⚡️ 關於電力,品質很重要 - 了解電力品質的基本問題及其應對之道!

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《關於電力,品質很重要 - 了解電力品質的基本問題及其應對之道》

作者:法國Chauvin Arnoux原廠 Julian Grant

※ 本文編譯自法國Chauvin Arnoux原廠"White paper: Understanding the basic issues of Power Quality and how to address them"

前言

假如您擁有或經營一家企業,很有可能您最不常思考的事情之一,就是您的電力供應品質。

首先,何謂電力品質?它如何變化? 

當然,您可以依賴您的能源供應商來關照這類事情,而無論如何,電力品質是否真的重要?或者,它只是專業工程師該掛心的事情? 

在本篇白皮書中,我們將回答所有這些問題,但首先,讓我們這麼說吧 – 電力品質絶對是我們所有人最該關心的問題! 

您是否曾經有過一件設備 – 最可能是電腦或其他電子產品 – 無緣無故經常發生異常或甚至故障? 

也許你碰過燈光閃閃爍爍,或者,假如你經營一家工廠,馬達比預期的更早過熱及故障!所有這些現象,都可能是電力品質不良的結果,而假如你沒有瞭解到這一點,那麼,你花在嚐試維修問題的時間及金錢,便可能浪費掉了!而這還不是全部:電力品質問題還會增加您的電費帳單,進一步侵蝕掉您辛苦賺來的利潤!

基於這些理由,每位擁有或經營企業的人,都須要具備電力品質的基礎知識,瞭解如何評估它,以及知道在發現問題時該做什麼?又或者,換一種方式,花幾分鐘閱讀本篇白皮書,也可以節省您很多時間、金錢及免去許多麻煩!

何謂“電力品質”?

首先,讓我們澄清一下,我們將只探討交流電源。這是因為儘管直流電源是可行的,而且實際上一直到20世紀中期以前相當普遍,但今日的電網營運商只提供交流電源。直流電源也許在不久的將來會重整旗鼓、捲土重來,因為在現代世界中,它們具有某些優點,不過,那將是另一篇白皮書的主題! 

在一個完美的世界中,您會期望您的電網營運商提供您在恆定電壓、固定頻率及具有理想正弦電壓與電流波形而無令人討厭的“突波”的交流電源。同時,假如是三相電源,您會期望三相電壓完全相同,那將是完美的電力品質!然而,由於我們並不生活在一個完美的世界中,您的電源實際上可能不會滿足這些要求,而且,即使它在進入您場所時,的確滿足了這些要求,但當它通過您場所的電氣設備時,也很可能已順勢降低了品質! 

這意味著,假如您有電力品質問題,在許多情況下,不能歸咎於電網營運商!事實上,營運商的確竭盡全力的確保他們在輸送“乾淨”的電源,但有一些影響電源品質的因素,例如雷暴雨,以及您在自己場所內安裝的設備,並非他們所能掌控。 

那麼,電力品質可能出現什麼問題?實務中,幾乎所有的電力品質問題都可劃分為六個主題,即:諧波、電壓驟降與驟升、暫態(突波)、干擾、電壓不平衡及不良的功率因數

在本篇白皮書接下來的部份,我們將依次檢驗這些問題。


諧波

正如前言中所提到的,在一個理想電力系統中的電壓與電流波形,將是完美的正弦波,而假如連接到電力系統的所有負載都是線性,這點並不難實現! – 換言之,負載從電源汲取的電流,始終與施加的電壓成正比。簡單型加熱器與鎢絲燈(白熾燈),便是線性負載的例子,一直到20世紀的最後幾十年,負載主要是屬於這一類型。 

然而,在最近的30年間,已有為數大幅增加的非線性負載連接到電網,這些包括了電腦及其相關的資訊設備、不斷電電源、變速馬達驅動器、電子照明安定器和LED燈…等,不勝枚舉。此類設備的使用成長及採用電子以控制幾乎所有類型的電氣負載,正開始對電力供應,以及,特別是個別的場所設施,產生一些令人憂心的影響。據估計,今日,在一個地點出現的諧波,有95%以上是由該地點安裝的設備所產生。 

如前所述,當一個線性負載連接到電源時,它是以與電壓相同的頻率汲取正弦電流。然而,非線性負載,汲取的未必是正弦電流。實際上,電流波形可能變得相當複雜,依負載類型及其與設施內其它組件的交相作用而定。非線性負載會在供電系統中產生失真的電流波形,並且,在嚴重的情況下,會導致明顯失真的電壓波形。後果可能包括大量的電能量損失、縮短的設備壽命及降低的設備運行效率。 

