現(xiàn)今，當(dāng)輕微的電力問(wèn)題變得明顯之前，工業(yè)設(shè)施配電系統(tǒng)就可能已經(jīng)接近奔潰了。其原因是不受控制的諧波電壓和諧波電流。諧波是非常有害的，它們會(huì)燒壞馬達(dá)和變壓器——甚至引起一些小的不起眼但卻與日俱增的損壞。諧波的累計(jì)效應(yīng)只有當(dāng)**癥狀出現(xiàn)時(shí)才會(huì)被注意到。
諧波的原因：非線性負(fù)載
諧波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.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)的其他地方。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。
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過(guò)熱，以及斷路器動(dòng)作。而更為嚴(yán)重的是燒毀馬達(dá)和變壓器。
如果你觀察系統(tǒng)中電壓和電流的波形，問(wèn)題就非常明顯了。一個(gè)正常的50Hz的線路電壓在示波器上幾乎是一個(gè)很好的正弦波，如下圖：
當(dāng)諧波出現(xiàn)時(shí)，波形就失真了。
即使沒(méi)有明顯的癥狀，諧波也會(huì)使系統(tǒng)的功率因數(shù)下降。工廠的經(jīng)理沒(méi)有一個(gè)愿意聽到“負(fù)功率因數(shù)”一詞。因?yàn)檫@意味著工廠將為此付出更多的電費(fèi)。
首先解決單相費(fèi)線性負(fù)載的問(wèn)題
如果諧波源是保證你的工作的關(guān)鍵設(shè)備和裝置而不能取消，那么解決諧波問(wèn)題是**挑戰(zhàn)性的。步是檢查諧波的存在和程度。我們稱作步故障檢測(cè)。檢查的結(jié)果會(huì)提示一些解決方法，如重新分配負(fù)載，變壓器降載使用或安裝K因數(shù)變壓器。檢查首先要攜帶真有效值數(shù)字萬(wàn)用表和電流鉗對(duì)電力設(shè)施進(jìn)行測(cè)試。這里要進(jìn)行5個(gè)基本的測(cè)量。
l 檢查用電負(fù)載：查看一下用點(diǎn)負(fù)載的類型。如果有大量的PC機(jī)，打印機(jī)，可調(diào)速電機(jī)，固體電路控制加熱器和某些類型的熒光燈，諧波存在的可能性就非常大。
l 檢查變壓器的溫度：找到非線性負(fù)載供電的變壓器，查看溫度是否過(guò)高。同時(shí)要檢查其散熱的風(fēng)扇沒(méi)有被遮擋。
l 檢查變壓器的二次測(cè)電流：用儀表檢查變壓器的電流，下面是如何理解儀表的測(cè)量讀數(shù)。
1. 首先檢查所有測(cè)試儀器的電壓等級(jí)是否滿足被測(cè)的變壓器。
2. 測(cè)量并記錄變壓器二次側(cè)每相的電流以及中線電流。
3. 計(jì)算負(fù)載的kVA并和變壓器銘牌上列出的數(shù)值進(jìn)行比較，如果有諧波，即計(jì)算出的kVA值小于銘牌上的額定值，變壓器仍可能過(guò)熱。
4. 如果變壓器二次側(cè)是四線制系統(tǒng)，將測(cè)量的中線電流和預(yù)估的不平衡相電流數(shù)值比較。如果中線電流比預(yù)計(jì)的值高，那么就很有可能有三次諧波的存在，變壓器就應(yīng)該降載使用。
5. 測(cè)量中線電流的頻率。中線上150Hz的電流數(shù)值大部分是三次諧波構(gòu)成的。
l 檢查輔配電盤的中線電流：檢查給單相非線性負(fù)載供電的輔配電盤。測(cè)試每個(gè)支路中線的電流并和使用的電線的額定容量相比較。檢查中線母線和饋線的發(fā)熱和褪**況。此時(shí)，非接觸紅外測(cè)溫探頭（例如福祿克的80PK）是非常有用的。
l 檢查插座上中線至地線的電壓：插座支路的中線過(guò)載有時(shí)可以通過(guò)測(cè)量插座上中線至地的電壓來(lái)發(fā)現(xiàn)。測(cè)量電壓要在負(fù)載工作時(shí)進(jìn)行。電壓小于2V是正常情況。高于2V則表示有麻煩。再測(cè)量頻率，150Hz表示有很強(qiáng)的諧波出現(xiàn)。50Hz表明三相不平衡。
特別要注意在地毯下的接線和辦公室中通過(guò)三相導(dǎo)線共享中線的集中式電源接線板。因?yàn)檫@兩種區(qū)域是計(jì)算機(jī)和辦公設(shè)備多的地方，是中線過(guò)載常見的場(chǎng)合。
案例研究：減小三相系統(tǒng)諧波的影響
系統(tǒng)描述：下圖表示的是一個(gè)三相電力配電系統(tǒng)的框圖，它給2個(gè)SCR控制的調(diào)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227V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.
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。
解決方案：系統(tǒng)電壓的諧波失真總量很高。20KVAR功率因數(shù)修正電容引起了問(wèn)題。它在五次諧波附件產(chǎn)生了諧振。電力系統(tǒng)工程師采取了兩個(gè)步驟：1）加倍變壓器容量以改善供電能力。2）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。
測(cè)量：迅速地估計(jì)系統(tǒng)的諧波程度。工程師利用配備電流鉗的便攜式諧波分析儀（例如福祿克F43B）進(jìn)行3次測(cè)量。個(gè)測(cè)量（A點(diǎn)）表示諧波失真總量很高。**個(gè)（B點(diǎn)）說(shuō)明同樣的問(wèn)題。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，工程師發(fā)現(xiàn)偶次諧波是由可控硅閘流系統(tǒng)的失靈而引起的。諧波還導(dǎo)致馬達(dá)和熒光燈電容發(fā)生故障。
總結(jié)
本文的**部分還將深入討論從上面測(cè)量中獲得的讀數(shù)。還將看一下利用諧波表獲得的波形并分析系統(tǒng)中完整的諧波頻譜。
