1、配電系統(tǒng)諧波癥狀的危害

    今天，很多情況下用戶往往會以各種形式抱怨電力質量的問題。一種情況就是抱怨由于電源的原因，造成計算機，打印機，網(wǎng)絡和復印機運行不良或不可靠；另一種情況，是從電力維護的角度看，變壓器過熱、配電盤的振動、噪聲或斷路器的有害動作可能是存在電力問題的重要線索。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載。這些負載在原來系統(tǒng)設計時沒有考慮進去，雖然它們沒有明顯特征，但這些負載可能在非常高的電流和電壓下運行。然而這些累積效應會引起過熱，絕緣過應力和電氣柜的諧振，將甚至燒毀電機、電機驅動器和變壓器，對組成生產(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，一個很小的增長就會導致變壓器或其它設備過早損壞或逐漸毀壞。

    以上這些現(xiàn)象就是典型的諧波癥狀，而產(chǎn)生這些諧波的負載，稱之為非線性負載。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題。

    值此應該將重點討論涉及電能質量的諧波電壓電流的檢測及調整方案。尤其應對這些問題的新型電能測量工具一電能質量分析儀選擇作說明。首先從諧波產(chǎn)生的原因說起。

2、非線性負載是諧波的原因

    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諧波是由非線性負載所造成的。例如PC機，打印機，熒光燈，調速馬達驅動，充電器以及電鍍設備等。這些設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，但卻會在負載電流中引起諧波。隨后，這些諧波會導致電力變壓器和中線發(fā)熱，以及斷路器動作，更為嚴重的是燒毀馬達和變壓器。如果觀察系統(tǒng)中電壓和電流的波形，問題就非常明顯。一個正常的50Hx的線路電壓在示波器上幾乎是一個很好的正弦波。當諧波出現(xiàn)時，波形就失真了，見圖1所示。

圖1

    即使沒有明顯的癥狀，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

    某些情況下設備維護工程師往往會對漸變的諧波影響放松警惕。實際上當存在非線性負載時，諧波失真總量就會增加。諧波經(jīng)常引起過熱現(xiàn)象，即電氣柜、變壓器和電機等溫度上升。中線導體也會快速變熱，甚至導致絕緣熔化。因為電氣規(guī)程不允許中線安裝熔絲保護，所以這時是非常危險的。一旦發(fā)現(xiàn)設備有過熱問題，通常應該檢查過電流。用數(shù)字萬用表和電流探頭在電機端可以測量出過量的相電流。示波器可以顯示出供電電流的失真。

    通過系統(tǒng)的諧波譜圖（見圖2）可以看到經(jīng)常發(fā)生在電機驅動系統(tǒng)中諧波問題的本質。從電力質量分析儀測量（以Fluke43型諧波故障檢測儀測量為例）的顯示中，可以看到5次和7次諧波占主導地位。諧波柱圖指示5次和7次諧波很高，這種情況在調頻電機驅動的系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生。

圖2

    只有在電機端利用諧波故障檢測儀才可以顯示更多有價值的信息。通過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次擴展展示（例在含有電機驅動器、計算機和電子鎮(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)是否正常的一個主要標志之一。從得到的大量診斷信息中，應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。在帶有感性負載的系統(tǒng)，例如電機，當功率因數(shù)達到0．95以上時通?？梢越邮堋Ｈ绻β室驍?shù)只有0.65，則說明諧波失真引起了顯著的功率損失(低功率因數(shù)也可能導致更高的電能輸出比率)。通過電力質量分析儀可以直接讀取功率因數(shù)。通過收集到的數(shù)據(jù)，設備工程師可以采取正確的措施，例如重新分配負載、增加單獨的變送器、降低變壓器負載、安裝濾波器或其他措施。