由非線性負載產生的波形失真,可經由數學分析,顯示出它是相當於在“純”電源頻率波形上增加了整數倍電源頻率的分量。也就是說,以50Hz電源而言,失真是以100、150、200、250、300Hz以此類推的其它分量的形式出現 – 如下圖1範例所示。
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圖1:失真波形可分析成多個疊加在一起的正弦波。 

這些其它的分量就是諧波,並且,理論上,它們可以一路一直到無限。不過,實際上,很少須要考量上述的諧波,例如,第50次,具有頻率50 x 50Hz = 2.5kHz,在多數情況下,只有較低次級諧波 – 最高到第25次,才重要!麻煩的是,除非防止它們這樣下去,否則,來自非線性負載的諧波,將透過電源系統傳播,引起其他地方的問題。 

由於瞭解失真的電流波形,始終可以以一連串疊加的正弦波表示(採用稱為傅立葉分析的數學方法),因此,可以設計測量存在於電源系統電流中的諧波失真的量,稱為總諧波電流失真或THDi,並使用以下的公式計算:

其中,I1是在電源頻率的電流,I2是在2倍電源頻率的電流,I3是在3倍電源頻率的電流… 以此類推。幸運的是,實務上,您不太可能須要用到這個公式,因為用於分析諧波的現代儀器會自動執行所有必要的計算,並直接提供您THDi的數值。

諧波電流對幾乎所有連接到電氣系統的裝置,都有負面影響 – 他們干擾敏感的電子裝置,增加熱及產生機械應力。諧波最常見的影響有電腦當機、資訊設備鎖住、燈光閃爍、製程控制設備中的電子元件故障、開關大型負載時出現問題、中性導體過熱、不必要的斷路器跳脫及不精準的測量結果。

儘管當中有一些影響例如燈光閃爍及資訊設備當機,可以在刺激因素消失後解除,其它例如製程設備故障,則可能導致代價高昂的停機事故,最糟糕的是功率因數電容器及配電設備例如電纜、變壓器、馬達及備用發電機故障…,其設備的更換,可能相當昂貴,並可能在漫長的交期後才得以使用。在這些情況下,維修成本與衍生的間接成本,都可能十分龐大。而且,即使沒有徹底故障,諧波的存在,也將導致設施內的電效率降低,致使您須要為過多的功耗付出成本!

諧波對功率因數修正電容器的風險,與任何電容器的基本屬性有關:其阻抗會隨著頻率的上升而下降。在高頻時,電容器幾乎可以表現為短路。功率因數修正電容器一般在設計時,是考量其在基本電源頻率下的運行,而它們對更高頻率諧波電流所表現的降低的阻抗,會導致增加的電流與增加的熱,而可能導致過早發生故障。假如電容器與相關的變壓器形成的並聯電路,剛好與其中一個諧波頻率共振,那麼,電容器也可能永久損壞。

馬達與變壓器中的渦電流發熱,與諧波頻率的平方成正比,所以,當供電系統中出現的更高次諧波增加時,發熱效應甚至會更劇烈的增加。這不僅僅會產生廢熱能源 – 您所要支付的成本 – 也會增加線路、馬達、變壓器和其它配電設備故障及甚至是火災的風險!

除了由發熱效應導致的損失外,馬達中的諧波,還會引發馬達軸承扭轉振蕩的問題現象。交流馬達中的轉矩,是由氣隙磁場與轉子中的感應電流之間的相互作用所產生。當對馬達提供非正弦電壓與電流時,氣隙磁場與轉子電流將不可避免的包含諧波頻率分量。


將這些諧波頻率分量分組為正序、負序與零序分量。正序諧波(1、4、7、10、13 等)產生磁場,並因此產生轉矩,在與電源的基頻所產生的磁場及轉矩相同的方向旋轉。負序諧波(2、5、8、11、14等)產生的磁場與轉矩,則在相反的方向旋轉。零序諧波(3、9、15、21等)並不形成轉矩,但會在機械內產生額外的損失。

正、負序磁場與電流之間的相互作用,產生馬達軸承的扭轉振蕩 – 顯現為軸承振動。假如這些振動的頻率與軸承的自然機械頻率一致,它們就會被放大,而可能發生對馬達軸承的嚴重損壞。由於這些振動,有時可能實際聽得到變壓器或馬達在“唱歌”或“咆哮”的聲音,而這往往是第一個觀察到的諧波問題的跡象之一。

