?

　　今天，很多情況下用戶往往會(huì)以各種形式抱怨電力質(zhì)量的問(wèn)題。一種情況就是抱怨由于電源的原因，造成計(jì)算機(jī)，打印機(jī)，網(wǎng)絡(luò)和復(fù)印機(jī)運(yùn)行不良或不可靠;另一種情況，是從電力維護(hù)的角度看，變壓器過(guò)熱、配電盤的振動(dòng)、噪聲或斷路器的有害動(dòng)作可能是存在電力問(wèn)題的重要線索。究其原因是什么吶?

　　如今的配電系統(tǒng)比起20年前，有著更多不同類型的負(fù)載。這些負(fù)載在原來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮進(jìn)去，雖然它們沒(méi)有明顯特征，但這些負(fù)載可能在非常高的電流和電壓下運(yùn)行。然而這些累積效應(yīng)會(huì)引起過(guò)熱，絕緣過(guò)應(yīng)力和電氣柜的諧振，將甚至燒毀電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和變壓器，對(duì)組成生產(chǎn)中樞的電氣元件造成極大危害。在這些系統(tǒng)中，諧波的危害是潛在的，一個(gè)很小的增長(zhǎng)就會(huì)導(dǎo)致變壓器或其它設(shè)備過(guò)早損壞或逐漸毀壞。

　　以上這些現(xiàn)象就是典型的諧波癥狀，而產(chǎn)生這些諧波的負(fù)載，稱之為非線性負(fù)載。雖然這些癥狀是顯而易見的，但是要證明諧波就是危害產(chǎn)生的原因并要確定諧波源，以作為尋找危害根源和修正系統(tǒng)提供必要的依據(jù)，卻一直是人們期待要介決的問(wèn)題。

　　值此應(yīng)該將重點(diǎn)討論涉及電能質(zhì)量的諧波電壓電流的檢測(cè)及調(diào)整方案。尤其應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題的新型電能測(cè)量工具一電能質(zhì)量分析儀選擇作說(shuō)明。首先從諧波產(chǎn)生的原因說(shuō)起。

　　2、非線性負(fù)載是諧波的原因

　　⑴什么是諧波?

　　它是指其頻率為基波頻率整數(shù)倍的電壓或電流。例如基波頻率為50Hz，則3次諧波為150Hz，5次諧波為250Hz。

　　⑵諧波是由非線性負(fù)載所造成的。

　　例如PC機(jī)，打印機(jī)，熒光燈，調(diào)速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，充電器以及電鍍?cè)O(shè)備等。這些設(shè)備將從電路中獲取躍變的脈沖波形電流而不是平滑的正弦波。結(jié)果是含有諧波的畸變電流回流到電力系統(tǒng)的其它地方。而辦公室的非線性負(fù)載通常是單相的，而工廠里通常是三相的。

　　⑶諧波的影響

　　非線性負(fù)載只是在輸入電壓被控制的部分吸取電流。這樣可以很好地提高效率，但卻會(huì)在負(fù)載電流中引起諧波。隨后，這些諧波會(huì)導(dǎo)致電力變壓器和中線發(fā)熱，以及斷路器動(dòng)作，更為嚴(yán)重的是燒毀馬達(dá)和變壓器。

　　如果觀察系統(tǒng)中電壓和電流的波形，問(wèn)題就非常明顯。一個(gè)正常的50Hx的線路電壓在示波器上幾乎是一個(gè)很好的正弦波。當(dāng)諧波出現(xiàn)時(shí)，波形就失真了，見圖1所示。

?

　　圖1.即使沒(méi)有明顯的癥狀，諧波也余使系統(tǒng)的功率因數(shù)下降。

　　3、什么情況下作諧波的檢測(cè)

　　某些情況下設(shè)備維護(hù)工程師往往會(huì)對(duì)漸變的諧波影響放松警惕。實(shí)際上當(dāng)存在非線性負(fù)載時(shí)，諧波失真總量就會(huì)增加。諧波經(jīng)常引起過(guò)熱現(xiàn)象，即電氣柜、變壓器和電機(jī)等溫度上升。中線導(dǎo)體也會(huì)快速變熱，甚至導(dǎo)致絕緣熔化。因?yàn)殡姎庖?guī)程不允許中線安裝熔絲保護(hù)，所以這時(shí)是非常危險(xiǎn)的。一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備有過(guò)熱問(wèn)題，通常應(yīng)該檢查過(guò)電流。用數(shù)字萬(wàn)用表和電流探頭在電機(jī)端可以測(cè)量出過(guò)量的相電流。示波器可以顯示出供電電流的失真。

