电力谐波故障排查

电力谐波故障排查—使用万用表和电流钳进行基本故障排查在今天的办公楼宇和生产工厂中会发生一些神秘的现象，为表面上看来的平均负载供电的变压器产生了过热，平衡电路中的中线因负载过大而发生过热，断路器在没有明显原因的情况下而脱扣。但标准的故障排查显示，所有情况都是正常的。问题究竟出在哪里？简言之，原因就是谐波。1、新的技术，新的挑战谐波是现代电子技术的副产物。在存在大量个人计算机、可调速驱动器和其它以短脉冲形式吸收电流的设备的场合，谐波现象尤其突出。这种设备在设计上仅在进线电压波形的受控制部分吸入电流。虽然这种方式会显著提高效率，但它会在负载电流中引起谐波。谐波会引起变压器和中线导体过热，并使断路器脱扣。如果您收听一条普通50Hz电力线的音频声，您只会听到单音交流声。当存在谐波时，您就会听到不同的音频，其中包含很多高音调。在您查看波形时，这一问题更加明显。一个标准50Hz电力线电压在示波器上表现为接近正弦波（图1）。当存在谐波时，波形发生失真（图2A和2B）。这些波形表现为非正弦形式。电压和电流波形不再具有简单关系，因此采用“非线性”这个术语。图2B失真的电压波形图2B失真的电压波形图2A失真的电流波形2、找到问题根源一旦您知道去寻找什么以及何处去寻找，问题的查找就相对比较容易。谐波征兆通常并不难于确定。本应用说明就如何查找谐波提供了一些基本指导，并提供了解决谐波所带来问题的一些建议。3、谐波来源确定问题谐波是频率为基本电源频率的整数倍的电流或电压。例如，如果基频为50Hz,那么二次谐波为100Hz，三次谐波为150Hz，等等。谐波由以突发脉冲方式而不是以平稳的正弦波方式吸入电流的非线性负载所产生。这些脉冲可引起失真电流波形，而这种失真电流波形反过来又会引起谐波电流流回电源系统的其它部分中。问题原因这种现象在具有二极管-电容器输入电源的设备中表现尤为突出，即个人计算机、打印机何医疗测试设备等。在这些设备中，输入的交流电压经过二极管整流，随后被用于为一个大电容器充电。在几个周期之后，电容器被充电到正弦波的峰值电压（例如，对于120V的交流电源线路来说为170V）。电子设备随后从这一较高直流电压吸入电流，以便为电路的其余部分供电。设备可以吸收直至一个经过调节的低限值的电流。通常，在到达该限值之前，电容器被重新充电到正弦波下个半周期中的峰值。这一过程反复进行。电容器基本上仅在波形的峰值期间吸收一个电流脉冲。在波形的其余部分，当电压低于电容器的剩余值时，电容器就不会吸入电流。办公设备中存在的二极管/电容器电源通常为单相、非线性负载（图3A）。在工厂中，谐波电流的最常见原因是三相非线性负载，包括电子式电机驱动器以及不间断电源(UPS)(图3B)。5G0Ft；GSVOFFT>iflAr-i(UPS)(图3B)。5G0Ft；GSVOFFT>iflAr-ioiv白5hYDCSKEWIIieiverrTr4UTD【Yai血协DC0吧4珂3ir«LErii i~图3A单相非线性负载电流波形图3B三相非线性负载电流波形4、电压谐波电力线本身可能是电压谐波的一个间接来源。由非线性负载吸收的谐波电流通过欧姆定律关系与供电变压器的源阻抗发生作用，从而产生电压谐波。源阻抗包括供电变压器和分支电路部件。例如，从一个0.1Q阻抗源吸收的10A谐波电流将会产生1.0V的谐波电压。任何共享带有很高谐波负载的供电变压器或分支电路的负载，都可能受到所产生的电压谐波的影响。个人计算机可能受到电压谐波影响。二极管/电容器电源的性能基本上取决于峰值电压的大小。电压谐波会引起电压波形的“平顶”从而降低峰值电压（参见图2B）。情况严重时，计算机可能会因峰值电压不足而发生重启。在工业环境中，感应电机和功率因数校正电容器也可能受到电压谐波的严重影响。功率因数校正电容器可与配电系统的感性部分构成一个谐振电路。如果谐振频率接近谐波电压的频率，则所产生的谐波电流就会显著增加，从而使电容器过载，并使电容器熔丝烧断。幸运的是，电容器故障会使电路解谐，谐振随即消失。5、谐波电流效应谐波征兆通常会在支持非线性负载的配电设备中显现。有两种类型非线性负载：单相和三相。单相非线性负载常见于办公设备中，而三相非线性负载则在工厂中广泛存在。