有些最麻煩的諧波是第3次諧波及其奇數倍次諧波,即第9次、第15次等。這些諧波稱為三次級諧波。在每個電源相位上的三次級諧波是彼此同相,因此,它們會在三相四線系統的中性導體中相加而非抵消。假如中性導體的大小沒有調節到容許可能存在的諧波,那麼,這就可能使中性導體過載。

慶幸的是,使用具有諧波測量功能的電力品質分析儀或電力記錄器(法國CHAUVIN ARNOUX出品的PEL100系列),可以輕易的識別及測量諧波。儘管諧波通常無法被消除,但由於它們是在許多類型負載的正常運行過程中產生,因此,可以防止它們在整個配電系統及更廣大的電力網路中傳播。

通常,這是透過在靠近諧波來源處安裝被動式或主動式濾波器,及在某些情況下,藉由使用功率因數修正設備來達成。控制諧波將消除或至少緩和我們在本文本節中所探討的一切問題,帶來的好處包括改善設備效率及更長久的使用壽命,並且降低能源成本。

然而,需要注意事項是,採取措施以抑止諧波不太可能是一勞永逸的解決方案。在當今瞬息萬變的商業環境中,很可能相當頻繁的出現新的負載連接到您的電氣設施。而且,如果沒有測量,您如何知道這些裝置是怎麼對整體諧波造成影響?換言之,假如要維持降低諧波的好處,強烈建議您定期監測諧波。

電壓驟降及驟升

假如電氣設備要正常運行,須要以位在限定範圍內的電壓(及頻率)提供電能。為了幫助確保這一點,1994年11月由CENELEC制定了歐盟標準EN50160“由公共配電系統提供的電力的電壓特性”。該標準制定了在正常運行條件下公共中/低壓配電系統在客戶電源端的電壓的主要特性。

該標準規定了期望電壓可以維持住的限值範圍,但並未充份說明在公共電網中的典型情況。然而,此限值範圍相當大(單相電源為230V±10%),並且容許電壓在±10%頻帶外漂移最多5%的時間。

在實務中,真正重要的並非電源電壓滿不滿足標準的要求,而是它是否與連接到該電源的負載相容。有時,情況並非如此,而最常見的原因是電壓驟降與驟升。


何謂電壓驟降及驟升?

電壓驟降,是電源電壓突然下降10%至90%,持續10毫秒至1分鐘。電壓驟降的深度,是定義為驟降期間的最小RMS電壓與聲稱的電源電壓之間的差值。減少電源電壓不到10%的電壓變動,不視為電壓驟降。

電壓驟降可能由電網的外部因素或設施內的內部因素引起。它們可能是隨機發生的單一事件,也可能是以某種模式重複出現的一連串事件。無論何種情況,監測及記錄隨著時間而變動的電源電壓,可以確切的顯露出正在發生的問題,並協助找出原因。

外部因素比較可能產生單一事件,包括供電電網內的負載開關及故障清除。當在主電源與不斷電電源或緊急備用發電機之間切換時,便可能發生類似的影響。而在設施內常見的電壓驟降因素有大型負載的開關,例如馬達、電弧爐與焊接設備,以及有變動電流需求的負載的操作…等。在設施內產生的電壓驟降,往往發生在固定間隔或特定時間。

電壓驟降對電氣設備和建築住戶的影響,迴然不同,這是取決於事件性質及與電源系統連接的設備類型等因素。在一家使用螢光燈照明、採用具開關模式電源的設備及UPS系統的辦公室中,即使發生嚴重的電壓驟降,也完全有可能不會注意到。然而,另一家使用不同類型燈具、較老舊具線性電源的設備且無UPS系統的類似設備辦公室中,則可能經歷到相當多程度的中斷。
 
就交流感應馬達而言,電源電壓驟降會引起不同嚴重程度的特定問題。當提供給馬達的電源電壓下降時,其速度趨向於減慢。依電壓驟降的深度及其持續時間而定,馬達可能在電源電壓恢復時回復其正常的速度。然而,假如電壓驟降的幅度或持續時間,超過某個特定限值,馬達可能會停轉或因為接觸器脫落或欠電壓跳脫的作用,而斷開電源。對於由變速驅動器供電的馬達來說,驅動器可能會關閉,以避免可能的馬達損壞。

電壓驟升與電壓驟降相反,是定義為電源電壓在短時間突然增加10%或更大,之後,電壓恢復到正常值。同樣的,電壓驟升持續的時間,一般是視為10毫秒至1分鐘之間。電壓驟升幾乎總是由電源網路或本地設施內某處大型負載的關閉所造成。