　　通過(guò)系統(tǒng)的諧波譜圖(見圖2)可以看到經(jīng)常發(fā)生在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中諧波問(wèn)題的本質(zhì)。從電力質(zhì)量分析儀測(cè)量(以Fluke43型諧波故障檢測(cè)儀測(cè)量為例)的顯示中，可以看到5次和7次諧波占主導(dǎo)地位。諧波柱圖指示5次和7次諧波很高，這種情況在調(diào)頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生。

?

　　只有在電機(jī)端利用諧波故障檢測(cè)儀才可以顯示更多有價(jià)值的信息。通過(guò)電流諧波失真總量的讀數(shù)可以很快看到諧波是從1次到15次擴(kuò)展展示(例在含有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、計(jì)算機(jī)和電子鎮(zhèn)流熒光燈照明的系統(tǒng)中電流諧波失真總量很容易達(dá)到40%)。

　　值得注意的是功率因數(shù)PF.，它是配電系統(tǒng)是否正常的一個(gè)主要標(biāo)志之一。從得到的大量診斷信息中，應(yīng)注意到重要的功率因數(shù)PF。功率因數(shù)表示有多少功率被有效利用。理想的功率因數(shù)是1。在帶有感性負(fù)載的系統(tǒng)，例如電機(jī)，當(dāng)功率因數(shù)達(dá)到0.95以上時(shí)通常可以接受。如果功率因數(shù)只有0.65，則說(shuō)明諧波失真引起了顯著的功率損失(低功率因數(shù)也可能導(dǎo)致更高的電能輸出比率)。通過(guò)電力質(zhì)量分析儀可以直接讀取功率因數(shù)。

　　通過(guò)收集到的數(shù)據(jù)，設(shè)備工程師可以采取正確的措施，例如重新分配負(fù)載、增加單獨(dú)的變送器、降低變壓器負(fù)載、安裝濾波器或其他措施。

　　4、諧波故障檢測(cè)儀的選擇要領(lǐng)

　　電力質(zhì)量分析儀是一系列故障檢測(cè)儀中，能夠快速、準(zhǔn)確識(shí)別和控制諧波的儀器。當(dāng)生產(chǎn)者開足馬力，需要更有效的諧波故障檢測(cè)工具時(shí)，一些要領(lǐng)(即選擇要求)就顯得極為重要的。第一、多方面了解諧波。當(dāng)電路中存在諧波時(shí)，識(shí)別各個(gè)諧波分量以找到相應(yīng)的諧波源是非常重要的。只需一個(gè)按鍵，就可以用二種方式觀察所測(cè)量的信號(hào)：波形顯示、諧波頻譜和數(shù)值。第二、真有效值讀數(shù)，而非平均響應(yīng)讀數(shù)。因?yàn)橹C波引起的發(fā)熱和其他有害情況與實(shí)際電流直接相關(guān)，平均響應(yīng)測(cè)量?jī)x不能完全描述諧波電流的情況。只有有效值測(cè)量?jī)x才能正確反應(yīng)所有信號(hào)實(shí)際的電壓和電流。第三、無(wú)需人工計(jì)算測(cè)量讀數(shù)。—個(gè)諧波故障檢測(cè)儀應(yīng)該將測(cè)量者從計(jì)算系統(tǒng)的一些重要因數(shù)(例如功率因數(shù)和諧波失真總量)的負(fù)擔(dān)中解脫出來(lái)。最重要的是選擇一個(gè)能滿足實(shí)際需要的工具，使用起來(lái)就象用電流鉗測(cè)量中線或用探頭測(cè)量變壓器的端子一樣簡(jiǎn)單。Fluke43型諧波故障檢測(cè)儀就是眾多設(shè)備中可選的一種。

　　5、諧波故障檢測(cè)儀功能是什么

　　作為—臺(tái)諧波故障檢測(cè)儀象數(shù)字萬(wàn)用表一樣，能夠得到電壓、電流和頻率等電氣參數(shù)。而示波器，可以顯示波形，即用圖形的方式觀察電氣信號(hào)的特征。也就是說(shuō)，在測(cè)量功能上增加了顯示基本信號(hào)由于諧波引起失真的功能。通過(guò)顯示各次諧波的水平以及相對(duì)基波的百分比，為解決問(wèn)題提供極其重要的線索。通過(guò)質(zhì)量分析儀(如Fluke43型)一個(gè)按鍵便可得到捕捉諧波的重要數(shù)據(jù)。例如，它可以顯示瞬時(shí)功率因數(shù)(如圖3a所示)以及諧波失真總量(圖3b所示).

