原创使用万用表和电流钳进行基本故障排查之二

 2010-7-29 10:28  1170 11 11 分类: 消费电子

谐波电流的影响

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 120 V 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 60 Hz 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 次谐波的奇数倍，即 3 次、9 次、15 次等）不会抵消，而是在中线上叠加在一起。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 120 V 插座处中线和接地端之间超过正常值的电压降。

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 60 Hz 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 208/120 V 变压器。这些变压器一般为楼宇中的电源插座馈电。单相、非线性负荷连接在插座上时，会产生三次系列谐波，并叠加在中性线上。当这个中线电流到达变压器时，它就被反射到三角连接的一次绕组中，并引起过热和变压器故障。

另一个变压器问题是因铁损和铜损造成。变压器通常仅针对 60 Hz 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 60 Hz 电流相比会产生更多热量。

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。

发现谐波

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。
1. 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。
2. 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。
3. 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。180 Hz 是主要包含三次谐波的中线电流的典型读数。
4. 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 Fluke 61）来检测母排和接头上的过热情况。
5. 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。2 V 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。180 Hz 的频率强烈表明存在谐波，而 60 Hz 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。

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 Fluke 335、336 或 337 这样的钳形表，或者使用像 Fluke 80、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 Fluke 430 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，Fluke 187 数字式万用表在测量 400 Vac 时具有高达 3.0 的波峰因数，而在测量 200 Vac 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 Fluke 187），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 Fluke 43B 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。