解决电能质量之谜的简单规则

抽象的

典型的 电能质量问题 故障往往始于对工厂工程师或电气车间主管的紧急呼叫，他们报告的故障可能导致生产中断或计算机系统重启。事后，进行法证式调查可能是追踪电力质量问题根源最困难的方法。遵循几条简单的规则，就能让负责此类问题的人员迅速缓解大多数此类问题。这只需要具备基本的电力知识，了解各种参数在负载变化、电力公司切换以及其他电力质量现象的影响下是如何相互关联的。此外，还需要一台能够可靠地采集必要信息的电力质量监测仪。

背景

电力质量问题的日益严重，近期美国股市和空中交通管制系统发生的故障等重大事件便是明证。对于日常从事电力质量相关工作的人员来说，这并不令人意外。人们越来越依赖计算机和其他电子设备，而这些设备对各种电力质量问题的容忍度却越来越低，这是造成这一现象的重要原因。

这种易感性增加是基于多种因素，包括逻辑电压电平降低、时钟频率提高、设备通过局域网互连以及非接触式设备比例不断上升。线性负载同样重要的是，工商业和电力公司内部的重组导致这些机构中的电能质量专家分散甚至被裁撤。其结果是，更多的问题需要交给经验不足的人员处理。

解决电能质量相关问题有两种不同的方法：预防性/预测性维护和事后调查。由于缺乏了解和工作量增加，事后调查似乎仍然占据主导地位，尽管它们显然是最难解决的问题。两种方法都可以使用一些简单的规则来帮助解决大多数电能质量相关问题。虽然更复杂的成因可能需要经验丰富的人员的知识，但幸运的是，这种情况只占少数。

在介绍简单的规则和程序之前，需要先定义一套常用术语。在北美，这些术语的主要来源是 IEEE 1159《电能质量监测推荐规程》[1]。在欧洲，EN50160 标准以及 UNIPEDE 电压特性文档也是不错的参考资料。虽然两者都非常有用，但 IEEE 1159 目前对电能质量现象的定义更为详尽，因此本文将采用其定义，具体定义见附录 A。

预防性维护方法

许多公司都采用预防性维护或主动式维护方法来避免因生产力损失而造成的重大经济负担。无论是监控离线状态下UPS的输出，还是监测变压器的谐波水平以防止其寿命缩短，这种方法显然都是首选。然而，这种方法往往难以实施，因为许多人直到灾难发生后才意识到其益处。

预防性维护监测计划通常包含以下步骤：计划/准备、检查、监测、分析和实施解决方案。这通常是一个迭代过程，因为第一个解决方案可能只能缓解部分问题。对于经验不足的人员来说，数据分析是一项较为困难的任务。关于其他步骤已有大量文献论述，因此以下讨论将重点放在分析步骤上。以下预防性维护计划侧重于稳定状态，但其中许多规则也适用于间歇性状态。

假设使用能够进行精确测量的电能质量监测仪。为此，该监测仪应能够逐周期同时捕捉均方根值变化、微秒级瞬态信号以及至少四次谐波失真。测量电压输入应为高阻抗差分输入，可在星形和三角形接法电路中使用，无需假设电路处于平衡状态。

电流互感器应具有足够的带宽，以便捕获稳态和瞬态波形。然而，当电流互感器钳位在计量电流互感器的二次侧时，往往无法满足这一要求。如今，电压瞬态通常被浪涌抑制装置钳位，因此，可靠地检测瞬态的方法是触发和监测电流瞬态。

监测周期至少应持续一个业务周期。“业务周期”是指设施重复运行模式所需的时间。在每周七天、每天三班倒的工业场所，监测可能只需八小时。大多数设施的业务周期为一周。由于季节性变化，例如寒冷地区冬季静电放电 (ESD) 增加，可能需要每年重复进行多次调查。监测还应在设施内的各个位置进行。通常，调查从公共连接点 (PCC) 开始，即电力公司服务与建筑物服务连接的地方。接下来，在每层的配电盘进行监测，然后是每个分支电路末端的插座。设施内关键负载的数据也应包含在内。虽然这看起来数据量很大，但拥有设施的基线和概况在未来发生干扰时将非常有用。

数据收集完成后，通常会将其传输到台式机或笔记本电脑，以便使用PC软件程序进行分析。可接受数值的限制范围可参考FIPS PUB 94——《自动数据采集装置用电指南》（见附录B）等出版物。应遵守当地安全机构或设备制造商的规范，尤其是在这些规范更为严格的情况下。

超出这些限制范围的影响取决于设备的敏感性、电力系统的“刚性”以及其他同时存在的因素。这些并非绝对限制，而是用于提出问题的参考值。建议120V单相系统中的中性线对地电压介于0.5至3Vrms之间。[2] 如果电压接近零伏，则应怀疑存在非法的中性线对地连接。如果电压过高，则应检查是否存在可靠的中性线或接地连接。

