電力諧波故障排查

電力諧波故障排查—使用萬用表和電流鉗進行基本故障排查在今天的辦公樓宇和生產工廠中會發(fā)生一些神秘的現(xiàn)象，為表面上看來的平均負載供電的變壓器產生了過熱，平衡電路中的中線因負載過大而發(fā)生過熱，斷路器在沒有明顯原因的情況下而脫扣。但標準的故障排查顯示，所有情況都是正常的。問題究竟出在哪里？簡言之，原因就是諧波。1、新的技術，新的挑戰(zhàn)諧波是現(xiàn)代電子技術的副產物。在存在大量個人計算機、可調速驅動器和其它以短脈沖形式吸收電流的設備的場合，諧波現(xiàn)象尤其突出。這種設備在設計上僅在進線電壓波形的受控制部分吸入電流。雖然這種方式會顯著提高效率，但它會在負載電流中引起諧波。諧波會引起變壓器和中線導體過熱，并使斷路器脫扣。如果您收聽一條普通50Hz電力線的音頻聲，您只會聽到單音交流聲。當存在諧波時，您就會聽到不同的音頻，其中包含很多高音調。在您查看波形時，這一問題更加明顯。一個標準50Hz電力線電壓在示波器上表現(xiàn)為接近正弦波（圖1）。當存在諧波時，波形發(fā)生失真（圖2A和2B）。這些波形表現(xiàn)為非正弦形式。電壓和電流波形不再具有簡單關系，因此采用“非線性”這個術語。圖2B失真的電壓波形圖2B失真的電壓波形圖2A失真的電流波形2、找到問題根源一旦您知道去尋找什么以及何處去尋找，問題的查找就相對比較容易。諧波征兆通常并不難于確定。本應用說明就如何查找諧波提供了一些基本指導，并提供了解決諧波所帶來問題的一些建議。3、諧波來源確定問題諧波是頻率為基本電源頻率的整數(shù)倍的電流或電壓。例如，如果基頻為50Hz,那么二次諧波為100Hz，三次諧波為150Hz，等等。諧波由以突發(fā)脈沖方式而不是以平穩(wěn)的正弦波方式吸入電流的非線性負載所產生。這些脈沖可引起失真電流波形，而這種失真電流波形反過來又會引起諧波電流流回電源系統(tǒng)的其它部分中。問題原因這種現(xiàn)象在具有二極管-電容器輸入電源的設備中表現(xiàn)尤為突出，即個人計算機、打印機何醫(yī)療測試設備等。在這些設備中，輸入的交流電壓經過二極管整流，隨后被用于為一個大電容器充電。在幾個周期之后，電容器被充電到正弦波的峰值電壓（例如，對于120V的交流電源線路來說為170V）。電子設備隨后從這一較高直流電壓吸入電流，以便為電路的其余部分供電。設備可以吸收直至一個經過調節(jié)的低限值的電流。通常，在到達該限值之前，電容器被重新充電到正弦波下個半周期中的峰值。這一過程反復進行。電容器基本上僅在波形的峰值期間吸收一個電流脈沖。在波形的其余部分，當電壓低于電容器的剩余值時，電容器就不會吸入電流。辦公設備中存在的二極管/電容器電源通常為單相、非線性負載（圖3A）。在工廠中，諧波電流的最常見原因是三相非線性負載，包括電子式電機驅動器以及不間斷電源(UPS)(圖3B)。5G0Ft；GSVOFFT>iflAr-i(UPS)(圖3B)。5G0Ft；GSVOFFT>iflAr-ioiv白5hYDCSKEWIIieiverrTr4UTD【Yai血協(xié)DC0吧4珂3ir?LErii i~圖3A單相非線性負載電流波形圖3B三相非線性負載電流波形4、電壓諧波電力線本身可能是電壓諧波的一個間接來源。由非線性負載吸收的諧波電流通過歐姆定律關系與供電變壓器的源阻抗發(fā)生作用，從而產生電壓諧波。源阻抗包括供電變壓器和分支電路部件。