配电系统的每个部件都略微不同地显示出谐波的效应，但是，如果在设计上不能够处理电子负载就会产生破坏作用，并使性能下降。中线在三相四线制系统中，中线可能会受到与120V分支电路相连的非线性负载的严重影响。在平衡线性负载的正常情况下，相电流的基频60Hz部分将在中线中抵消。在带有单相、非线性负载的四线制系统中，一些称为三次谐波序列的奇次谐波（3次、9次、15次等）不会抵消，而是在中线上相加在一起。在具有很多单相非线性负载的系统中，中线电流实际上可能会超过相电流。这样的危险是会发生过热，因为与相线不同，在中线中没有限制电流的断路器。中线中的过高电流也可能会引起120V插座处中线和接地端之间超过正常值的电压降。5.2断路器常见的热磁式断路器采用一种双金属脱扣机构，该机构可对电流电流的热效应产生响应。它们在设计上可响应电流波形的真有效值，并会在脱扣机构变得过热时发生脱扣。这种断路器具有很好的谐波电流过载保护能力。峰值检测电子式脱扣断路器可对电流波形的峰值产生响应。因此，它不是总会正确响应谐波电流。由于谐波电流的峰值通常高于正常值，因此，这种断路器可能会在较低的电流下提前脱扣。如果峰值低于正常值，则断路器可能无法在应该脱扣时进行脱扣。母排和连接接头零线母排和连接接头的规格设计可携带满数值额定相电流。当中线因三次谐波序列的附加总和而发生过载时，它们就可能就会过载。配电盘设计用于携带60Hz电流的配电盘可能会与由高频谐波电流产生的磁场发生机械共振。发生这种情况时，配电盘会发生振动，并以谐波频率发出嗡嗡声。电信电信系统经常会为您提供谐波问题的首个线索，因为其电缆可能会紧挨着电源电缆进行布置。为将来自相电流的感性干扰降到最低程度，要将电信电缆紧靠中线布置。中线中的三次谐波序列一般会引起感性干扰，这种干扰可在电话线路中听到。这经常是谐波问题的第一个指示，您可以从这一点开始，在问题引起严重损坏之前将它检测到。变压器商业楼宇一般采用具有星三角连接配置的380/220V变压器。这些变压器一般为楼宇中的电源插座馈电。与插座相连的单相非线性负载会产生三次谐波序列，它们在中线上相加在一起。当这个中线电流到达变压器时，它就被反射到三角连接初级绕组中，并引起过热和变压器故障。

另外一个变压器问题来自铁损和铜损。变压器通常仅针对50Hz相电流负载制定额定值。更高频率的谐波电流会因涡流和磁滞而使铁损增加,从而与50Hz电流相比会产生更多热量。中域由于这些热效应，要求针对谐波负载而将变压器降额，或者使用具有特殊设计的变压器发电机备用发电机会产生与变压器相同的这种过热问题。由于它们为产生谐波的负载(如数据处理设备)提供紧急备用电源,因此它们常常更易受到影响。除过热之外,某些类型谐波还会在电流波形的零点交叉处产生失真,从而引起发电机控制电路的干扰和不稳定。6、谐波的分类每个谐波都具有一个名称、频率和顺序。顺序是指相对于基频(F)的相序，也就是说，在感应电机中,一个正序谐波将会产生与基频的相序方向相同的磁场。一个负序谐波将会产生相反方向的磁场。下面列出了前9个谐波及它们的效应：7、查找谐波进行一次谐波调查是确定是否存在问题以及问题发生在何处的很好方法。下面是需要遵循的指南。负载清点对设施进行一次巡检，注意正在使用中的设备类型。如果具有大量个人计算机和打印机、可调速电机、固态加热器控制器以及某些类型的荧光灯照明装置，则极有可能存在谐波。变压器发热检查找到为非线性负载供电的变压器，并检查是否存在过热。还要确保冷却通风口没有被阻挡。变压器次级电流使用一个三相真有效值电力质量分析仪来检查电压器电流。确认钳形表的电压额定值对于被测试的变压器是足够的。测量并记录每相及中线（如果使用）中的变压器次级电流。将输送给负载的kVA与铭牌上的数值进行比较。（如果存在谐波电流，即使输送的kVA小于铭牌额定值，变压器也可能会过热。）通过三相分析仪的k因子测量来确定是否降容或更换变压器。测量中线电流的频率。150Hz是主要包含三次谐波的中线电流的典型读数。子配电盘中线电流检查检查为谐波负载馈电的子配电盘。测量每个支路中线中的电流，并将测量值与所用导线规格的额定容量进行比较。检查零线母排馈线接头有无过热或脱色现象。可以使用一个非接触式红外温度计（如Fluke61）来检测母排和接头上的过热情况。