儘管電壓驟降的影響可能比較明顯,但電壓驟升郤往往更具破壞性。定期且持續的電壓驟升,會使感應馬達內的絶緣,因電流增加及發熱而劣化,而終究導致馬達過早發生故障。電壓驟升也會使電源供應器內的元件因累積的過載效應而故障,並常常損壞對過電壓敏感的電子設備。

幸運的是,有些方法可以減輕電壓驟降與驟升的影響,不過,首要的第一個步驟,始終是先找出問題的原因。這可透過現場測量來達成,包括在電氣設施周圍移動,測量不同位置的電流與電壓,並使用這些測量資訊來找出電壓驟降與驟升的源頭。

現場測量採用現代功率及電量記錄器(法國CHAUVIN ARNOUX出品的PEL100系列)或電力品質分析儀,是最容易執行。這些儀器可以快速而非侵入式的連接到配電板及設施內其它的關鍵測量點,並保留在該處蒐集及記錄資訊。在許多情況下,連接儀器時,甚至不必關閉設備電源。

假如監測結果顯示問題來自外部電源,並且,超出為公共電源制定的電壓限值,那麼,便是致電給您的電力供應商的時候了。然而,在許多情況下,將會發現問題的來源是出在您自己的設施,而一旦您已經找到引起電壓驟降或驟升的設備,便可開始考慮採行補救措施了。

舉例而言,這些補救措施可能包括從一個專用電路供電給有問題的設備、安裝UPS,或者,假如是馬達的話,安裝一個軟啟動或變速驅動器,以降低馬達在啟動過程中從電源汲取的電流的突然變化。假如這些補救措施證明不切實際或無效,那麼,可能是您再次致電給您的電力供應商的時候,以了解是否能提供一個更具彈性的服務。

變速驅動器

暫態

暫態通常稱為突波,可能對設備及設施有影響 – 從溫和的刺激到極度的損傷和燒錢!電氣暫態是極為快速短暫的電壓突波,幅度可為幾kV,可能是單一事件,也可能以脈衝群形式出現。電壓突波會增加負載中的電流,被視為電流突波,導致電能量從電源轉移至負載的瞬間增加。依暫態幅度與持續時間而定,以此形式轉移的額外電能量,可能微不足道或沒有影響,也或者,足以造成嚴重的損壞!

我們通常認為多數暫態是由受到影響的設施外部的事件所產生,例如電力公司供電設備中的雷擊、負載開關及故障清除。的確,基於它們的高電壓與高電能含量,由閃電產生的暫態,對設備造成損壞與故障的風險最高,不過,多數暫態 – 研究顯示超過80%以上 – 實際上是在設施本身內部產生。

 
由閃電感應的暫態很罕見,那為什麼它們可能如此具有破壞性呢?典型雷擊中的電流會在1至10微秒間快速上升至它的最大位準,然後,在大約50至200微秒間緩慢衰減。如此快速變動的電流,會產生從雷擊位置往外傳輸的電磁輻射(無線電波)。假如此種輻射遇到電導體,例如電線、通訊線或金屬管,那麼導體的作用就像天線,會將高電壓 – 暫態 – 感應進入。請注意,導體不必直接被閃電擊中,即使擊中靠近導體附近的地面,也能感應強大的暫態。
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在電力公司供電設施內的其它外部因素,例如負載開關及故障清除,也會產生暫態。負載開關暫態是由電氣、磁場或以旋轉機械而言是在開/關的瞬間將儲存在裝置內的機械能突然釋放所導致。

另一個更頻繁的暫態來源是設施內的負載開關。會引起暫態的事件,可以像是匯流排轉換開關之類的情事,不過,它甚至更可能像是斷路器或接觸器開路或閉路之類的簡單事件。即使操作電燈開關,也會產生暫態,並且,在各種情況下,假如開關裝置故障或有腐蝕性接點,還會增加暫態的位準。辦公室設備,例如影印機和雷射印表機,也因為會產生暫態而惡名昭彰 – 正如暖通空調系統一樣。實際上,每當開/關電感性或電容性負載時,幾乎一定會產生暫態 – 儘管在多數情況下只是個小暫態 – 也會透過電氣設施傳播。
 
當思考突波對連接的電氣設施和設備的影響時,一般是指由設施內部產生的暫態 – 通常較小,並可能隨著時間慢慢造成老化。不過,由閃電及大型電感性負載開關產生的大得多的暫態,卻可能造成立即的絶緣損壞及因此傳送大量的電能進入設備,導致故障及在最糟的情形下引發火災及甚至是爆炸!