?

　　圖3實(shí)踐證明，典型的非線性負(fù)載包括熒光燈鎮(zhèn)流器、計(jì)算機(jī)、和調(diào)速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等作為諧波問(wèn)題產(chǎn)生的根源，它們有一個(gè)共性，即獲取階躍脈沖電流下的非光滑波形(而不是線性負(fù)載，如白熾燈下的光滑波形)。在這種情況下，負(fù)載將改變輸入電流的波形，產(chǎn)生諧波，與基波電流代數(shù)疊加。

　　對(duì)于存在諧波的系統(tǒng)，功率測(cè)量的基本原理將發(fā)生改變，名義上將一個(gè)測(cè)量?jī)x器在它的量程內(nèi)對(duì)任何測(cè)量都能達(dá)到它的精度指標(biāo)。事實(shí)上，當(dāng)諧波出現(xiàn)時(shí)，平均響應(yīng)測(cè)量?jī)x器將不能進(jìn)行精確的測(cè)量，而目前大多數(shù)低價(jià)位的電氣測(cè)量工具正是這樣。這些儀器只能對(duì)純粹的正弦波給出正確的讀數(shù)，而對(duì)諧波畸變波形讀數(shù)將明顯偏低。熱效應(yīng)和有效值電流成正比，而不是整流的平均電流。因此，在處理包括一些非線性負(fù)載的配電系統(tǒng)時(shí)，利用真有效值測(cè)量?jī)x器是非常必要的。

　　6、如何檢查和測(cè)量配電系統(tǒng)的諧波

　　因?yàn)楝F(xiàn)在工業(yè)和商業(yè)電力系統(tǒng)中存在著大量的非線性負(fù)載，整個(gè)負(fù)載包括非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電壓和電流的附加效應(yīng)。以下介紹如何檢查和測(cè)量配電系統(tǒng)的諧波。

　　⑴中線電流偏高

　　許多商業(yè)建筑都有一個(gè)△-Y方式的208/120變壓。這些變壓器通常給插座供電。在帶有單相非線性負(fù)載的三相四線制系統(tǒng)中，三次奇數(shù)倍諧波無(wú)法抵銷，而是在中線相加。如果一個(gè)系統(tǒng)存在許多這樣的負(fù)載，那么中線電流就會(huì)超過(guò)任何一相的電流，因?yàn)橹芯€沒(méi)有斷路器保護(hù)，這將是非常危險(xiǎn)的。

　　利用手持諧波故障檢測(cè)儀(如Fluke43型)測(cè)量一個(gè)三相負(fù)載的中線電流(如圖4a所示)，

?

　　(a)、(b)

　　圖4(a)三相系統(tǒng)中三次奇數(shù)倍諧被在中線上疊加，由于中線沒(méi)有熔絲保護(hù)，過(guò)熱將導(dǎo)致火災(zāi)。

　　(b)利用手持諧波故障檢測(cè)儀對(duì)扦座中線測(cè)量示意圖

　　將測(cè)量到的中線電流與從不平衡相電流估計(jì)的數(shù)值相比較。中線電流是三相電流的矢量和，并且當(dāng)三相電流在幅度和相位都平衡的時(shí)候，中線電流通常為0。如果中線電流比預(yù)計(jì)的要高，三次奇數(shù)倍諧波將是非常可能的原因，這時(shí)變壓器將需要降載使用。

　　⑵斷路器的誤動(dòng)作

　　熱磁斷路器利用雙金屬開斷機(jī)構(gòu)，對(duì)電流波形的實(shí)際熱效應(yīng)產(chǎn)生響應(yīng)。峰值感應(yīng)斷路器只是對(duì)電流波形的峰值產(chǎn)生反應(yīng)，因此對(duì)于諧波電流不可能產(chǎn)生完全正確的反應(yīng)。對(duì)于任何一種斷路器，如果所有負(fù)載的總和還不至于使斷路器動(dòng)作，那么諧波很可能是其動(dòng)作的原因。