插座中线对地电压检查插座分支电路中的中线过载有时可通过测量插座上的中线对地电压来检测。在负载通电时测量电压。2V或更低数值基本正常。更高的电压值可能说明存在与电缆布线长度、接头质量等有关的故障。测量频率。180Hz的频率强烈表明存在谐波，而60Hz则表明各相失去平衡。特别注意地毯下面的接线以及带有集成接线装置（使用由三相导体共用的中线）的模块化办公设备配电盘。由于这两个区域中的典型负载为计算机和其它办公设备，因此，它们常常成为过载中线的故障点。8、故障排查工具为了确定是否存在谐波问题，需要测量波形的真有效值和瞬时峰值。对于单相应用，您需要使用像Fluke335、336或337这样的钳形表，或者使用像Fluke80、170和180系列那样可进行真有效值测量的万用表。对于三相应用，您需要使用像Fluke430系列这样的电力质量分析仪。“真有效值”是指均方根值，或电流或电压波形的等效热值。“真”是为了与通过“平均响应”仪表所进行的测量区分开。大多数低成本的便携式仪表都是平均响应仪表。这些仪表仅针对纯正弦波给出正确读数，在面对失真的电流波形时，读数通常偏低达50%。真有效值仪表可针对处于仪表的波峰因数和带宽技术参数范围内的任意波形给出正确读数。波峰因数。一个波形的波峰因数是峰值与有效值之比。对于正弦波来说，波峰因数为1.414。真有效值仪表具有一个波峰因数技术参数。此参数与可无错误地测量的峰值大小有关。一个优质真有效值数字式手持万用表具有3.0的满刻度波峰因数。这对于大多数配电系统测量来说已经足够了。在半刻度处，波峰因数加倍。例如，Fluke187数字式万用表在测量400Vac时具有高达3.0的波峰因数，而在测量200Vac时具有高达6.0的波峰因数。使用一个具有“峰值”功能的真有效值仪表（如Fluke187），可以轻松地对波峰因数进行校准。大于1.414的波峰因数表明存在谐波。在典型单相情况下，与1.414相差越大，谐波成分越高。对于电压谐波，典型波峰因数低于1.414，即产生“平顶”波形。对于单相电流谐波，典型波峰因数要比1.414大得多。三相电流波形常常表现出“双顶点”波形，因此，不应针对三相负载电流使用波峰因数比较方法。在确定存在谐波之后，可以使用像Fluke43B电力质量分析仪这样的谐波分析仪来对情况进行详细分析。万用表性能比较平均响应对真有效值仪表类型测童电路正眩波响应W方逆响应审WL失克皴形响应存平均响应纠正平均值X1.1正确高10%偏低达50%克有效值有敖僮计算转换器.计算正确正确正确*衽万用表的带宽利皴峰因数技术参数范用内9、解决问题面是解决一些典型谐波问题的建议方法。在进行这样的测量之前，您应该请一名电力质量专家对问题进行分析，然后制定出一个适合您的特定情况的计划。在过载中线中在三相四线制系统中，可通过对每相中的负载进行平衡而将中线电流的50Hz部分降到最低。三次谐波序列中线电流可通过在负载处添加谐波滤波器而被降低。如果这些方法都不实用，则可以拉入额外的中线，最好是每相一条中线，或者可以安装一条超规格的中线而让三条相线共用。在新的结构中，地毯下的接线以及模块化办公隔板接线应规定单独的中线，可能还需要使用一个与安全接地端分开的隔离接地端。将变压器降额防止变压器受谐波影响的一个方法是对它的负载量加以限制。这称为变压器的“降额”。ANSI/IEEE标准C57.110-1986中规定了非常严格的降额方法。该方法有些不太实际，因为它需要变压器厂商提供大量损耗数据，以及负载电流的完整谐波情况。美国计算机和商用设备制造协会建议了第二种方法，它涉及可以使用常用测试设备完成的几个直接测量。看上去它可以针对208/120V变压器给出合理结果，而这些变压器可提供通常由运行于单相分支电路的计算机和办公设备所产生的低频奇次谐波（3次、5次、7次）。降额系数。要确定变压器的降额系数，需要对三相导体进行峰值和真有效值电流测量。如果各相之间不平衡，则将三个测量值进行平均，并将结果用在下式中：HDF=谐波降额系数=（1.414）（真有效值相电流）/（瞬时峰值相电流）通过此式可得到0和1.0之间的一个值，通常在0.5和0.9之间。如果相电流为纯正波（未失真），则瞬时峰值为1.414与真有效值的乘积，降额系数为1.