Plt 长时闪变严重度：IEC 61000-4-15 定义的 2 小时观测周期闪变指标。
Pst 短时闪变严重度：IEC 61000-4-15 定义的 10 分钟观测周期闪变指标。Pst > 1.0 对应于 50% 人群感到烦扰的闪变水平。
pulse 脉冲：某物理量持续时间很短的突变，随后迅速返回初始值。
pulse-width modulation (PWM) 脉宽调制：逆变器常用方法，通过控制电子开关产生不同宽度脉冲来合成交流波形。在某些应用中可降低工频谐波畸变，但需注意滤除通常 3~6 kHz 的开关频率分量。
reclosing 重合闸：架空线路中常见的公用电网做法，在故障切除后短时间内重新合闸，利用多数故障为暂时性这一事实。
recovery time 恢复时间：在负荷或输入阶跃变化后，输出电压/电流恢复到调节指标范围内所需时间；也可指系统在中断或掉电后恢复至运行状态所需时间。
recovery voltage 恢复电压：断路器等开断装置某极切断电流后其端子间出现的电压。
rectifier 整流器：将交流转换为直流的电力电子装置。
resonance 谐振：电力系统中电感与电容的固有频率被扰动现象激发并维持，可能导致过电压或过电流。谐波或非谐波波形畸变是最常见激励源；某些短路或开路故障也可能引发谐振。
safety ground 安全接地：见 equipment grounding conductor。
sag 暂降：工频下电压或电流有效值降至 0.1~0.9 pu，持续 0.5 周波到 1 min。
shield 屏蔽层：通常用于仪表电缆，指施加在绝缘导体外部的导电护层（通常金属），用于降低被屏蔽导体与其他可能受噪声影响或可能产生噪声的导体之间的耦合。
shielding 屏蔽：在潜在噪声源与敏感电路之间使用导电和/或铁磁屏障。屏蔽可用于电缆（数据和电力）及电子电路。
shielding (of utility lines) 公用线路屏蔽：在线路上方设置接地导体或塔体结构拦截雷击，以尽量使雷电流不进入电力系统。
short-duration variation 短时变化：电压有效值偏离标称值，持续时间大于工频半周波且小于等于 1 min。通常再用幅值修饰词（暂降、暂升、中断）以及可能的持续时间修饰词（瞬时、短暂、临时）进一步说明。
signal reference grid (or plane) 信号参考网（或平面）：互连设备之间的导电路径系统，用于把噪声感应电压降低到足以减少误动作的水平。常见形式包括网格和平面。
sustained 持续（持续时间修饰语）：用于描述电压中断时，指长时变化时间范围（即大于 1 min）。
swell 暂升：工频下电压有效值暂时性升高，幅度超过标称值 10%，持续时间 0.5 周波到 1 min。
sympathetic tripping 连带跳闸：未故障馈线部分因对其他位置故障反送电而不必要跳闸。常见于采用灵敏接地保护的场景。
synchronous closing 同步合闸：通常指电容器开关三极与电力系统同步合闸，以减小暂态。
temporary 临时（持续时间修饰语）：用于短时变化持续时间，指 3 s 到 1 min 范围。
total demand distortion (TDD) 总需求畸变：谐波电流 rms 与额定或最大需求基波电流 rms 的比值，以百分数表示。
total disturbance level 总扰动水平：由给定系统内所有设备发射叠加形成的某类电磁扰动总体水平。
total harmonic distortion (THD) 总谐波畸变：谐波含量 rms 与基波量 rms 的比值，以基波百分数表示。
transient 暂态：在两个连续稳态之间、且相对所关注时间尺度较短时间内变化的现象或量。暂态可以是任一极性的单向冲击，也可以是首峰值极性任意的阻尼振荡波。
triplen harmonics 三次倍频谐波：常用于指三次谐波的奇数倍，因为它们天然倾向于属于零序分量，需特别注意。
undervoltage 欠电压（长时变化语境）：电压低于标称值至少 10%，持续时间超过 1 min。在其他语境（如 DG 保护）中，关注时间尺度可能是周波或秒。
voltage change 电压变化：电压 rms 或峰值在两个连续水平之间的变化，这两个水平分别持续一定但未明确说明的时间。
voltage dip 电压跌落：见 sag。
voltage distortion 电压畸变：交流线路电压的畸变。参见 distortion。
voltage fluctuation 电压波动：一系列电压变化或电压包络的周期性变化。
voltage imbalance (unbalance) 电压不平衡：三相电压幅值不同，或偏离正常 120 度相位关系，或两者兼有。常用负序或零序电压与正序电压之比（百分数）表示。
voltage interruption 电压中断：一相或多相供电电压消失。通常应再加术语说明其持续时间（短暂、临时或持续）。
voltage regulation 电压调节（稳压程度）：负荷处 rms 电压的控制程度或稳定程度。常结合输入电压变化、负荷变化或温度变化等参数说明。
voltage magnification 电压放大：电容器投切引起的一次侧振荡暂态电压，在变压器二次侧电容作用下发生放大。
waveform distortion 波形畸变：相对于工频理想正弦波的稳态偏离，其主要特征由偏离成分频谱表征。

2.11 含糊术语（Ambiguous Terms）¶

作者指出，电能质量运动的发展历史中，一直夹杂着相当程度的市场炒作（hype），因为许多设备供应商都在市场中争夺位置。本书试图在电能质量各个方面采用更强的工程化解释，去除炒作和神秘感。营销人员创造了许多色彩化词语来吸引潜在客户购买产品。不幸的是，许多这类术语是含糊的，不能用于技术定义。

