閃爍測量儀的性能要求與校驗(yàn)方法

吳潔

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

1 引言

電壓波動(dòng)和閃爍的測量是電磁兼容（EMC）測量中的一個(gè)常規(guī)項(xiàng)目，也是電能質(zhì)量檢測中的一個(gè)重要項(xiàng)目（在電能質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)中，將之稱為電壓波動(dòng)和閃變），尤其是閃爍的測量更是讓大多數(shù)檢測工程師弄不清其所以然，閃爍測量儀的校準(zhǔn)在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室也往往得不到很好的實(shí)施，國內(nèi)絕大多數(shù)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室也無完全的校準(zhǔn)能力，校準(zhǔn)參數(shù)常常只有電壓、電流等基本參數(shù)，根本不能反映儀器對電壓波動(dòng)和閃爍測量的準(zhǔn)確度。而目前行業(yè)中所使用的該類儀器多種多樣，筆者發(fā)現(xiàn)有些廠商的儀器不一定符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，本文就該類儀器的校準(zhǔn)與驗(yàn)證進(jìn)行了介紹與探討。

根據(jù)ISO/IEC 17025《檢測和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》的要求，用于檢測、校準(zhǔn)和抽樣的設(shè)備及其軟件應(yīng)達(dá)到要求的準(zhǔn)確度，并符合檢測和/或校準(zhǔn)相應(yīng)的規(guī)范要求。對結(jié)果有重要影響的儀器的關(guān)鍵量或值，應(yīng)制定校準(zhǔn)計(jì)劃。設(shè)備在投入服務(wù)前應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)或核查，以證實(shí)其能夠滿足實(shí)驗(yàn)室的規(guī)范要求和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。對某些校準(zhǔn)目前尚不能嚴(yán)格按照SI單位進(jìn)行的情況，要求應(yīng)通過對適當(dāng)測量標(biāo)準(zhǔn)的溯源來提供測量的可信度，例如：

1）使用有能力的供應(yīng)者提供的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（參考物質(zhì)）來對某種材料給出可靠的物理或化學(xué)特性；

2）使用規(guī)定的方法和/或被有關(guān)各方接受并且描述清晰的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

可能時(shí)，要求參加適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)室間比對計(jì)劃。

因此，無論是校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，還是檢測實(shí)驗(yàn)室，我們都應(yīng)設(shè)法對電壓波動(dòng)和閃爍的測量參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男?zhǔn)或驗(yàn)證，以確定儀器是否滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 電壓波動(dòng)和閃爍測量需要校準(zhǔn)的測量參數(shù)與準(zhǔn)確度要求

電壓波動(dòng)和閃爍的測量依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為GB 17625.2/IEC 61000-3-3和GB 12326，閃爍測量儀的功能與設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為IEC 61000-4-15。因此，我們可以根據(jù)這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來分析電壓波動(dòng)和閃爍儀的準(zhǔn)確度要求和校準(zhǔn)方法，以及進(jìn)行驗(yàn)證的方法。

電壓波動(dòng)和閃爍測量主要有5個(gè)參數(shù)，即dc、dmax、d（t）的時(shí)間t、短期閃爍Pst和長期閃爍Plt，由于Plt是由Pst計(jì)算而來，所以不存在測量的問題，電壓變化d的測量是由電流乘參考阻抗而得到的。

因此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要校準(zhǔn)的主要參數(shù)及其準(zhǔn)確度要求應(yīng)為：

電流I：優(yōu)于±1%；

電壓變化d：優(yōu)于±8%；

時(shí)間t：標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定，總的結(jié)果優(yōu)于±8%，因此也可以假定為±8%（這個(gè)不難達(dá)到）；

短期閃爍Pst：優(yōu)于±5%；

參考 阻 抗： R=0.24 Ω+0.16 Ω，jX=0.15 Ω+0.10 Ω (50 Hz)，保證系統(tǒng)結(jié)果優(yōu)于±8%；

電壓U：標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定，可以假定為優(yōu)于±1%。

電壓、電流和時(shí)間等參數(shù)的測量與校準(zhǔn)是比較容易的，因此，關(guān)鍵是相對電壓變化dc和最大電壓變化dmax（dc、dmax，下面統(tǒng)一簡稱為電壓變化d）和短期閃爍Pst，以及參考阻抗的校準(zhǔn)。因?yàn)閰⒖甲杩沟膯栴}涉及到源阻抗的問題，在源阻抗足夠小的情況下，單獨(dú)校準(zhǔn)串聯(lián)在測量電路中的阻抗是一種可行的方法，如果源阻抗未知，則只有通過校準(zhǔn)電壓變化d的參數(shù)來驗(yàn)證參考阻抗的準(zhǔn)確度。