這些嚴重故障的機制是,當設備遭受的暫態所具有的電壓高於設備絶緣的擊穿電壓時,很可能發生閃絡。閃絡是一種可被來自供電系統的電流通過的低阻抗電弧。由於其背後有主電源所有的能量,電弦強度及其產生的熱,幾乎可以無限制的增加,從而帶來火災、爆炸及危及生命的風險!

傳統電氣設備僅僅在曝露於大的及/或高能量會遭受損壞,不過電子設備則敏感得多除非有保護,否則可能會造成不能維修的損壞。這因為微控制器及類似的元件,仰賴微小、幾乎薄到矽區域來將它們緣,此種絶緣可能被傳統設備中完全忽略。值得注意的是,暫態對電子裝置的損害,障,但可能使其本身在未時間點表現為似乎是隨機的故有鑑於今日商務、企業及製造的幾乎各個層面對電子系統的依賴,此類故障是一個真正令人憂心的問題,因為它們經常會導致成本高昂的停機事故及相應的成本。

即使當暫態並不造成設備故障時,它們仍可能具有破壞性,例如,造成電腦當機及資料喪失、製程控制系統意外關機及甚至殘餘電流裝置(RCD)無緣無故跳脫。

 
有許多作法可以提供不受暫態危害的保護,而選擇最適當的型式,必須考量暫態的電壓、持續時間及功率位準,以及要保護的設備的類型。有些類型的設備,例如馬達,可能設計為在沒有進一步保護的情況下得以承受典型供電系統的暫態,然而,這絶不應視為理所當然。電子設備也可能具備內建保護的特色,但假如沒有在使用設備的場所的配電系統安裝其它形式的保護,光靠其本身是不太可能足夠的!

原本可能似乎不須要為測試設備例如萬用電錶及多功能設施測試器提供暫態保護,不過,實際上,此種保護是不可或缺的!電氣設施在執行測試時,跟其它任何時間一樣,都可能經歷暫態,假如暫態的結果所釋放的能量,足以破壞未受保護的儀器,那麼,有可能靠近儀器或甚至拿著儀器的使用者,也很可能受傷或甚至發生更嚴重的事故!

儀器對暫態保護的需求,體現在BS EN 61010 “用於測量、控制及實驗室使用的電氣設備的安全要求”中,其內容要求測試設備要能耐受適合於即將使用儀器的設施安裝點的暫態位準(請參考下表)。
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BS EN 61010確認由外部產生的暫態,在電源進入建築物的那個點將最為嚴重,並在它們傳輸通過電氣設施時,由於線路和其它設備的電感、電容及電阻,而逐漸降低幅度。簡言之,這表示,連接在電源點的儀器,須要能耐受的暫態電壓,高於其設計是連接到設施內固定線路的儀器,反過來說,須要比僅僅使用在插入插座的設備上的儀器耐受更高的暫態電壓。這摘要說明於上表顯示的類別等級中。

CAT I等級儀器可用於在不直接連接主電源的二次側電路上執行的測量。CAT II儀器適用於在連接到標準230V主電源插座上的裝置執行的測量。CAT III儀器適用於在建築物設施內的固定線路上執行的測量,這包括,例如配電板、斷路器、匯流排、接線盒及工業設備。CAT IV儀器則可用於在低電壓設施的電源執行的測量。

由於具備特定類別等級的儀器,也可使用在較低類別的應用 –  CAT IV儀器可用在低電壓設施內的任何位置 – 因此,投資具備高CAT等級的儀器,往往很划算!因為這將可降低使用不適當的儀器執行特定工作的風險。

暫態可藉由使用突波保護裝置(SPD)而減輕。突波保護裝置(SPD)是設計用於防止電壓突波及突波損壞設施線路、基礎設施和設備。假如發生過電壓,SPD會將因此產生的過多電流轉向流到接地,並將電壓限制在預定的最大值。依情況而定,可以將SPD安裝在靠近暫態的內部來源或需要保護的負載處,或兩者兼備。

目前有三種類型的SPD,第一型SPD可以釋放部份的閃電電流,適用於透過架空線路供電或具有符合BS EN62305標準的屋頂避雷系統的建築物。第二型SPD適用於所有其它類型的設施,並且往往是安裝在進入的電源點及/或子配電板。第三類型SPD具有較低的放電容量,適用於為敏感設備提供局部的保護。在多數情況下,它們應該只用於輔助由第二型SPD所提供的保護。關於如何進行選擇及其應用的更多詳細資訊,請參考製造廠官網,並同時參考最新版IET線路規定(BS 7671) – 如今已包括一節專門談論突波保護與SPD的內容。

為確定您的設施是否正經歷由暫態所引發的問題,第一個動作是使用一台電力品質分析儀,而且,由於暫態幾乎總是斷斷續續的,它還必須具備資料記錄功能,以便記錄能夠進行一段適當長的時間。一台理想的分析儀,將可讓您設定限值與警報,以便在偵測到明顯的暫態時通知您,然後,您可檢查由儀器儲存的資料及得到關於暫態形式與持續時間的進一步資訊 – 此種資訊對於判定暫態來源相當寶貴!


