配电系统电能质量的检测和调整

1、配电系统谐波症状的危害

    今天，很多情况下用户往往会以各种形式抱怨电力质量的问题。一种情况就是抱怨由于电源的原因，造成计算机，打印机，网络和复印机运行不良或不可靠；另一种情况，是从电力维护的角度看，变压器过热、配电盘的振动、噪声或断路器的有害动作可能是存在电力问题的重要线索。究其原因是什么呐？

    如今的配电系统比起20年前，有着更多不同类型的负载。这些负载在原来系统设计时没有考虑进去，虽然它们没有明显特征，但这些负载可能在非常高的电流和电压下运行。然而这些累积效应会引起过热，绝缘过应力和电气柜的谐振，将甚至烧毁电机、电机驱动器和变压器，对组成生产中枢的电气元件造成极大危害。在这些系统中，谐波的危害是潜在的，一个很小的增长就会导致变压器或其它设备过早损坏或逐渐毁坏。

    以上这些现象就是典型的谐波症状，而产生这些谐波的负载，称之为非线性负载。虽然这些症状是显而易见的，但是要证明谐波就是危害产生的原因并要确定谐波源，以作为寻找危害根源和修正系统提供必要的依据，却一直是人们期待要介决的问题。

    值此应该将重点讨论涉及电能质量的谐波电压电流的检测及调整方案。尤其应对这些问题的新型电能测量工具一电能质量分析仪选择作说明。首先从谐波产生的原因说起。

2、非线性负载是谐波的原因

    ⑴什么是谐波？它是指其频率为基波频率整数倍的电压或电流。例如基波频率为50Hz，则3次谐波为150Hz，5次谐波为250Hz。

    ⑵谐波是由非线性负载所造成的。例如PC机，打印机，荧光灯，调速马达驱动，充电器以及电镀设备等。这些设备将从电路中获取跃变的脉冲波形电流而不是平滑的正弦波。结果是含有谐波的畸变电流回流到电力系统的其它地方。而办公室的非线性负载通常是单相的，而工厂里通常是三相的。

    ⑶谐波的影响

    非线性负载只是在输入电压被控制的部分吸取电流。这样可以很好地提高效率，但却会在负载电流中引起谐波。随后，这些谐波会导致电力变压器和中线发热，以及断路器动作，更为严重的是烧毁马达和变压器。如果观察系统中电压和电流的波形，问题就非常明显。一个正常的50Hx的线路电压在示波器上几乎是一个很好的正弦波。当谐波出现时，波形就失真了，见图1所示。

图1

    即使没有明显的症状，谐波也余使系统的功率因数下降。

3、什么情况下作谐波的检测

    某些情况下设备维护工程师往往会对渐变的谐波影响放松警惕。实际上当存在非线性负载时，谐波失真总量就会增加。谐波经常引起过热现象，即电气柜、变压器和电机等温度上升。中线导体也会快速变热，甚至导致绝缘熔化。因为电气规程不允许中线安装熔丝保护，所以这时是非常危险的。一旦发现设备有过热问题，通常应该检查过电流。用数字万用表和电流探头在电机端可以测量出过量的相电流。示波器可以显示出供电电流的失真。

    通过系统的谐波谱图（见图2）可以看到经常发生在电机驱动系统中谐波问题的本质。从电力质量分析仪测量（以Fluke43型谐波故障检测仪测量为例）的显示中，可以看到5次和7次谐波占主导地位。谐波柱图指示5次和7次谐波很高，这种情况在调频电机驱动的系统经常发生。

图2

    只有在电机端利用谐波故障检测仪才可以显示更多有价值的信息。通过电流谐波失真总量的读数可以很快看到谐波是从1次到15次扩展展示（例在含有电机驱动器、计算机和电子镇流荧光灯照明的系统中电流谐波失真总量很容易达到40％）。

    值得注意的是功率因数PF.，它是配电系统是否正常的一个主要标志之一。从得到的大量诊断信息中，应注意到重要的功率因数PF。功率因数表示有多少功率被有效利用。理想的功率因数是1。在带有感性负载的系统，例如电机，当功率因数达到0．95以上时通常可以接受。如果功率因数只有0.65，则说明谐波失真引起了显著的功率损失(低功率因数也可能导致更高的电能输出比率)。通过电力质量分析仪可以直接读取功率因数。通过收集到的数据，设备工程师可以采取正确的措施，例如重新分配负载、增加单独的变送器、降低变压器负载、安装滤波器或其他措施。

