闪烁测量仪的性能要求与校验方法

吴洁

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

1 引言

电压波动和闪烁的测量是电磁兼容（EMC）测量中的一个常规项目，也是电能质量检测中的一个重要项目（在电能质量检测标准中，将之称为电压波动和闪变），尤其是闪烁的测量更是让大多数检测工程师弄不清其所以然，闪烁测量仪的校准在各个实验室也往往得不到很好的实施，国内绝大多数校准实验室也无完全的校准能力，校准参数常常只有电压、电流等基本参数，根本不能反映仪器对电压波动和闪烁测量的准确度。而目前行业中所使用的该类仪器多种多样，笔者发现有些厂商的仪器不一定符合标准的要求。因此，本文就该类仪器的校准与验证进行了介绍与探讨。

根据ISO/IEC 17025《检测和校准实验室能力认可准则》的要求，用于检测、校准和抽样的设备及其软件应达到要求的准确度，并符合检测和/或校准相应的规范要求。对结果有重要影响的仪器的关键量或值，应制定校准计划。设备在投入服务前应进行校准或核查，以证实其能够满足实验室的规范要求和相应的标准规范。对某些校准目前尚不能严格按照SI单位进行的情况，要求应通过对适当测量标准的溯源来提供测量的可信度，例如：

1）使用有能力的供应者提供的有证标准物质（参考物质）来对某种材料给出可靠的物理或化学特性；

2）使用规定的方法和/或被有关各方接受并且描述清晰的协议标准。

可能时，要求参加适当的实验室间比对计划。

因此，无论是校准实验室，还是检测实验室，我们都应设法对电压波动和闪烁的测量参数进行适当的校准或验证，以确定仪器是否满足相应的标准要求。

2 电压波动和闪烁测量需要校准的测量参数与准确度要求

电压波动和闪烁的测量依据的标准为GB 17625.2/IEC 61000-3-3和GB 12326，闪烁测量仪的功能与设计规范标准为IEC 61000-4-15。因此，我们可以根据这两个标准来分析电压波动和闪烁仪的准确度要求和校准方法，以及进行验证的方法。

电压波动和闪烁测量主要有5个参数，即dc、dmax、d（t）的时间t、短期闪烁Pst和长期闪烁Plt，由于Plt是由Pst计算而来，所以不存在测量的问题，电压变化d的测量是由电流乘参考阻抗而得到的。

因此，根据标准的要求，需要校准的主要参数及其准确度要求应为：

电流I：优于±1%；

电压变化d：优于±8%；

时间t：标准没有规定，总的结果优于±8%，因此也可以假定为±8%（这个不难达到）；

短期闪烁Pst：优于±5%；

参考 阻 抗： R=0.24 Ω+0.16 Ω，jX=0.15 Ω+0.10 Ω (50 Hz)，保证系统结果优于±8%；

电压U：标准没有规定，可以假定为优于±1%。

电压、电流和时间等参数的测量与校准是比较容易的，因此，关键是相对电压变化dc和最大电压变化dmax（dc、dmax，下面统一简称为电压变化d）和短期闪烁Pst，以及参考阻抗的校准。因为参考阻抗的问题涉及到源阻抗的问题，在源阻抗足够小的情况下，单独校准串联在测量电路中的阻抗是一种可行的方法，如果源阻抗未知，则只有通过校准电压变化d的参数来验证参考阻抗的准确度。

下面就电压变化d和短期闪烁Pst的校准进行分析。

3 相对电压变化的d评定与校准

电压波动和闪烁测量原理如图1所示，根据标准的要求，源的阻抗应足够小，这样参考阻抗就应为上述规定的参数值。

图1 电压波动和闪烁测量原理简路

闪烁评定是依据受试设备端电压变化的波形来确定的，即任意两个连续的相邻电压U（t1）和U（t2）的差：

电压有效值U（t1）、U（t2）可通过测量或计算得出，当通过示波器波形推算出有效值时应考虑可能存在的波形失真，电压变化△U是由于受试设备复数基波输入电流△I的变化在复数参考阻抗Z上产生的压降变化而引起的，△Ip和△Iq分别是电流变化△I中的有功和无功部分。