例如，從一個0.1Q阻抗源吸收的10A諧波電流將會產生1.0V的諧波電壓。任何共享帶有很高諧波負載的供電變壓器或分支電路的負載，都可能受到所產生的電壓諧波的影響。個人計算機可能受到電壓諧波影響。二極管/電容器電源的性能基本上取決于峰值電壓的大小。電壓諧波會引起電壓波形的“平頂”從而降低峰值電壓（參見圖2B）。情況嚴重時，計算機可能會因峰值電壓不足而發(fā)生重啟。在工業(yè)環(huán)境中，感應電機和功率因數(shù)校正電容器也可能受到電壓諧波的嚴重影響。功率因數(shù)校正電容器可與配電系統(tǒng)的感性部分構成一個諧振電路。如果諧振頻率接近諧波電壓的頻率，則所產生的諧波電流就會顯著增加，從而使電容器過載，并使電容器熔絲燒斷。幸運的是，電容器故障會使電路解諧，諧振隨即消失。5、諧波電流效應諧波征兆通常會在支持非線性負載的配電設備中顯現(xiàn)。有兩種類型非線性負載：單相和三相。單相非線性負載常見于辦公設備中，而三相非線性負載則在工廠中廣泛存在。配電系統(tǒng)的每個部件都略微不同地顯示出諧波的效應，但是，如果在設計上不能夠處理電子負載就會產生破壞作用，并使性能下降。中線在三相四線制系統(tǒng)中，中線可能會受到與120V分支電路相連的非線性負載的嚴重影響。在平衡線性負載的正常情況下，相電流的基頻60Hz部分將在中線中抵消。在帶有單相、非線性負載的四線制系統(tǒng)中，一些稱為三次諧波序列的奇次諧波（3次、9次、15次等）不會抵消，而是在中線上相加在一起。在具有很多單相非線性負載的系統(tǒng)中，中線電流實際上可能會超過相電流。這樣的危險是會發(fā)生過熱，因為與相線不同，在中線中沒有限制電流的斷路器。中線中的過高電流也可能會引起120V插座處中線和接地端之間超過正常值的電壓降。5.2斷路器常見的熱磁式斷路器采用一種雙金屬脫扣機構，該機構可對電流電流的熱效應產生響應。它們在設計上可響應電流波形的真有效值，并會在脫扣機構變得過熱時發(fā)生脫扣。這種斷路器具有很好的諧波電流過載保護能力。峰值檢測電子式脫扣斷路器可對電流波形的峰值產生響應。因此，它不是總會正確響應諧波電流。由于諧波電流的峰值通常高于正常值，因此，這種斷路器可能會在較低的電流下提前脫扣。如果峰值低于正常值，則斷路器可能無法在應該脫扣時進行脫扣。母排和連接接頭零線母排和連接接頭的規(guī)格設計可攜帶滿數(shù)值額定相電流。當中線因三次諧波序列的附加總和而發(fā)生過載時，它們就可能就會過載。配電盤設計用于攜帶60Hz電流的配電盤可能會與由高頻諧波電流產生的磁場發(fā)生機械共振。發(fā)生這種情況時，配電盤會發(fā)生振動，并以諧波頻率發(fā)出嗡嗡聲。電信電信系統(tǒng)經常會為您提供諧波問題的首個線索，因為其電纜可能會緊挨著電源電纜進行布置。為將來自相電流的感性干擾降到最低程度，要將電信電纜緊靠中線布置。中線中的三次諧波序列一般會引起感性干擾，這種干擾可在電話線路中聽到。這經常是諧波問題的第一個指示，您可以從這一點開始，在問題引起嚴重損壞之前將它檢測到。變壓器商業(yè)樓宇一般采用具有星三角連接配置的380/220V變壓器。這些變壓器一般為樓宇中的電源插座饋電。與插座相連的單相非線性負載會產生三次諧波序列，它們在中線上相加在一起。當這個中線電流到達變壓器時，它就被反射到三角連接初級繞組中，并引起過熱和變壓器故障。