4、谐波故障检测仪的选择要领

    电力质量分析仪是一系列故障检测仪中，能够快速、准确识别和控制谐波的仪器。当生产者开足马力，需要更有效的谐波故障检测工具时，一些要领（即选择要求）就显得极为重要的。第一、多方面了解谐波。当电路中存在谐波时，识别各个谐波分量以找到相应的谐波源是非常重要的。只需一个按键，就可以用二种方式观察所测量的信号：波形显示、谐波频谱和数值。第二、真有效值读数，而非平均响应读数。因为谐波引起的发热和其他有害情况与实际电流直接相关，平均响应测量仪不能完全描述谐波电流的情况。只有有效值测量仪才能正确反应所有信号实际的电压和电流。第三、无需人工计算测量读数。—个谐波故障检测仪应该将测量者从计算系统的一些重要因数（例如功率因数和谐波失真总量）的负担中解脱出来。最重要的是选择一个能满足实际需要的工具，使用起来就象用电流钳测量中线或用探头测量变压器的端子一样简单。Fluke43型谐波故障检测仪就是众多设备中可选的一种。

5、谐波故障检测仪功能是什么

    作为—台谐波故障检测仪象数字万用表一样，能够得到电压、电流和频率等电气参数。而示波器，可以显示波形，即用图形的方式观察电气信号的特征。也就是说，在测量功能上增加了显示基本信号由于谐波引起失真的功能。通过显示各次谐波的水平以及相对基波的百分比，为解决问题提供极其重要的线索。通过质量分析仪(如Fluke43型)一个按键便可得到捕捉谐波的重要数据。例如，它可以显示瞬时功率因数(如图3a所示)以及谐波失真总量(图3b所示).

 
 (a)                                                                   (b)
图3

    实践证明，典型的非线性负载包括荧光灯镇流器、计算机、和调速马达驱动等作为谐波问题产生的根源，它们有一个共性，即获取阶跃脉冲电流下的非光滑波形（而不是线性负载，如白炽灯下的光滑波形）。在这种情况下，负载将改变输入电流的波形，产生谐波，与基波电流代数叠加。

    对于存在谐波的系统，功率测量的基本原理将发生改变，名义上将一个测量仪器在它的量程内对任何测量都能达到它的精度指标。事实上，当谐波出现时，平均响应测量仪器将不能进行精确的测量，而目前大多数低价位的电气测量工具正是这样。这些仪器只能对纯粹的正弦波给出正确的读数，而对谐波畸变波形读数将明显偏低。热效应和有效值电流成正比，而不是整流的平均电流。因此，在处理包括一些非线性负载的配电系统时，利用真有效值测量仪器是非常必要的。

6、如何检查和测量配电系统的谐波

    因为现在工业和商业电力系统中存在着大量的非线性负载，整个负载包括非线性负载产生的谐波电压和电流的附加效应。以下介绍如何检查和测量配电系统的谐波。

    ⑴中线电流偏高

    许多商业建筑都有一个△-Y方式的208／120变压。这些变压器通常给插座供电。在带有单相非线性负载的三相四线制系统中，三次奇数倍谐波无法抵销，而是在中线相加。如果一个系统存在许多这样的负载，那么中线电流就会超过任何一相的电流，因为中线没有断路器保护，这将是非常危险的。

    利用手持谐波故障检测仪(如Fluke43型)测量一个三相负载的中线电流(如图4a所示)，

(a)
 
(b)
图4(a)三相系统中三次奇数倍谐被在中线上叠加，由于中线没有熔丝保护，过热将导致火灾。
(b)利用手持谐波故障检测仪对扦座中线测量示意图

    将测量到的中线电流与从不平衡相电流估计的数值相比较。中线电流是三相电流的矢量和，并且当三相电流在幅度和相位都平衡的时候，中线电流通常为0。如果中线电流比预计的要高，三次奇数倍谐波将是非常可能的原因，这时变压器将需要降载使用。
                  
    ⑵断路器的误动作

    热磁断路器利用双金属开断机构，对电流波形的实际热效应产生响应。峰值感应断路器只是对电流波形的峰值产生反应，因此对于谐波电流不可能产生完全正确的反应。对于任何一种断路器，如果所有负载的总和还不至于使断路器动作，那么谐波很可能是其动作的原因。

    ⑶母线和接线板的过热

    中线母线和接线板的尺寸是按相电流的额定值设计的，并不包括谐波引起的附加负载。当中线由于三次奇数倍谐波而过载时，它们也会过载。对于它们的过热现象，也可以足够怀疑是上述谐波造成的。

    ⑷电气柜的振动

    按50Hz设计的配电柜在高频谐波电流产生的磁场下会发生机械谐振。如果配电柜振动并发出嗡嗡的声音，很可能是由于在谐波频率下的谐振造成的。

    ⑸通讯系统中的音频干扰

    通讯系统经常提供谐波问题的首要线索。通讯电缆通常与中线导体并排敷设。中线导体中三次奇数倍谐波对通讯电缆产生的感应干扰，可以在电话线中听到。

    ⑹变压器的不良表现

    谐波可以引起变压器的铁损和铜损。变压器通常按50Hz的相电流负载设汁。由于涡流和磁滞现象，高频率的谐波电流使铁损增加，与同样的基波电流相比产生更多的发热。当中线电流流到变压器时，会反应到三角形接法的一次绕组，并在这里循环导致过热和变压器毁坏。利用谐波表，例如Fluke43电力质量分析仪，在一次侧和二次侧分别测量电流读数。通过Fluke43的柱形图显示各次谐波的水平(图形与图2类似)。同样备用发电机会发生同变压器同样的过热问题。