（注：1)Iq在电流滞后时为正，超前时为负；

2)如果电流 I（t1）和 I（t2）的谐波失真率小于 10%，则总的有效值可用来替代基波电流的有效值。）

式中：△Ip、Iq——分别表示电流变化△I中的有功和无功部分；

R、X——是复数参考阻抗Z的组成部分，如图1所示。

电压变化：d=△U/Un。

因此，相对电压变化dc的校准完全可以通过测量一个阻性负载的电流来进行校准。

下面举例说明：

假设负载电流I=10 A，额定电压Un=230 V，

则通过计算得到:

因此，电压波动和闪烁测量仪测量的结果应在2.04%*（1±8%），即1.88%～2.21%之间。 否则，仪器的准确度就不满足标准要求。

而最大电压变化dmax的校准则可以通过用示波器采样实时的电压变化波形来计算△Umax，从而计算出dmax。

通过上述方法，校准实验室可以选择不同的阻性负载和已知的感性或容性负载等来对电压波动和闪烁测量仪在整个电压变化d的测量量程上进行校准，同时参考阻抗的符合性也得到了校准。检测实验室也可以选择不同的阻性负载按上述方法对仪器的电压变化d的测量准确度进行简单的验证。

4 短期闪烁Pst的校准与验证

评定闪烁危害程度有不同的方法，包括利用闪烁测量仪的直接测量法到采用由标准给出的数学分析法和Pst=1曲线法等，采用符合IEC 61000-4-15标准的闪烁测量仪进行直接测量才是符合性测试的参考方法。

为了便于理解，下面介绍几个概念：

4.1 瞬时闪烁感受度S（t）

瞬时闪烁感受度S（t）反映了人的瞬时闪烁视感水平，它是电压波动的波形、频度、大小等综合作用的结果，它随时间变化的曲线是对闪烁水平评估衡量的依据。通常规定闪烁觉察率F=50%为瞬时闪烁视感度的衡量单位，称为S（t）=1觉察单位。若s（t）＞1觉察单位，说明实验观察者中有更多的人对灯光闪烁有明显感觉。一般规定S（t）=1为闪烁感受限值或参考值。

4.2 短期闪烁Pst

短期闪烁Pst的观察周期典型值T=10 min，其计算方法为：首先，对测量的瞬时闪烁视感度分级处理，并计算各级瞬时闪烁感受度的持续时间占总检测时间长度的百分比（也称为时间——水平统计法），获得概率直方图；然后，作出累积概率函数曲线；最后，利用CPF曲线上的5个概率分布水平值P（k=0.1，1，3，10，50）计算出短期闪烁Pst水平值。

因此，短期闪烁Pst的测量是以瞬时闪烁感受度为依据，采用统计法来评估计算出来的。

闪烁测量仪实际上是一个用电网载频输入进行工作的专用幅度调制分析仪，用以模拟人对电网中工作在交流电压下的60 W的螺旋灯丝的白炽灯在电压波动的情况下所产生的闪烁的感受程度，作为人眼和脑的感受参考值，再以所谓 “灯—眼—脑”的简易模型，将输入电压闪烁信号转换成大小正比于一等效电压变化量的输出——即瞬时闪烁感受度函数S（t）。S（t）为单位1时代表可感受限值，不同频率正弦波电压变化中以中心值8.8 Hz加权值最大。如表1所示，闪烁强弱与电压波动频率有很大关系，闪变的一般觉察频率范围为1-25 Hz；闪变的最大觉察频率范围为0.05～35 Hz，其上下限值称为截止频率，上限值又称为停闪频率，即高于这一频率的闪变人眼是感觉不到的；闪变的敏感频率范围为6-12 Hz；当变化频率为8.8 Hz时，电压变化仅0.25%产生S（t）的值即为1.0，即8.8 Hz为最大敏感频率。