4、諧波故障檢測儀的選擇要領

    電力質量分析儀是一系列故障檢測儀中，能夠快速、準確識別和控制諧波的儀器。當生產(chǎn)者開足馬力，需要更有效的諧波故障檢測工具時，一些要領（即選擇要求）就顯得極為重要的。第一、多方面了解諧波。當電路中存在諧波時，識別各個諧波分量以找到相應的諧波源是非常重要的。只需一個按鍵，就可以用二種方式觀察所測量的信號：波形顯示、諧波頻譜和數(shù)值。第二、真有效值讀數(shù)，而非平均響應讀數(shù)。因為諧波引起的發(fā)熱和其他有害情況與實際電流直接相關，平均響應測量儀不能完全描述諧波電流的情況。只有有效值測量儀才能正確反應所有信號實際的電壓和電流。第三、無需人工計算測量讀數(shù)。—個諧波故障檢測儀應該將測量者從計算系統(tǒng)的一些重要因數(shù)（例如功率因數(shù)和諧波失真總量）的負擔中解脫出來。最重要的是選擇一個能滿足實際需要的工具，使用起來就象用電流鉗測量中線或用探頭測量變壓器的端子一樣簡單。Fluke43型諧波故障檢測儀就是眾多設備中可選的一種。

5、諧波故障檢測儀功能是什么

    作為—臺諧波故障檢測儀象數(shù)字萬用表一樣，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的特征。也就是說，在測量功能上增加了顯示基本信號由于諧波引起失真的功能。通過顯示各次諧波的水平以及相對基波的百分比，為解決問題提供極其重要的線索。通過質量分析儀(如Fluke43型)一個按鍵便可得到捕捉諧波的重要數(shù)據(jù)。例如，它可以顯示瞬時功率因數(shù)(如圖3a所示)以及諧波失真總量(圖3b所示).

 
 (a)                                                                   (b)
圖3

    實踐證明，典型的非線性負載包括熒光燈鎮(zhèn)流器、計算機、和調速馬達驅動等作為諧波問題產(chǎn)生的根源，它們有一個共性，即獲取階躍脈沖電流下的非光滑波形（而不是線性負載，如白熾燈下的光滑波形）。在這種情況下，負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。

    對于存在諧波的系統(tǒng)，功率測量的基本原理將發(fā)生改變，名義上將一個測量儀器在它的量程內對任何測量都能達到它的精度指標。事實上，當諧波出現(xiàn)時，平均響應測量儀器將不能進行精確的測量，而目前大多數(shù)低價位的電氣測量工具正是這樣。這些儀器只能對純粹的正弦波給出正確的讀數(shù)，而對諧波畸變波形讀數(shù)將明顯偏低。熱效應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載的配電系統(tǒng)時，利用真有效值測量儀器是非常必要的。

6、如何檢查和測量配電系統(tǒng)的諧波

    因為現(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載，整個負載包括非線性負載產(chǎn)生的諧波電壓和電流的附加效應。以下介紹如何檢查和測量配電系統(tǒng)的諧波。

    ⑴中線電流偏高

    許多商業(yè)建筑都有一個△-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載的三相四線制系統(tǒng)中，三次奇數(shù)倍諧波無法抵銷，而是在中線相加。如果一個系統(tǒng)存在許多這樣的負載，那么中線電流就會超過任何一相的電流，因為中線沒有斷路器保護，這將是非常危險的。

    利用手持諧波故障檢測儀(如Fluke43型)測量一個三相負載的中線電流(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，由于中線沒有熔絲保護，過熱將導致火災。
(b)利用手持諧波故障檢測儀對扦座中線測量示意圖

    將測量到的中線電流與從不平衡相電流估計的數(shù)值相比較。中線電流是三相電流的矢量和，并且當三相電流在幅度和相位都平衡的時候，中線電流通常為0。如果中線電流比預計的要高，三次奇數(shù)倍諧波將是非?？赡艿脑?，這時變壓器將需要降載使用。
                  
    ⑵斷路器的誤動作

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

    ⑶母線和接線板的過熱

    中線母線和接線板的尺寸是按相電流的額定值設計的，并不包括諧波引起的附加負載。當中線由于三次奇數(shù)倍諧波而過載時，它們也會過載。對于它們的過熱現(xiàn)象，也可以足夠懷疑是上述諧波造成的。