电压调制（或波动）的存在会导致灯光闪烁，具体闪烁程度取决于调制频率。根据EN60868标准，在9Hz频率下，即使电压波动小于1%，白炽灯的闪烁现象也可能被察觉。[3] NEMA MG-1和IEEE Std 112标准建议，即使电压不平衡仅为3%，电机也应降额10%。[4,5] 随着非线性负载（例如PCS和打印机）的普及，以及许多设备被随意放置在各种设施中而未考虑保持负载平衡，3%的电压不平衡现象已屡见不鲜。

分析其他几个参数也很有帮助。应检查电流和电压的谐波畸变。应参考 IEEE 519《电力系统谐波推荐规程》和 IEC 1000-4-7，了解各谐波幅值和总谐波畸变率的限值。谐波畸变是否严重到需要降低变压器和其他感性设备的额定功率？

通过快速傅里叶变换 (FFT) 或离散傅里叶变换 (DFT) 分析谐波频谱，可以了解电路中运行的设备类型及其运行是否正常。例如，如果偶次谐波占比很高，则表明电路中存在半波整流。如果电路中的设备采用半波整流，则该值可能正常。但是，如果电源部分仅使用全波整流器，则可能表明半导体桥式电路的某个部分工作异常。

多极变换器的谐波通常以谐波对的形式出现，公式为 h=p*n+/-1，其中 h 为谐波次数，p 为极数，n 为从 1 开始的整数。例如，一个六极变换器（三相全波桥式整流器）的谐波频率为 5 次和 7 次，11 次和 13 次，17 次和 19 次，依此类推。

另外需要考虑的两个参数是源阻抗和负载阻抗。源阻抗是指所有线路和变压器阻抗（加上任何负载）指向源端的等效阻抗。负载阻抗是指所有负载和电路指向源端的等效阻抗。

利用IEEE Std 1100《敏感电子设备接地和供电推荐规程》（又称“翡翠书”）[6]中提供的公式，可以合理地近似计算这些值。根据欧姆定律（电压 = 电流 × 阻抗），负载阻抗等于线对中性线电压 V 除以线对中性线电流 I。虽然除非存在整个频谱范围内的信号，否则该值并非精确值，但它有助于确定负载开关的影响。

类似地，源阻抗是一个近似值，它是通过计算两个不同时刻电压之差，再除以两个同一时刻电流之差得到的，即 (V1-V2)/(I1-I2)。这个值可以用来判断电源的“刚性”。它还可以用来计算接通不同负载时电压骤降的程度。例如，如果一个 120Vrms 电路的源阻抗为 1 欧姆，正常负载为 10A，那么接通一个阻抗为 11 欧姆的负载会导致电压骤降至 100V。源阻抗大于 1 欧姆的情况需要进一步研究。

如果所使用的电能质量分析仪能够记录不同负载条件下谐波幅值和相位角随时间的变化，那么也可以计算谐波阻抗。这有助于识别系统阻抗（例如功率因数校正电容器）可能存在的谐振。

在预防性维护监测期间，还可以获取有关非稳态电能质量现象（例如电压骤降、骤升、瞬态和中断）发生频率的数据。这些数据可以直接与设备制造商提供的敏感性指标进行比较，也可以与近年来发布的各种调查结果进行统计比较。下一节将介绍如何分析扰动原因。

在北美，有三项近期研究可用于与“正常”情况进行比较，以确定不同类型电能质量现象的发生频率。美国国家电力实验室 (NPL) 的调查是在用电点进行的，加拿大电力协会 (CEA) 的研究是在公共耦合点进行的，而电力研究院 (EPRI) 的调查则是在配电电压等级进行的。[7] 大多数欧洲国家也开展了类似的调查，例如意大利 Enel 的研究、英国东米德兰兹的研究以及法国 IQF 的研究。

总之，预防性维护计划可以识别可能导致系统长期劣化或使系统易受电能质量问题影响的参数，例如可以通过变压器分接开关调整的低标称线路电压。如今市场上有许多电能质量监测器和软件可供选择，因此此类计划无需用户花费太多时间和精力。

概括

使用电能质量监测仪进行预防性维护调查和/或事后调查需要掌握欧姆定律和基尔霍夫定律。调查收集的数据将与可接受的限值进行比较，以确定哪些参数可能影响设备的正常运行。在故障排查中，首先要确定电能质量现象的方向（电源或负载产生）。然后，通过分析电压和电流波形的特征，并将其与不同类型负载或系统运行产生的波形进行比较，在许多情况下可以快速追踪到故障源。