電力品質分析儀CA83xx系列

電氣干擾

電氣干擾,更正規的說,稱為電磁干擾(EMI)或射頻干擾(RFI)。假如我們要賣弄學問,那麼,EMI是更為概括性的名稱,嚴格的說,RFI僅適用於在無線電傳輸頻段上的干擾。不過,基於我們的目的,在此,這兩個名稱是可以交替使用。而在本篇接下來的內容,我們將只稱EMI。

通常,EMI比暫態較不具殺傷力,典型的影響,是使設備暫時性功能異常,而非永久性的損壞。然而,設備功能異常,往往成本高昂且具破壞性,因此,EMI不可等閒視之。EMI可能出自各種來源,包括雷達、電視、廣播、行動電話與微波發射器  – 從較不明顯的外部源頭例如太陽磁暴及由遠方雷暴產生的無線電信號而來。外部EMI可以透過電磁感應、靜電耦合或傳導進入電氣設施。EMI也可能由設施內部的設備產生 – 儘管現代電器和設備的製造,應符合可將EMI產生的風險降至最低的電磁相容(EMC)標準。

電力及照明設備,不太可能直接受EMI影響 – 即使用於控制此類設備的電子裝置可能易受影響。EMI最常被經驗為音響設備的噪音或嘶嘶聲,以及電視螢幕上的畫面干擾。其它較不立即顯現的常見影響,包括數據網路性能下降及甚至是完全停止這些網路的運作。這會導致增加的錯誤率及可能完全損失資料。重點是須要注意EMI可能在彼此靠近的電纜之間串擾傳輸。基於這個理由,應該始終注意將電力及數據纜線隔離,並在適當的地方使用屏蔽纜線。

有廣泛的各種可以阻隔EMI及防止其進入設備的產品,包括EMI抑制濾波器及AC線路濾波器,以及鐵氧體磁芯與微波吸收器。此類裝置只對傳導EMI有效。有效的屏蔽 – 將敏感設備封裝在一個接地的導電盒內 – 是防範輻射與感應EMI的最好方法,因此,一個完整的解決方案,需要結合屏蔽與濾波。

電壓不平衡

電壓不平衡是個往往很少或不受關注的電力品質問題。這很不幸,因為,正如我們以下所要了解的,不平衡的電源會有嚴重的後果。當然,假如您的企業只有單相負載,不平衡對您不是個問題,您可以安心的跳過這一節,但假如您有任何的三相負載,繼續往下讀,將可得到很受用的建議。

在一個平衡的三相交流電源系統中,所有三相的電壓,幅度都相等,且相位分隔120度。在一個不平衡的系統中,相電壓並不相等,且/或相位並非相隔120度。電壓不平衡比相移更常見,典型是由大型單相負載造成,例如EV電動汽車充電站、感應爐及某些牽引系統。

這些單相負載可能連接在其中一個相位與電源中性線之間,當它們只從三相中的一相汲取電力,或是連接在2個相位之間,而當它們從三相中的二相汲取電力時。
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由電壓不平衡造成的繞組損傷

無論何種形式,三相皆是不平等負擔,而負擔沉重的相位上的電壓將下降。此種電壓下降,對於連接在相同電源系統的所有其它設備而言,即視為電壓不平衡。在一個三相系統中不均勻的分佈即使相當小的單相負載,假如夠多的話,也會造成輕微的電壓不平衡。當對建造時原本平衡的設施增加額外的電路後,此種情況便常常伴隨著時間而發展形成。在功率因數修正電容器組中不均等的退化,或甚至是一個或多個電容器完全故障,是另一個電壓不平衡的原因,而由設施內或進一步備援電源網路中的某個相位上的故障,也會產生暫時的不平衡。

具備平衡的相電壓,可視為是工業設施中最重要的要求之一,尤其是,假如它採用三相馬達,並且,至關重要的是,假如它們是運行在或接近其最大的負載容量的話。因為一個完全負載的馬達,在馬達終端的不平衡電壓,會產生相電流不平衡百分比達相電壓不平衡百分比的10倍。意思是,在不平衡電源上運轉的馬達勢必被大幅降額,即使電壓不平衡顯得相當小。而且,由於不平衡增加2d I R損失,也使其必須將電力電纜降額。

