两个现代电能质量问题 - 谐波与接地

由马蒂·马丁，PE

当我们连接更多的电子设备，以我们的电力系统，电力的“质量”就显得更为重要。 “质量”可以定义多种方式。 稳定的电压和无失真的波形是两个特点，这是非常可取的电力系统。 接地影响电压稳定，并且更重要的是对人身安全至关重要。 谐波是我们用来分析波形失真的数学模型。

你可能已经听说过这个词“谐​​音。”许多技术文章都在写这个题目; 然而，这些文章并不总是解决一个理​​解的方式我们的基本问题：

什么是谐波？
它们是如何影响我的建筑或我的产品？
什么是谐波的症状是什么？
我该如何解决这些系统？
我该如何解决这个问题？

谐波是现实世界中的数学模型。 谐波是一个简单的技术来分析当前所具有调制解调器“变少”电源计算机，电子镇流器，变频驱动器等设备绘制。 让我们来看看如何将这些电源进行操作。

有电气工程法称为欧姆定律。 这个基本定律指出，当一个电压通过一个电阻施加，电流流过。 这是怎么回事电气设备运行。 在美国，我们应用在我们的设备上的电压是正弦波，经营60赫兹（每秒周期数）。

该实用程序生成做这个电压正弦波的一个美妙的工作。 它具有（相对）恒定幅度和恒定频率。

一旦该电压被施加到一个装置中，欧姆定律踢英寸欧姆定律指出电流等于电压除以电阻。 数学表达式：

I = V / R

图形表示，当前的结束是另一个正弦波，因为电阻是一个常数。 欧姆定律决定了电流波形的频率也是60赫兹。 在现实世界中，这是事实; 虽然两个正弦波可能不完全一致（如功率因数 - ！另一个话题）的电流波确实是一个60赫兹正弦波。

因为所施加的电压的正弦波会导致要被绘制的正弦电流，它表现出这种行为的系统称为线性系统。 白炽灯，加热器，在很大的程度上，电机是线性系统。

我们的一些调制解调器的设备，但不适合这一类。 计算机，变频驱动器，电子镇流器和不间断电源系统是非线性的系统。 在这些系统中，电阻是不恒定的，而事实上，每个正弦波期间变化。 这是因为该装置的阻力不是一个常数。 其实阻力，每个正弦波期间更改。

“前端”或这些系统的电源包含固态器件，如功率晶体管，晶闸管或可控硅整流器（SCR）。 这些器件吸取的电流脉冲。 让我们来看看它们是如何工作的：

非线性系统 - 电脑，变频驱动器，电子镇流器

检查图3。当我们施加电压到固态供电，电流为（大约）为零，直到一个关键的“点火电压”达到的正弦波。 在这个点火电压时，晶体管（或其它设备）门或允许电流来进行。 这个电流通常随时间增加，直到正弦波的峰值和减小，直到临界点火电压就达到了在正弦波的“下侧”。 然后，器件关断和电流变为零。 同样的事情发生在正弦波的负侧的电流被绘制的第二负脉冲。 吸收的电流，然后是一系列的正，负脉冲，而不是正弦波通过线性系统绘制。 有些系统具有不同形状的波形，例如方波。 这些类型的系统通常被称为非线性系统。 该电源的汲取这种类型的电流被称为交换式电源供应。 一旦这些脉冲电流的形成，我们有困难的时候分析其效果。 电源工程师被教导要分析对电力系统的正弦波的影响。 分析这些脉冲的影响是困难得多。

图3

为了解决这个问题，我们把数学; 具体地，傅立叶分析。 简单地说，使用傅立叶分析，我们可以证明：

任何周期波形可以表示为一系列正弦波的具有不同的频率和振幅。

也就是说，我们可以创建一系列不同频率和振幅来建立数学模型这一系列脉冲的正弦波的。 我们使用的频率是基本频率，60赫兹的倍数。 我们称这些多个频率的谐波。 的二次谐波是2倍60赫兹，或120赫兹。 三次谐波是180赫兹等。 在我们的三相电力系统中，“连”谐音（第二，第四，第六等）取消，所以我们只需要处理“奇”的谐音。 参考图4，看看这些谐波的样子。

图4

该图中示出了基本的和三次谐波。 正如你可以看到，有三次谐波为基波的每个单周期的三个周期。 如果再加上这两个波形，我们得到了一个非正弦波形。

这种合成现在开始形成是表示由开关模式电源所产生的脉冲的峰值。 这样得到的波形非常相似于图3，如果我们加在其它谐波，可以模拟任何失真的周期性波形，诸如通过VFD系统的UPS产生的方波。

重要的是要记住这些谐波是一个简单的数学模型。 脉冲或方波，或其他波形失真是我们实际看到的，如果我们把示波器上的建筑物的布线系统。

这些电流脉冲，因为欧姆定律，也将开始扭曲在建筑上的电压波形。 该电压失真可以引起电子设备的过早损坏。

在三相系统中，三相电力系统是120'的相位差。 当前B相上后上A的电流同样，由于这种电流对C相发生120'之后的阶段B中的电流，我们的60赫兹（基波）的电流实际上取消发生120度（1/3周期）在中性。 如果我们有平衡的60赫兹电流对我们的三相导体，我们的中性线电流将为零。 可以证明数学上的零线电流（假设只有60赫兹的话）将不会超过最高负载相导线。 因此，我们对我们的相线过电流保护也保护中性线，即使我们不把过电流保护装置在中性导体。 我们所保护的中性的数学！