下面就電壓變化d和短期閃爍Pst的校準(zhǔn)進(jìn)行分析。

3 相對電壓變化的d評(píng)定與校準(zhǔn)

電壓波動(dòng)和閃爍測量原理如圖1所示，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，源的阻抗應(yīng)足夠小，這樣參考阻抗就應(yīng)為上述規(guī)定的參數(shù)值。

圖1 電壓波動(dòng)和閃爍測量原理簡路

閃爍評(píng)定是依據(jù)受試設(shè)備端電壓變化的波形來確定的，即任意兩個(gè)連續(xù)的相鄰電壓U（t1）和U（t2）的差：

電壓有效值U（t1）、U（t2）可通過測量或計(jì)算得出，當(dāng)通過示波器波形推算出有效值時(shí)應(yīng)考慮可能存在的波形失真，電壓變化△U是由于受試設(shè)備復(fù)數(shù)基波輸入電流△I的變化在復(fù)數(shù)參考阻抗Z上產(chǎn)生的壓降變化而引起的，△Ip和△Iq分別是電流變化△I中的有功和無功部分。

（注：1)Iq在電流滯后時(shí)為正，超前時(shí)為負(fù)；

2)如果電流 I（t1）和 I（t2）的諧波失真率小于 10%，則總的有效值可用來替代基波電流的有效值。）

式中：△Ip、Iq——分別表示電流變化△I中的有功和無功部分；

R、X——是復(fù)數(shù)參考阻抗Z的組成部分，如圖1所示。

電壓變化：d=△U/Un。

因此，相對電壓變化dc的校準(zhǔn)完全可以通過測量一個(gè)阻性負(fù)載的電流來進(jìn)行校準(zhǔn)。

下面舉例說明：

假設(shè)負(fù)載電流I=10 A，額定電壓Un=230 V，

則通過計(jì)算得到:

因此，電壓波動(dòng)和閃爍測量儀測量的結(jié)果應(yīng)在2.04%*（1±8%），即1.88%～2.21%之間。 否則，儀器的準(zhǔn)確度就不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

而最大電壓變化dmax的校準(zhǔn)則可以通過用示波器采樣實(shí)時(shí)的電壓變化波形來計(jì)算△Umax，從而計(jì)算出dmax。

通過上述方法，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室可以選擇不同的阻性負(fù)載和已知的感性或容性負(fù)載等來對電壓波動(dòng)和閃爍測量儀在整個(gè)電壓變化d的測量量程上進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)參考阻抗的符合性也得到了校準(zhǔn)。檢測實(shí)驗(yàn)室也可以選擇不同的阻性負(fù)載按上述方法對儀器的電壓變化d的測量準(zhǔn)確度進(jìn)行簡單的驗(yàn)證。

4 短期閃爍Pst的校準(zhǔn)與驗(yàn)證

評(píng)定閃爍危害程度有不同的方法，包括利用閃爍測量儀的直接測量法到采用由標(biāo)準(zhǔn)給出的數(shù)學(xué)分析法和Pst=1曲線法等，采用符合IEC 61000-4-15標(biāo)準(zhǔn)的閃爍測量儀進(jìn)行直接測量才是符合性測試的參考方法。

為了便于理解，下面介紹幾個(gè)概念：

4.1 瞬時(shí)閃爍感受度S（t）

瞬時(shí)閃爍感受度S（t）反映了人的瞬時(shí)閃爍視感水平，它是電壓波動(dòng)的波形、頻度、大小等綜合作用的結(jié)果，它隨時(shí)間變化的曲線是對閃爍水平評(píng)估衡量的依據(jù)。通常規(guī)定閃爍覺察率F=50%為瞬時(shí)閃爍視感度的衡量單位，稱為S（t）=1覺察單位。若s（t）＞1覺察單位，說明實(shí)驗(yàn)觀察者中有更多的人對燈光閃爍有明顯感覺。一般規(guī)定S（t）=1為閃爍感受限值或參考值。

4.2 短期閃爍Pst

短期閃爍Pst的觀察周期典型值T=10 min，其計(jì)算方法為：首先，對測量的瞬時(shí)閃爍視感度分級(jí)處理，并計(jì)算各級(jí)瞬時(shí)閃爍感受度的持續(xù)時(shí)間占總檢測時(shí)間長度的百分比（也稱為時(shí)間——水平統(tǒng)計(jì)法），獲得概率直方圖；然后，作出累積概率函數(shù)曲線；最后，利用CPF曲線上的5個(gè)概率分布水平值P（k=0.1，1，3，10，50）計(jì)算出短期閃爍Pst水平值。