闪烁仪测量仪的测量原理框图见图2。

图2 闪烁仪测量模型简化框图

在简化框图中，框1为输入级，它除了对输入电压变化进行采样转化成仪器内部的测量电压外，还提供一个用于S（t）自校准的调制电压信号。框2、3和4模拟了 “灯—眼—脑”对电压波动产生的闪烁的瞬时反应。其中框2对采样的电压变化量进行解调，获得与电压变化成线性关系的电压，框3通过频带为0.05～35 Hz的带通滤波器加权，反应人对60 W钨丝灯在不同的频率、不同的电压变化幅度情况下的照度变化的敏感程度，框4通过一个平方器和时间常数为300 ms的低通滤波器，模拟 “灯—眼—脑”对灯照度变化的瞬时非线性的响应和记忆效应，即瞬时闪烁感受度S（t）。框5通过对瞬时闪烁感受度S（t）在线统计分析，采用累积概率函数的方法，对闪烁感受度S（t）进行分级，统计在一个测试周期内某一等级S（t）值所持续的时间，再求出该等级及以下的累积时间与测试周期之比，作累积概率曲线，从而用统计方法计算出短期闪烁值Pst，即框5的输出。

表1 正弦波电压波动的闪烁仪的S（t）归一化响应

对于IEC 61000-4-15标准中规定的上述传递函数模型，不同的仪器生产商所采用的方法和技术也不尽相同，但是不管方式如何，最后的测量结果——短期闪烁Pst的测量结果的输出必须满足标准规定的±5%的准确度要求。

完整的闪烁仪性能校验程序应包括以下两个方面：

（1）分别用正弦波和方波调制产生的电压波动来校验闪烁仪的单位瞬时闪烁感受度S（t）=1，即用IEC61000-3-15标准中的表1和表2来校验S（t）的归一化的响应

（2）用方波调制产生的电压波动来校验闪烁仪的短期闪烁单位闪烁曲线（Pst=1），即用IEC 61000-3-15标准中的表5来校验短期闪烁Pst的响应

这3个表正是确定闪烁测量仪是否符合标准中所规定的测量精度要求的依据，分别如表1、表2和表3所示。

实际上，从仪器校准的角度来讲，由于对应表1和表2的闪烁仪的S（t）归一化响应，一般是仪器生产商在仪器设计和生产过程中应进行的校准，对于一般用户和测试者，得到的是最终统计分析输出的短期闪烁Pst的测量结果，因此，只需要对闪烁测量仪短期闪烁Pst的测量结果按表3的方波电压波动的Pst=1响应进行校准就可以了。方波电压波动变化示意图如图3所示。

表2 方波电压波动的闪烁仪的S（t）归一化响应

表3 闪烁测量仪性能规范——方波电压波动的Pst=1响应

因此，从中不难看出，Pst的校准其实是不难实现的，只需要一台可以程控的稳压源，按照表3的方波电压波动幅度来依次设定，每分钟按照相应的变化次数进行输出，然后用被校验的闪烁仪进行10 min测量，将测量结果Pst与单位1进行比较，如果测量值在0.95-1.05之间，则认为仪器符合标准的要求。

图3 方波电压波动变化示意图

另外，对于表3中给定的电压波动幅度，应该按一定的系数增减，而变化频率不变，则应得到相应的系数的Pst值也应该在±5%内。

下面举例说明，注意额定电压为230 V。

a）设定电压的波动幅度为2.274%，即变化幅度为5.23 V，每分钟变化1次，10分钟内变化10次，则闪烁仪的测量值应在0.95-1.05之间。

b）设定电压的波动幅度为2.211%，即变化幅度为5.08 V，每分钟变化2次，10分钟内变化20次，则闪烁仪的测量值应在0.95-1.05之间。

另外，还应该对设定电压的波动幅度增减一定的系数，如系数3，乘2.274%，得到6.822%，即变化幅度为15.69 V，每分钟变化1次，10分钟内变化10次，则闪烁仪测量值应在3.0*（1±5%）内依次进行，则可以完整地对Pst进行校准。

同样地，对于检测实验室来说，只需要一台可以手动控制的稳压源，按上述步骤进行操作，就可以完成对闪烁仪Pst的验证了。

4 结束语

从上面的介绍和分析来看，电压波动和闪烁测量仪的校准其实不是一件很复杂、不能实现的工作，一般的校准实验室应该能够确立其校准能力，而检测实验室对电压波动和闪烁测量设备的准确度的验证也是一件容易实现的工作。

[1]GB 17625.2-2007，电磁兼容 限值 对每相额定电流≤16 A且无条件接入的设备在公共低电压供电系统中产生的电压变化、电压波动和闪烁的限制 [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，电能质量 电压波动和闪变 [S].