    ⑷電氣柜的振動

    按50Hz設計的配電柜在高頻諧波電流產(chǎn)生的磁場下會發(fā)生機械諧振。如果配電柜振動并發(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)常提供諧波問題的首要線索。通訊電纜通常與中線導體并排敷設。中線導體中三次奇數(shù)倍諧波對通訊電纜產(chǎn)生的感應干擾，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的相電流負載設汁。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。當中線電流流到變壓器時，會反應到三角形接法的一次繞組，并在這里循環(huán)導致過熱和變壓器毀壞。利用諧波表，例如Fluke43電力質量分析儀，在一次側和二次側分別測量電流讀數(shù)。通過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)電機會發(fā)生同變壓器同樣的過熱問題。

    ⑺感應電機的過熱

    感應電機是線性負載，如果由良好的正弦波電壓供電，將不會產(chǎn)生諧波電流。但是如果一個電機由畸變電壓供電，將會由于集膚效應和渦流而過熱。并且如果一些諧波電流是負序的一例，如5次或11次諧披，它們將試圖改變電機的旋轉方向，由此降低轉速和效率。

    利用手持諧波故障檢測儀測量的接線如圖5所示。

圖5

    ⑻發(fā)電機的過熱或電氣不穩(wěn)定性

    備用發(fā)電機會發(fā)生同變壓器同樣的過熱問題。因為它們要給那些產(chǎn)生諧波的負載提供緊急供電，經(jīng)常是更薄弱的地方。除了過熱問題，某些諧波在電流波形過零點產(chǎn)生畸變，還會引發(fā)對發(fā)電機控制回路的干擾和不穩(wěn)定性。

7、從測量到解決辦法

    如果系統(tǒng)中的電氣負載絕大部分是非線性的，那么一臺專業(yè)的諧波故障檢測儀，將是非常有價值的工具。當存在諧波時，諧波失真總量的真實讀數(shù)使你能夠預測到諧波的短期和長期效應。一臺手持式諧波故障檢測儀，還可以提供另外一個重要讀數(shù)一K因數(shù)。K因數(shù)用一個數(shù)字表示，對于沒有諧波的系統(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。

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

    在進行故障檢測時，要確定所得到的每個讀數(shù)都是真有效值。真有效值讀數(shù)對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。在非線性系統(tǒng)中，諧波引起的發(fā)熱是最危險的。系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性也將受到有害的影響。如果擁有先進的工具和故障檢測的實踐經(jīng)驗，將可以控制所有這些問題。

    以下介紹諧波的典型測量方法和在什么地方進行測量，介紹在同一系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的實際故障和問題以及如何解決它們。此外，還將提供有關功率因數(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表示的是一個帶有非線性負載的三相電力配電系統(tǒng)的框圖。

圖6

    它給2個SCR控制的凋速電機供電。其它負載還有幾個感應馬達和熒光燈照明系統(tǒng)。馬達電路由480V供電，照明系統(tǒng)由277V供電。該系統(tǒng)設計為臨界狀態(tài)，它可以通過短路電流和負載電流的比計算出來。正常的比率應該是100：1以上，而本系統(tǒng)是22：1。

    ⑵癥狀：馬達效率下降，小的感應馬達燒毀，熒光燈中的電容損壞。

    ⑶測量

    迅速地估計系統(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點進行三次測量。參見圖6。第一個測量(A點)表示諧波失真總量很高。第二個測量(B點)說明同樣的問題。最后一點(C點)表明存在比額定電流大許多的電流—足以經(jīng)常燒毀35A的保險絲。

    這些快速的現(xiàn)場測量足以揭示諧波問題的嚴重性。進一步分析后發(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。諧波還導致了馬達和熒光燈電容發(fā)生故障。

    ⑷系統(tǒng)電能的調整

    系統(tǒng)電壓的諧波失真總量（THD)很高。20KVAR功率因數(shù)修正電容引起了問題。它在五次諧波附近產(chǎn)生了諧振。為了解決上述問題，進行了兩點改動：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。

    在做這些改動之前，要先確認一下供電電源本身沒有諧波問題。他們將負載中的所有非線性負載全部關閉再測量電力設備輸入端的電壓諧波失真。測試結果顯示，從供電部門來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，再次測量電機饋線的諧波頻譜。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，而且流過相位修正電容的電流也接近50Hz額定值?，F(xiàn)在調頻驅動的效率比以前高許多，因為由諧波電壓引起的電機轉動不良的現(xiàn)象被排除了。