例如，“power surge（电源浪涌）”到底是什么？这个词几乎可能在某些场景下被用来描述本书讨论的每一种扰动现象。真正“浪涌”的到底是功率（power）吗？还是仅仅是电压（voltage）？功率与电压和电流的乘积相关。通常，导致观察到扰动的是电压，而由此产生的功率变化并不一定与电压成正比。因此，解决方案通常是校正或限制电压，而不是去“处理功率本身”。所以，下列术语在描述事件和确定解决方案方面基本没有技术意义（原书列表示例）：

Blackout
Glitch
Blink
Outage
Brownout
Interruption（若不限定语境）
Bump
Power surge
Clean ground
Raw power
Clean power
Spike
Dirty ground
Surge
Dirty power
Wink

作者不鼓励在描述电能质量现象时不加限定地使用这些词。应尽可能使用标准术语；如果必须使用非标准术语，应附带适当解释。

2.12 CBEMA 与 ITI 曲线（CBEMA and ITI Curves）¶

在用于表示电能质量的数据展示形式中，最常使用的一种是所谓的 CBEMA 曲线（CBEMA curve）。图 2.15 给出了我们在分析电能质量监测结果时常用的一部分曲线（改编自 IEEE Standard 446）。该曲线最初由 CBEMA 开发，用于描述大型计算机设备对电压变化幅值与持续时间的耐受能力。虽然很多现代计算机的耐受能力已经超过该曲线，但这条曲线已经成为用于电力系统中敏感设备的一个标准设计目标，也成为报告电能质量变化数据的一种常用格式。

Figure 2.15 A portion of the CBEMA curve commonly used as a design target for equip- ment and a format for reporting power quality variation data.

该图的坐标轴分别代表事件的幅值和持续时间。包络线以下的点，被认为会因能量不足而导致负荷掉电（drop out）。包络线以上的点，被认为会导致其他故障，如绝缘失效、过压跳闸和过励磁。上边界曲线实际上定义到了 0.001 周波，在该点对应电压约为 375%。由于电能质量监测仪器的限制，以及对亚周波时间尺度下幅值定义存在分歧，作者团队通常只在 0.1 周波及以上范围使用该曲线。

CBEMA 组织已被 ITI 所取代，并发展出了一条经修改的曲线，专门适用于常见 120 V 计算机设备（见图 2.16）。其概念与 CBEMA 曲线相似。尽管 ITI 曲线是为 120 V 计算机设备开发的，但和它的前身 CBEMA 曲线一样，也被用于一般电能质量评估。

本书在后文中将这两条曲线都作为参考，用于定义各种负荷和保护装置在电能质量变化下的承受能力（withstand capability）。在展示大量电能质量监测数据时，作者经常在“幅值-持续时间”图上增加第三个轴，用来表示某个预定义幅值/持续时间单元内的事件数量。如果只使用图 2.16 那样的二维视图，随着时间推移，图会逐渐变成一团实心点块，难以使用。

Figure 2.16 ITI curve for susceptibility of 120-V computer equipment.

2.13 参考文献（References）¶

本节为第 2 章引用的标准与文献目录（IEC、IEEE、NFPA、UIE、ITI 等）。翻译时建议保留原编号与英文标题，以便后续核对标准条文与版本。

TC77WG6 (Secretary) 110-R5, Draft Classification of Electromagnetic Environments, January 1991.
IEEE Standard 1159-1995, Recommended Practice on Monitoring Electric Power.
IEC 50 (161), International Electrotechnical Vocabulary, chap. 161: “Electromagnetic Compatibility,” 1989.
UIE-DWG-3-92-G, Guide to Quality of Electrical Supply for Industrial Installations—Part 1: General Introduction to Electromagnetic Compatibility (EMC)

Types of Disturbances and Relevant Standards.Advance UIE Edition. “Disturbances” Working Group GT 2.
UIE-DWG-2-92-D, UIE Guide to Measurements of Voltage Dips and Short Interruptions Occurring in Industrial Installations.
IEC 61000-2-1(1990-05), “Description of the Environment—Electromagnetic Environment for Low Frequency Conducted Disturbances and Signaling in Public Power Supply Systems,” Electromagnetic Compatibility (EMC)—Part 2, Environment, Section 1, 1990.
ANSI/NFPA70-1993, National Electrical Code.
IEEE Standard 100-1992, IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronic Terms.
IEEE Standard 446-1987, IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications (IEEE Orange Book).
Information Technology Industry Council (ITI), 1250 Eye Street NW, Suite 200, Washington, D.C. (http://www.itic.org).
IEC 61000-4-30 77A/356/CDV, Power Quality Measurement Methods, 2001.

IEC 61000-4-15, Flicker Meter—Functional and Design Specifications, 1997.

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原著信息：《Electrical Power Systems Quality, Second Edition》，原著作者（常见版权页署名）：Roger C. Dugan、Mark F. McGranaghan、Surya Santoso、H. Wayne Beaty。本译文仅供个人学习与学术交流使用，严禁以任何形式用于商业目的（包括但不限于销售、授权、付费传播、商业培训等）。本文档不代表原作者或出版社观点，书名、作者名及相关版权均归原权利人所有。

电能质量-第02章 术语与定义