　　⑶母線和接線板的過(guò)熱

　　中線母線和接線板的尺寸是按相電流的額定值設(shè)計(jì)的，并不包括諧波引起的附加負(fù)載。當(dāng)中線由于三次奇數(shù)倍諧波而過(guò)載時(shí)，它們也會(huì)過(guò)載。對(duì)于它們的過(guò)熱現(xiàn)象，也可以足夠懷疑是上述諧波造成的。

　　⑷電氣柜的振動(dòng)

　　按50Hz設(shè)計(jì)的配電柜在高頻諧波電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)下會(huì)發(fā)生機(jī)械諧振。如果配電柜振動(dòng)并發(fā)出嗡嗡的聲音，很可能是由于在諧波頻率下的諧振造成的。

　　⑸通訊系統(tǒng)中的音頻干擾

　　通訊系統(tǒng)經(jīng)常提供諧波問(wèn)題的首要線索。通訊電纜通常與中線導(dǎo)體并排敷設(shè)。中線導(dǎo)體中三次奇數(shù)倍諧波對(duì)通訊電纜產(chǎn)生的感應(yīng)干擾，可以在電話線中聽到。

　　⑹變壓器的不良表現(xiàn)

　　諧波可以引起變壓器的鐵損和銅損。變壓器通常按50Hz的相電流負(fù)載設(shè)汁。由于渦流和磁滯現(xiàn)象，高頻率的諧波電流使鐵損增加，與同樣的基波電流相比產(chǎn)生更多的發(fā)熱。當(dāng)中線電流流到變壓器時(shí)，會(huì)反應(yīng)到三角形接法的一次繞組，并在這里循環(huán)導(dǎo)致過(guò)熱和變壓器毀壞。利用諧波表，例如Fluke43電力質(zhì)量分析儀，在一次側(cè)和二次側(cè)分別測(cè)量電流讀數(shù)。通過(guò)Fluke43的柱形圖顯示各次諧波的水平(圖形與圖2類似)。同樣備用發(fā)電機(jī)會(huì)發(fā)生同變壓器同樣的過(guò)熱問(wèn)題。

　　⑺感應(yīng)電機(jī)的過(guò)熱

　　感應(yīng)電機(jī)是線性負(fù)載，如果由良好的正弦波電壓供電，將不會(huì)產(chǎn)生諧波電流。但是如果一個(gè)電機(jī)由畸變電壓供電，將會(huì)由于集膚效應(yīng)和渦流而過(guò)熱。并且如果一些諧波電流是負(fù)序的一例，如5次或11次諧披，它們將試圖改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，由此降低轉(zhuǎn)速和效率。利用手持諧波故障檢測(cè)儀測(cè)量的接線如圖5所示。

?

　　圖5

　　⑻發(fā)電機(jī)的過(guò)熱或電氣不穩(wěn)定性

　　備用發(fā)電機(jī)會(huì)發(fā)生同變壓器同樣的過(guò)熱問(wèn)題。因?yàn)樗鼈円o那些產(chǎn)生諧波的負(fù)載提供緊急供電，經(jīng)常是更薄弱的地方。除了過(guò)熱問(wèn)題，某些諧波在電流波形過(guò)零點(diǎn)產(chǎn)生畸變，還會(huì)引發(fā)對(duì)發(fā)電機(jī)控制回路的干擾和不穩(wěn)定性。

　　7、從測(cè)量到解決辦法

　　如果系統(tǒng)中的電氣負(fù)載絕大部分是非線性的，那么一臺(tái)專業(yè)的諧波故障檢測(cè)儀，將是非常有價(jià)值的工具。當(dāng)存在諧波時(shí)，諧波失真總量的真實(shí)讀數(shù)使你能夠預(yù)測(cè)到諧波的短期和長(zhǎng)期效應(yīng)。一臺(tái)手持式諧波故障檢測(cè)儀，還可以提供另外一個(gè)重要讀數(shù)一K因數(shù)。K因數(shù)用一個(gè)數(shù)字表示，對(duì)于沒(méi)有諧波的系統(tǒng)，K因數(shù)為1.0。高的K因數(shù)代表可以承受高的諧波水平。