依據IEC標準,電壓不平衡是定義為負序電壓對正序電壓的比。簡要的說,三相電壓可以在數學上表示為正序、負序與零序成份的總和,正序電壓在馬達內產生依馬達預期旋轉方向旋轉的磁通量,負序電壓則產生在反方向旋轉的磁通量。由於正序電壓總是比負序電壓大得多(假如馬達已正確連接的話),因此,不影響馬達的旋轉方向。

由負序電壓產生的反向旋轉通量,會在馬達繞組內產生額外的熱,可能終究導致絶緣擊穿及過早的馬達故障。連續運行在高於建議的操作溫度10°C的情況下,會使旋轉機械的壽命減少2倍,而縮減的馬達使用壽命,幾乎總是具有破壞性且成本高昂!這個問題的重要性與普遍性,可從大量企業開發製造用於監控電壓不平衡的設備以輔助保護馬達得到證實!

除了馬達本身以外,許多固態馬達控制器和逆變器,也包括了對電壓不平衡敏感的元件。依產品而定,其中有些產品在偵測到明顯的電壓不平衡時會關機,以保護本身與馬達,儘管如此可以保護設備,但由此產生的運行中斷,成本仍然相當高!而對於不會自動關機的較不複雜的產品來說,電壓不平衡是其前端二極管與匯流排電容器縮減壽命的常見原因。

不中斷電源(UPS)與電源逆變器,當出現不平衡的電源電壓時,經常會在直流輸出上產生增加的漣波,並且,在許多情況下,也會在電源系統內增加諧波電流,而以降低的效率運行。

由於電壓不平衡會有如此多的不利影響,因此,由國際標準涵蓋,並不令人訝異!例如,IEC 60034-1,對供電機械施以1%的負相序電壓限值。然而,EN 50160聲明可預期最高達3%的不平衡,並指出可接受的電源系統標準為“在正常操作條件下,在一週的每個週期間,電源電壓負相序成份的95%的10分鐘平均RMS值,要落在正相序成份的0至2%範圍內”。

PEL103電力記錄器

很幸運的,使用CA PEL100系列電力記錄器,可以輕鬆的進行電壓與負載(電流)平衡的測量,並因此辨識出不平衡。

PEL電力記錄器連接在輸入電源處,可監測整個設施在各個相位隨時間變動的負載,以瞭解負載在正常的操作日或週如何變動。PEL電力記錄器可以快速的在設施周圍移動、進行非侵入式的連接,並用於測量個別設備或電路負載與電壓,以在整個設施達到平衡。然後,可以重新將它們連接到輸入電源處,以持續監測不只是電壓平衡,還包括其它重要的電源參數例如諧波與功率因數。

有兩個關鍵步驟可減少電壓不平衡及其影響。第一步是對大型單相負載使用單獨的電路,並儘可能將它們連接到靠近電源處,如此可確保該單相負載不會在其它設備所使用的任何線路上引起電壓下降。第二步則是要確保所有單相負載 – 大型與小型,都平均分佈在所有三相上。這兩個步驟可以省掉很多麻煩及費用。

功率因數

如同“電壓不平衡”,功率因數也鮮少被視為電力品質問題,但它絶對最應該是!因為不良的功率因數很常見,這表示,企業為了不使用及不能使用的電能量花費了大筆金錢,而要改正它其實相當容易且成本不高!


不良的功率因數並非是一個新議題!幾十年來,負責照管工、商業設施的經驗豐富的工程師,已採取適當的措施確保其現場具有理想的功率因數。不過,時至今日,有愈來愈少的現場擁有如此的工程師來照管它們,因此,功率因數已被遺忘,無可避免的結果是不必要膨脹的電費帳單。但實際上何謂功率因數?為何它如此重要?