因此，短期閃爍Pst的測量是以瞬時(shí)閃爍感受度為依據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)法來評(píng)估計(jì)算出來的。

閃爍測量儀實(shí)際上是一個(gè)用電網(wǎng)載頻輸入進(jìn)行工作的專用幅度調(diào)制分析儀，用以模擬人對電網(wǎng)中工作在交流電壓下的60 W的螺旋燈絲的白熾燈在電壓波動(dòng)的情況下所產(chǎn)生的閃爍的感受程度，作為人眼和腦的感受參考值，再以所謂 “燈—眼—腦”的簡易模型，將輸入電壓閃爍信號(hào)轉(zhuǎn)換成大小正比于一等效電壓變化量的輸出——即瞬時(shí)閃爍感受度函數(shù)S（t）。S（t）為單位1時(shí)代表可感受限值，不同頻率正弦波電壓變化中以中心值8.8 Hz加權(quán)值最大。如表1所示，閃爍強(qiáng)弱與電壓波動(dòng)頻率有很大關(guān)系，閃變的一般覺察頻率范圍為1-25 Hz；閃變的最大覺察頻率范圍為0.05～35 Hz，其上下限值稱為截止頻率，上限值又稱為停閃頻率，即高于這一頻率的閃變?nèi)搜凼歉杏X不到的；閃變的敏感頻率范圍為6-12 Hz；當(dāng)變化頻率為8.8 Hz時(shí)，電壓變化僅0.25%產(chǎn)生S（t）的值即為1.0，即8.8 Hz為最大敏感頻率。

閃爍儀測量儀的測量原理框圖見圖2。

圖2 閃爍儀測量模型簡化框圖

在簡化框圖中，框1為輸入級(jí)，它除了對輸入電壓變化進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化成儀器內(nèi)部的測量電壓外，還提供一個(gè)用于S（t）自校準(zhǔn)的調(diào)制電壓信號(hào)。框2、3和4模擬了 “燈—眼—腦”對電壓波動(dòng)產(chǎn)生的閃爍的瞬時(shí)反應(yīng)。其中框2對采樣的電壓變化量進(jìn)行解調(diào)，獲得與電壓變化成線性關(guān)系的電壓，框3通過頻帶為0.05～35 Hz的帶通濾波器加權(quán)，反應(yīng)人對60 W鎢絲燈在不同的頻率、不同的電壓變化幅度情況下的照度變化的敏感程度，框4通過一個(gè)平方器和時(shí)間常數(shù)為300 ms的低通濾波器，模擬 “燈—眼—腦”對燈照度變化的瞬時(shí)非線性的響應(yīng)和記憶效應(yīng)，即瞬時(shí)閃爍感受度S（t）?？?通過對瞬時(shí)閃爍感受度S（t）在線統(tǒng)計(jì)分析，采用累積概率函數(shù)的方法，對閃爍感受度S（t）進(jìn)行分級(jí)，統(tǒng)計(jì)在一個(gè)測試周期內(nèi)某一等級(jí)S（t）值所持續(xù)的時(shí)間，再求出該等級(jí)及以下的累積時(shí)間與測試周期之比，作累積概率曲線，從而用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出短期閃爍值Pst，即框5的輸出。

表1 正弦波電壓波動(dòng)的閃爍儀的S（t）歸一化響應(yīng)

對于IEC 61000-4-15標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的上述傳遞函數(shù)模型，不同的儀器生產(chǎn)商所采用的方法和技術(shù)也不盡相同，但是不管方式如何，最后的測量結(jié)果——短期閃爍Pst的測量結(jié)果的輸出必須滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±5%的準(zhǔn)確度要求。

完整的閃爍儀性能校驗(yàn)程序應(yīng)包括以下兩個(gè)方面：

（1）分別用正弦波和方波調(diào)制產(chǎn)生的電壓波動(dòng)來校驗(yàn)閃爍儀的單位瞬時(shí)閃爍感受度S（t）=1，即用IEC61000-3-15標(biāo)準(zhǔn)中的表1和表2來校驗(yàn)S（t）的歸一化的響應(yīng)

（2）用方波調(diào)制產(chǎn)生的電壓波動(dòng)來校驗(yàn)閃爍儀的短期閃爍單位閃爍曲線（Pst=1），即用IEC 61000-3-15標(biāo)準(zhǔn)中的表5來校驗(yàn)短期閃爍Pst的響應(yīng)

這3個(gè)表正是確定閃爍測量儀是否符合標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的測量精度要求的依據(jù)，分別如表1、表2和表3所示。