　　一臺(tái)專業(yè)的諧波故障檢測(cè)儀可以提供完整的諧波頻譜，使有經(jīng)驗(yàn)的工程師或技師能夠迅速估計(jì)潛在的諧波源。

　　在進(jìn)行故障檢測(cè)時(shí)，要確定所得到的每個(gè)讀數(shù)都是真有效值。真有效值讀數(shù)對(duì)所有波形都是正確的，而不僅僅是正弦波。最重要的是，它可以確切地指示系統(tǒng)中諧波的熱效應(yīng)。在非線性系統(tǒng)中，諧波引起的發(fā)熱是最危險(xiǎn)的。系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性也將受到有害的影響。如果擁有先進(jìn)的工具和故障檢測(cè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將可以控制所有這些問(wèn)題。

　　以下介紹諧波的典型測(cè)量方法和在什么地方進(jìn)行測(cè)量，介紹在同一系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的實(shí)際故障和問(wèn)題以及如何解決它們。此外，還將提供有關(guān)功率因數(shù)的信息。

　　⑴減小三相系統(tǒng)諧波的影響舉例

　　系統(tǒng)特征：圖6表示的是一個(gè)帶有非線性負(fù)載的三相電力配電系統(tǒng)的框圖。

?

　　圖6

　　它給2個(gè)SCR控制的凋速電機(jī)供電。其它負(fù)載還有幾個(gè)感應(yīng)馬達(dá)和熒光燈照明系統(tǒng)。馬達(dá)電路由480V供電，照明系統(tǒng)由277V供電。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為臨界狀態(tài)，它可以通過(guò)短路電流和負(fù)載電流的比計(jì)算出來(lái)。正常的比率應(yīng)該是100：1以上，而本系統(tǒng)是22：1。

　　⑵癥狀：馬達(dá)效率下降，小的感應(yīng)馬達(dá)燒毀，熒光燈中的電容損壞。

　　⑶測(cè)量：迅速地估計(jì)系統(tǒng)的諧波程度。利用配備電流鉗的便攜式諧波分析儀(例如福祿克公司的F43)分別在A、B和C點(diǎn)進(jìn)行三次測(cè)量。參見圖6。第一個(gè)測(cè)量(A點(diǎn))表示諧波失真總量很高。第二個(gè)測(cè)量(B點(diǎn))說(shuō)明同樣的問(wèn)題。最后一點(diǎn)(C點(diǎn))表明存在比額定電流大許多的電流—足以經(jīng)常燒毀35A的保險(xiǎn)絲。

　　這些快速的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量足以揭示諧波問(wèn)題的嚴(yán)重性。進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)偶次諧波是由可控硅閘流系統(tǒng)的失靈而引起的，而可控硅閘流系統(tǒng)的失靈又是由于三相電壓波形諧波畸變引起的。諧波還導(dǎo)致了馬達(dá)和熒光燈電容發(fā)生故障。

　　⑷系統(tǒng)電能的調(diào)整

　　系統(tǒng)電壓的諧波失真總量(THD)很高。20KVAR功率因數(shù)修正電容引起了問(wèn)題。它在五次諧波附近產(chǎn)生了諧振。為了解決上述問(wèn)題，進(jìn)行了兩點(diǎn)改動(dòng)：第一，加倍變壓器容量以改善供電能力;第二，將電感與功率因數(shù)修正電容組串聯(lián)讓其在200Hz以上的頻率失諧。選擇電感線圈的感抗值使頻率高于200Hz時(shí)回路呈感性，它將保持50Hz下功率因數(shù)的改善。降低源阻抗從而降低480V供電電壓的諧波失真。這種方法通常意味著使用更大的變壓器。本例中意味著加倍其容量。

　　在做這些改動(dòng)之前，要先確認(rèn)一下供電電源本身沒(méi)有諧波問(wèn)題。他們將負(fù)載中的所有非線性負(fù)載全部關(guān)閉再測(cè)量電力設(shè)備輸入端的電壓諧波失真。測(cè)試結(jié)果顯示，從供電部門來(lái)的電壓的諧波失真總量(THD)小于1%。

　　在安裝新的變壓器和電感線圈后，再次測(cè)量電機(jī)饋線的諧波頻譜。五次諧波電流大大減小了。電壓失真比從前減少了一半以上，而且流過(guò)相位修正電容的電流也接近50Hz額定值。現(xiàn)在調(diào)頻驅(qū)動(dòng)的效率比以前高許多，因?yàn)橛芍C波電壓引起的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不良的現(xiàn)象被排除了。