說明的關鍵點在於,工、商業應用中所使用的某些類型電氣設備,會在耗用它們預期工作所需的實功率外,額外消耗某一定量的虛功率。這些設備通常是電感性設備 – 亦即包含線圈作為其結構一部份的設備,例如馬達、電感加熱器、弧焊機、壓縮機及多數類型的螢光燈。重點是要瞭解,對設備使用者而言,虛功率並無絲毫用處。

典型而言,“虛功率”是指某一設備所使用的“實功率”與其“消耗的總功率”(稱為“視在功率”)之間的向量差。而功率因數是“實功率”對“視在功率”的比。具有“低功率因數”的設備 – 往往更常被稱為“不良功率因數” – 會比做相同有用工作但具有高(或理想)功率因數的設備,汲取更多電流,更高的電流,會增加配電系統內的電能量損失,也因此,要支付更多的電費。

虛功率是以kVAr單位(仟乏或無效仟伏安)測量,實功率是以kW(仟瓦)單位測量,而視在功率是以kVA單位(仟伏安)測量。

 
較通俗的說,此種情況若將它比擬成啤酒,會更容易理解!假如您買一品脫生啤酒,您要付錢的整杯啤酒相當於“視在功率”。但仔細看 – 那杯啤酒上面有泡沫頭!啤酒是你真正想要的部分,相當於“實功率”,而泡沫頭,對你的提神無絲毫貢獻,相當於“虛功率”。裝滿啤酒的一品脫玻璃杯,若無泡沫頭,表示功率因數為1 – 無半點虛功率!但實際上,那往往是不可能的!而0.95(相當於減少5%的泡沫)或更高的功率因數,一般則視為可以接受。

但是假如電氣設備本身就會消耗實功率,那又該怎麼辦呢?幸運的是,可以透過增加功率因數修正系統的合乎邏輯的方式來修正功率因數。這通常採取的形式是將電容器連接在主配電板或有時是在其它位置上。

許多現場已有一些形式的PFC,不過,如前所述,它並非是一勞永逸的解決方案。假如有更多設備安裝在現場,或者在現場使用的設備類型明顯改變了,那麼PFC系統可能不再足夠。同時,值得注意的是,PFC使用的電容器會在使用多年後退化,而最終可能須要更換。

事實上,依據The Carbon Trust的資訊,工業設施以高程度的虛功率運行而給出功率因數介於0.7與0.8之間的情況並不少見,此點令人驚訝,且完全不必要!因為測量功率因數一點也不難!可以使用攜行式測試儀器輕鬆測量,或者,透過持續顯示的數值,連同其它一些有用的參數包括電壓、電流及耗電量,進行實時固定的監測。

儘管用於降低虛功率的PFC系統的規格,需要具備幾個條件的知識,包括現場電壓位準和虛功負載的典型使用、整個現場的使用情況以及現場負載需要的電力品質,但所有這些因素都很容易測量及/或計算。一個設計合宜的PFC系統,將只占它所帶來的節省成本的一小部分而已。

最簡單的PFC形式包括安裝電容器,而它是值得四處逛逛及聽取專業建議,以找到能確切滿足您特定需求的系統。假如單台機器具有不良的功率因數,可以將電容器與它並聯連接,以便在機器開機時補償不良的功率因數。或者,假如現場的功率因數一直都很差,而且沒有單項設備單獨負責,那麼,可以將固定式PFC通過主電源連接到該場所。

在更複雜的應用中 – 有許多機器在不同的時間開與關,那麼,功率因數可能受到頻繁變化的影響。在此種情況下,須要透過將電容器組依需求切進或切出電路的方式來自動控制PFC的量。並且在具有大型非線性負載的設施中,由於有與它們相關的諧波電流,可能須要使用失諧的PFC系統。市場上有許多解決方案可提供這類功能,但假如您有任何欵問,應總是尋求專家的建議。 


關注品質

我們,希望本篇白皮書已成功的揭開了有時很複雜的電力品質問題的神秘面紗,並說明了為什麼我們認為它們如此重要。假如您是典型的企業主或經理,毫無疑問的,您相當注重您為您的企業所購買的產品與服務的品質,那麼,對於電力及電能,也理當如此。畢竟,電費賬單可能是您支出中的一個重要部份。

我們也已說明,電力品質可能以多種形式降低,而此種品質降低通常會帶來不便且成本高昂的後果。然而,同樣重要的是,我們已經證明電力品質問題很容易偵測到 – 當然了,是在使用正確設備的情形下 – 並且,在多數情況下,一旦發現了問題,便可使用方便且負擔得起的解決方案處理!

我們試著在本白皮書中儘量清楚的傳達資訊,但無庸置疑的,電力品質可能是一個令人生畏的議題!因此,假如您想瞭解更多關於我們所提出的想法的資訊,或者,假如您需要協助以開始自己的電力品質調查,請與我們聯繫,與我們交談無需任何費用,但可以對您的成本及盈利能力產生重大的影響!

作者:Julian Grant

本文圖文取材翻譯自Chauvin Arnoux"White Paper:Understanding the basic issues of Power Quality and how to address them"!

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2022-06-20