    ⑺感应电机的过热

    感应电机是线性负载，如果由良好的正弦波电压供电，将不会产生谐波电流。但是如果一个电机由畸变电压供电，将会由于集肤效应和涡流而过热。并且如果一些谐波电流是负序的一例，如5次或11次谐披，它们将试图改变电机的旋转方向，由此降低转速和效率。

    利用手持谐波故障检测仪测量的接线如图5所示。

图5

    ⑻发电机的过热或电气不稳定性

    备用发电机会发生同变压器同样的过热问题。因为它们要给那些产生谐波的负载提供紧急供电，经常是更薄弱的地方。除了过热问题，某些谐波在电流波形过零点产生畸变，还会引发对发电机控制回路的干扰和不稳定性。

7、从测量到解决办法

    如果系统中的电气负载绝大部分是非线性的，那么一台专业的谐波故障检测仪，将是非常有价值的工具。当存在谐波时，谐波失真总量的真实读数使你能够预测到谐波的短期和长期效应。一台手持式谐波故障检测仪，还可以提供另外一个重要读数一K因数。K因数用一个数字表示，对于没有谐波的系统，K因数为1．0。高的K因数代表可以承受高的谐波水平。

    一台专业的谐波故障检测仪可以提供完整的谐波频谱，使有经验的工程师或技师能够迅速估计潜在的谐波源。

    在进行故障检测时，要确定所得到的每个读数都是真有效值。真有效值读数对所有波形都是正确的，而不仅仅是正弦波。最重要的是，它可以确切地指示系统中谐波的热效应。在非线性系统中，谐波引起的发热是最危险的。系统电压的稳定性也将受到有害的影响。如果拥有先进的工具和故障检测的实践经验，将可以控制所有这些问题。

    以下介绍谐波的典型测量方法和在什么地方进行测量，介绍在同一系统发现的实际故障和问题以及如何解决它们。此外，还将提供有关功率因数的信息。

    ⑴减小三相系统谐波的影响举例

    系统特征：图6表示的是一个带有非线性负载的三相电力配电系统的框图。

图6

    它给2个SCR控制的凋速电机供电。其它负载还有几个感应马达和荧光灯照明系统。马达电路由480V供电，照明系统由277V供电。该系统设计为临界状态，它可以通过短路电流和负载电流的比计算出来。正常的比率应该是100：1以上，而本系统是22：1。

    ⑵症状：马达效率下降，小的感应马达烧毁，荧光灯中的电容损坏。

    ⑶测量

    迅速地估计系统的谐波程度。利用配备电流钳的便携式谐波分析仪(例如福禄克公司的F43)分别在A、B和C点进行三次测量。参见图6。第一个测量(A点)表示谐波失真总量很高。第二个测量(B点)说明同样的问题。最后一点(C点)表明存在比额定电流大许多的电流—足以经常烧毁35A的保险丝。

    这些快速的现场测量足以揭示谐波问题的严重性。进一步分析后发现偶次谐波是由可控硅闸流系统的失灵而引起的，而可控硅闸流系统的失灵又是由于三相电压波形谐波畸变引起的。谐波还导致了马达和荧光灯电容发生故障。

    ⑷系统电能的调整

    系统电压的谐波失真总量（THD)很高。20KVAR功率因数修正电容引起了问题。它在五次谐波附近产生了谐振。为了解决上述问题，进行了两点改动：第一，加倍变压器容量以改善供电能力；第二，将电感与功率因数修正电容组串联让其在200Hz以上的频率失谐。选择电感线圈的感抗值使频率高于200Hz时回路呈感性，它将保持50Hz下功率因数的改善。降低源阻抗从而降低480V供电电压的谐波失真。这种方法通常意味着使用更大的变压器。本例中意味着加倍其容量。

    在做这些改动之前，要先确认一下供电电源本身没有谐波问题。他们将负载中的所有非线性负载全部关闭再测量电力设备输入端的电压谐波失真。测试结果显示，从供电部门来的电压的谐波失真总量(THD)小于1％。

    在安装新的变压器和电感线圈后，再次测量电机馈线的谐波频谱。五次谐波电流大大减小了。电压失真比从前减少了一半以上，而且流过相位修正电容的电流也接近50Hz额定值。现在调频驱动的效率比以前高许多，因为由谐波电压引起的电机转动不良的现象被排除了。