另外一個變壓器問題來自鐵損和銅損。變壓器通常僅針對50Hz相電流負載制定額定值。更高頻率的諧波電流會因渦流和磁滯而使鐵損增加,從而與50Hz電流相比會產生更多熱量。中域由于這些熱效應，要求針對諧波負載而將變壓器降額，或者使用具有特殊設計的變壓器發(fā)電機備用發(fā)電機會產生與變壓器相同的這種過熱問題。由于它們?yōu)楫a生諧波的負載(如數(shù)據(jù)處理設備)提供緊急備用電源,因此它們常常更易受到影響。除過熱之外,某些類型諧波還會在電流波形的零點交叉處產生失真,從而引起發(fā)電機控制電路的干擾和不穩(wěn)定。6、諧波的分類每個諧波都具有一個名稱、頻率和順序。順序是指相對于基頻(F)的相序，也就是說，在感應電機中,一個正序諧波將會產生與基頻的相序方向相同的磁場。一個負序諧波將會產生相反方向的磁場。下面列出了前9個諧波及它們的效應：7、查找諧波進行一次諧波調查是確定是否存在問題以及問題發(fā)生在何處的很好方法。下面是需要遵循的指南。負載清點對設施進行一次巡檢，注意正在使用中的設備類型。如果具有大量個人計算機和打印機、可調速電機、固態(tài)加熱器控制器以及某些類型的熒光燈照明裝置，則極有可能存在諧波。變壓器發(fā)熱檢查找到為非線性負載供電的變壓器，并檢查是否存在過熱。還要確保冷卻通風口沒有被阻擋。變壓器次級電流使用一個三相真有效值電力質量分析儀來檢查電壓器電流。確認鉗形表的電壓額定值對于被測試的變壓器是足夠的。測量并記錄每相及中線（如果使用）中的變壓器次級電流。將輸送給負載的kVA與銘牌上的數(shù)值進行比較。（如果存在諧波電流，即使輸送的kVA小于銘牌額定值，變壓器也可能會過熱。）通過三相分析儀的k因子測量來確定是否降容或更換變壓器。測量中線電流的頻率。150Hz是主要包含三次諧波的中線電流的典型讀數(shù)。子配電盤中線電流檢查檢查為諧波負載饋電的子配電盤。測量每個支路中線中的電流，并將測量值與所用導線規(guī)格的額定容量進行比較。檢查零線母排饋線接頭有無過熱或脫色現(xiàn)象?？梢允褂靡粋€非接觸式紅外溫度計（如Fluke61）來檢測母排和接頭上的過熱情況。插座中線對地電壓檢查插座分支電路中的中線過載有時可通過測量插座上的中線對地電壓來檢測。在負載通電時測量電壓。2V或更低數(shù)值基本正常。更高的電壓值可能說明存在與電纜布線長度、接頭質量等有關的故障。測量頻率。180Hz的頻率強烈表明存在諧波，而60Hz則表明各相失去平衡。特別注意地毯下面的接線以及帶有集成接線裝置（使用由三相導體共用的中線）的模塊化辦公設備配電盤。由于這兩個區(qū)域中的典型負載為計算機和其它辦公設備，因此，它們常常成為過載中線的故障點。8、故障排查工具為了確定是否存在諧波問題，需要測量波形的真有效值和瞬時峰值。對于單相應用，您需要使用像Fluke335、336或337這樣的鉗形表，或者使用像Fluke80、170和180系列那樣可進行真有效值測量的萬用表。對于三相應用，您需要使用像Fluke430系列這樣的電力質量分析儀?！罢嬗行е怠笔侵妇礁担螂娏骰螂妷翰ㄐ蔚牡刃嶂??！罢妗笔菫榱伺c通過“平均響應”儀表所進行的測量區(qū)分開。大多數(shù)低成本的便攜式儀表都是平均響應儀表。這些儀表僅針對純正弦波給出正確讀數(shù)，在面對失真的電流波形時，讀數(shù)通常偏低達50%。