實(shí)際上，從儀器校準(zhǔn)的角度來講，由于對應(yīng)表1和表2的閃爍儀的S（t）歸一化響應(yīng)，一般是儀器生產(chǎn)商在儀器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中應(yīng)進(jìn)行的校準(zhǔn)，對于一般用戶和測試者，得到的是最終統(tǒng)計(jì)分析輸出的短期閃爍Pst的測量結(jié)果，因此，只需要對閃爍測量儀短期閃爍Pst的測量結(jié)果按表3的方波電壓波動(dòng)的Pst=1響應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)就可以了。方波電壓波動(dòng)變化示意圖如圖3所示。

表2 方波電壓波動(dòng)的閃爍儀的S（t）歸一化響應(yīng)

表3 閃爍測量儀性能規(guī)范——方波電壓波動(dòng)的Pst=1響應(yīng)

因此，從中不難看出，Pst的校準(zhǔn)其實(shí)是不難實(shí)現(xiàn)的，只需要一臺(tái)可以程控的穩(wěn)壓源，按照表3的方波電壓波動(dòng)幅度來依次設(shè)定，每分鐘按照相應(yīng)的變化次數(shù)進(jìn)行輸出，然后用被校驗(yàn)的閃爍儀進(jìn)行10 min測量，將測量結(jié)果Pst與單位1進(jìn)行比較，如果測量值在0.95-1.05之間，則認(rèn)為儀器符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖3 方波電壓波動(dòng)變化示意圖

另外，對于表3中給定的電壓波動(dòng)幅度，應(yīng)該按一定的系數(shù)增減，而變化頻率不變，則應(yīng)得到相應(yīng)的系數(shù)的Pst值也應(yīng)該在±5%內(nèi)。

下面舉例說明，注意額定電壓為230 V。

a）設(shè)定電壓的波動(dòng)幅度為2.274%，即變化幅度為5.23 V，每分鐘變化1次，10分鐘內(nèi)變化10次，則閃爍儀的測量值應(yīng)在0.95-1.05之間。

b）設(shè)定電壓的波動(dòng)幅度為2.211%，即變化幅度為5.08 V，每分鐘變化2次，10分鐘內(nèi)變化20次，則閃爍儀的測量值應(yīng)在0.95-1.05之間。

另外，還應(yīng)該對設(shè)定電壓的波動(dòng)幅度增減一定的系數(shù)，如系數(shù)3，乘2.274%，得到6.822%，即變化幅度為15.69 V，每分鐘變化1次，10分鐘內(nèi)變化10次，則閃爍儀測量值應(yīng)在3.0*（1±5%）內(nèi)依次進(jìn)行，則可以完整地對Pst進(jìn)行校準(zhǔn)。

同樣地，對于檢測實(shí)驗(yàn)室來說，只需要一臺(tái)可以手動(dòng)控制的穩(wěn)壓源，按上述步驟進(jìn)行操作，就可以完成對閃爍儀Pst的驗(yàn)證了。

4 結(jié)束語

從上面的介紹和分析來看，電壓波動(dòng)和閃爍測量儀的校準(zhǔn)其實(shí)不是一件很復(fù)雜、不能實(shí)現(xiàn)的工作，一般的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該能夠確立其校準(zhǔn)能力，而檢測實(shí)驗(yàn)室對電壓波動(dòng)和閃爍測量設(shè)備的準(zhǔn)確度的驗(yàn)證也是一件容易實(shí)現(xiàn)的工作。

[1]GB 17625.2-2007，電磁兼容 限值 對每相額定電流≤16 A且無條件接入的設(shè)備在公共低電壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓變化、電壓波動(dòng)和閃爍的限制 [S].

[2]IEC 61000-3-3-2005，Electromagnetic compatibility（EMC）-Part 3-3:Limits-limitation of voltage changes，voltage fluctuations and flicker in public low-voltage supply systems，for equipment with rated current≤16 A per phase and not subject to conditional connection[S].

[3]IEC61000-3-3-5-2005，Electromagneticcompatibility（EMC）-Part 3-5：Limits-limitation of voltage fluctuations and flicker in low-voltage power supply systems for equipment with rated current greater than 75 A[S].

[4]IEC 61000-3-7-2005，Electromagnetic compatibility（EMC）-Part 3-7：Limits-assessment of emission limits for the connection of fluctuating installations to MV，HV and EHV power systems[S].

[5]IEC61000-4-15-2003，Electromagneticcompatibility（EMC）-Part 4:Testing and measurement techniques section 15:flickermeter-functional and design specifications [S].

[6]GB 12326-2000，電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變 [S].