当谐波电流的存在，这道数学分解。 每个三相导体的第三谐波是完全同相。

当这些谐波电流，来一起在中性的，而不是取消，它们实际上增加，我们可以对中性导体比相导体的电流。 我们的中性导体通过数学不再受到保护！

这些谐波电流产生热量。 这种热过一段时间后，会提高中性导体的温度。 气温上升可能会过热周围的导体，造成保温失效。 这些电流也将过热而提供电源系统的变压器的来源。 这是谐波问题最明显的症状; 过热中性导线和变压器。 其他症状包括：

• 断路器误跳闸
• UPS系统和发电机系统发生故障
• 计量问题
• 电脑故障
• 过电压问题

几种补救措施，以解决这些症状：

尺寸过大中性导体

在具有共享中立三相电路中，它是常见的特大型中性导体高达200％的负载供应由非线性负载的时候。 例如，系统家具的大多数制造商提供了一个＃10 AWG导线与35安培终端的中性与三个＃12 AWG相导线共享。 在拥有大量非线性负载的馈线，馈线中性导体和配电盘母线也应过大。

使用单独的中性导体

在三相分支电路，另一种理念是不能合并中性，但运行单独的中性导体为每相导线。 这增加了33％，铜的使用。 而这成功地消除了另外的分支电路的中性谐波电流，该配电板中性母线和馈电中性导体仍然必须是过大的。

尺寸过大的变压器和发电机：设备的增加的热容量的尺寸过大，应也可用于变压器和发电机的服务谐波产生的负荷。 较大的设备中含有较多的铜。

K级变压器

特殊变压器已被开发，以适应所造成的这些谐波电流的额外加热。 这些类型的变压器，现在常用的新电脑室和电脑室设施规定。

特种变压器

有几种特殊类型的变压器连接，这可以抵消谐波。 例如，传统的Δ-Y型变压器连接将捕获所有triplen谐波（第三，第九，第十五，第二十一，等）的增量。 额外的特殊绕组连接可以用来取消在平衡负载等谐波。 这些系统还使用更多的铜。 这些特殊的变压器通常在计算机配备了很好的平衡谐波产生的负载，如多输入主机或匹配的DASD外设指定。

过滤

虽然许多滤波器在这个频率范围内不工作特别好，特别的电子跟踪滤波器可以很好地工作，以消除谐波。 这些过滤器是目前比较昂贵，但应考虑彻底消谐。

特别测光

标准钳式电流表只有敏感到60赫兹的电流，所以他们只说明了事实的一部分。 新的“真有效值”米会感应电流可达千赫兹范围内。 这些米应当用于检测谐波电流。 在一个旧风格的钳式电流表和真有效值电流表读数之间的差异会给你。 的指示谐波电流的存在量。

上述措施只是解决问题的症状。 为了解决这个问题，我们必须指定低谐波的设备。 这是指定的电子镇流器时，最容易做的。 许多厂商都生产其产生小于15％谐波的电子镇流器。 这些镇流器应考虑任何镇流器改装或任何新的项目。 直到低谐波电脑的情况下，隔离在不同的电路，不同的配电板和变压器中使用这些谐波负载应予以考虑。 “脏”和“干净”的负载隔离这是基本的电气设计出到今天。 这相当于多个分支电路，更配电板，从而更多的铜使用量。

接地导体：您的安全寿命

接地导体的要求在美国国家电气规范，并在世界上其他大多数主要的电气规范。 在英国IEE布线规则，他们被称为接地导体。 不管他们是所谓的，这些导体达到同样的目的。 接地导体连接所有的电气系统的非载流部件，或任何金属部件中的电气系统的附近在一起。 这部分包括导管，外壳，支架及其他金属物体。 这种接地系统有两个目的：

1， 安全。接地导线系统提供了故障电流流动的低阻抗路径。 这允许通过过电流保护装置（熔断器和断路器）进行检测的全电流，安全快速清除故障。

2， 电源质量，接地系统允许所有的设备具有相同的基准电压。 这有助于该设施电子设备的操作，并有助于防止对通信线路，密封件等连接流动反感的电流。

让我们来看看安全问题更加紧密。 请考虑以下系统：包括连接断开和配电盘上的电压源（变压器或发电机）的电源系统。 电器从该配电盘供电。 当电路被形成在电路流过电流允许设备进行操作。 接地导体装置的框架连接到配电盘是外壳和该服务的外壳。 这个外壳被连接到接地导体（通常是中性导体），其又连接到所述变压器的接地端子。

如果一个故障（或短路）时，接地导体连接允许电流流过。这个电流会比正常负载电流大得多，并会导致断路器打开快。 此安全清除故障，最大限度地减少任何安全隐患的人员。

假定接地导体被中断。 如果发生故障，就不会有电流在接地导体流到因为电路中断。 这打开了接地导体可能是由接地插脚非法切断插头，连接松动，这是不正确连接或许多其他原因的管道引起的。 这个故障离开通电的电器的结构。 当有人通过，触动电器，也触动了建筑钢材，另一个管道系统，并可能甚至是湿的混凝土地板，电路就会在电流通过人的身体完成的，伤害或杀害他们。

许多代码允许使用金属导管被用作接地导体。 很多设计师今天不认为使用钢导管用于该用途是足够的。 导管具有连接每十英尺，往往低年级，铸造金属接头和连接器使用。 目前已在文中的“接地”由威廉·萨默斯（由电气督察的国际协会公布），这表明长期分支电路，该钢导管的阻抗可以限制故障电流提供的数据，以使过电流保护装置会无法正常工作。 出于这个原因，我们认为，铜接地导线应在每个电源电路来指定。

这个铜接地导体的第二个好处是它会连接到它的所有设备提供等电位平面。 这往往使得通过计算机和其它制造商不必要指定的所谓隔离的接地导体。