真有效值儀表可針對處于儀表的波峰因數(shù)和帶寬技術參數(shù)范圍內的任意波形給出正確讀數(shù)。波峰因數(shù)。一個波形的波峰因數(shù)是峰值與有效值之比。對于正弦波來說，波峰因數(shù)為1.414。真有效值儀表具有一個波峰因數(shù)技術參數(shù)。此參數(shù)與可無錯誤地測量的峰值大小有關。一個優(yōu)質真有效值數(shù)字式手持萬用表具有3.0的滿刻度波峰因數(shù)。這對于大多數(shù)配電系統(tǒng)測量來說已經足夠了。在半刻度處，波峰因數(shù)加倍。例如，F(xiàn)luke187數(shù)字式萬用表在測量400Vac時具有高達3.0的波峰因數(shù)，而在測量200Vac時具有高達6.0的波峰因數(shù)。使用一個具有“峰值”功能的真有效值儀表（如Fluke187），可以輕松地對波峰因數(shù)進行校準。大于1.414的波峰因數(shù)表明存在諧波。在典型單相情況下，與1.414相差越大，諧波成分越高。對于電壓諧波，典型波峰因數(shù)低于1.414，即產生“平頂”波形。對于單相電流諧波，典型波峰因數(shù)要比1.414大得多。三相電流波形常常表現(xiàn)出“雙頂點”波形，因此，不應針對三相負載電流使用波峰因數(shù)比較方法。在確定存在諧波之后，可以使用像Fluke43B電力質量分析儀這樣的諧波分析儀來對情況進行詳細分析。萬用表性能比較平均響應對真有效值儀表類型測童電路正眩波響應W方逆響應審WL失克皴形響應存平均響應糾正平均值X1.1正確高10%偏低達50%克有效值有敖僮計算轉換器.計算正確正確正確*衽萬用表的帶寬利皴峰因數(shù)技術參數(shù)范用內9、解決問題面是解決一些典型諧波問題的建議方法。在進行這樣的測量之前，您應該請一名電力質量專家對問題進行分析，然后制定出一個適合您的特定情況的計劃。在過載中線中在三相四線制系統(tǒng)中，可通過對每相中的負載進行平衡而將中線電流的50Hz部分降到最低。三次諧波序列中線電流可通過在負載處添加諧波濾波器而被降低。如果這些方法都不實用，則可以拉入額外的中線，最好是每相一條中線，或者可以安裝一條超規(guī)格的中線而讓三條相線共用。在新的結構中，地毯下的接線以及模塊化辦公隔板接線應規(guī)定單獨的中線，可能還需要使用一個與安全接地端分開的隔離接地端。將變壓器降額防止變壓器受諧波影響的一個方法是對它的負載量加以限制。這稱為變壓器的“降額”。ANSI/IEEE標準C57.110-1986中規(guī)定了非常嚴格的降額方法。該方法有些不太實際，因為它需要變壓器廠商提供大量損耗數(shù)據(jù)，以及負載電流的完整諧波情況。美國計算機和商用設備制造協(xié)會建議了第二種方法，它涉及可以使用常用測試設備完成的幾個直接測量?？瓷先ニ梢葬槍?08/120V變壓器給出合理結果，而這些變壓器可提供通常由運行于單相分支電路的計算機和辦公設備所產生的低頻奇次諧波（3次、5次、7次）。降額系數(shù)。要確定變壓器的降額系數(shù)，需要對三相導體進行峰值和真有效值電流測量。如果各相之間不平衡，則將三個測量值進行平均，并將結果用在下式中：HDF=諧波降額系數(shù)=（1.414）（真有效值相電流）/（瞬時峰值相電流）通過此式可得到0和1.0之間的一個值，通常在0.5和0.9之間。如果相電流為純正波（未失真），則瞬時峰值為1.414與真有效值的乘積，降額系數(shù)為1.