发挥想象 - 关键词语 几个重要的词语 : 法官 保姆 伙伴 眼睛 电气系统 预测性维护 室外总线路 配电通道 设备故障诊断 变压器 配电箱 电能质量报告 变压器 节能降耗 节能减排 马达 配电箱 配电箱 马达起动器

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1 FLUKE IG - Power Quality 与设备使用的关系 吴天慈 Tianci.wu@fluke.com Keeping Your World Up and Running

2 发挥想象 - 关键词语 几个重要的词语 : 法官 保姆 伙伴 眼睛 电气系统 预测性维护 室外总线路 配电通道 设备故障诊断 变压器 配电箱 电能质量报告 变压器 节能降耗 节能减排 马达 配电箱 配电箱 马达起动器

3 为什么变压器, 用电设备会烧毁?

4 工作场所有些什么用电设备? 生产设备 办公设备 配电设备 照明系统 变频系统 驱动系统 保障系统 环控系统 数据处理系统

5 工位现场有些什么电气装置 设备?

6 您是否遇到过以下问题? 设备停机 服务器重启 电机或变压器过热, 甚至烧毁 生产线次品废品率增高 如何快速排除设备故障

7 电能质量 问题?! 电压骤降 / 骤升? 中断? 电压瞬变 闪变 波动现象? 谐波过大? 三相不平衡? 冲击电流? 电气安全特性? 电能质量 问题既不遥远也不高深!

8 中国国标 : 电能质量标准 电能质量测量标准 电能质量电力系统频率允许偏差 (GB/T ) 电能质量供电电压允许偏差 (GB/T ) 电能质量电压波动和闪变 (GB ) 电能质量三相电压允许不平衡度 (GB/T ) 电能质量公用电网谐波 (GB/T ) 电能质量暂时过电压和瞬态过电压 (GB/T ) 供电系统及相连设备的谐波 谐间波的测量和测量仪器导则 (GB/T ) 电能质量测试分析仪检定规程 (DL/T ) 电能质量监测设备通用要求 (GB/T , 待批 ) 相关的设备标准 低压电气及电子设备发出的谐波电流限值 ( 设备每相输入电流 16A) (GB ) 对额定电流不大于 16A 设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制 (GB ) 对额定电流大于 16A 的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制 (GB/Z ) 电磁兼容限值中 高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估 (GB/Z ) 电磁兼容环境电磁环境的分类 (GB/Z ) 电磁兼容环境工业设备电源低频传导骚扰发射水平的评估 (GB/Z ) 半导体变流器与供电系统的兼容及干扰防护导则 ( 待批 ) 风力发电机组电能质量测量和评估方法 (GB/T ) 电能质量治理设备标准 输配电系统静止无功补偿器用晶闸管阀的试验 ( 待批 ) 静止型无功功率补偿装置 (SVC) 功能特性 ( 待批 ) 静止型无功功率补偿装置 (SVC) 现场试验 ( 待批 )

9 电能质量 : 谐波 谐波 : 产生原因 危害与治理 谐波电流产生原因 : 整流负载 谐波电压产生原因 : 用户的谐波电流 谐波的主要危害 : 谐振 设备过载发热 解决方案 : 提高设备容量 滤波

10 谐波电流 : 负载非线性 (1) 线性系统 : 判断标准 : 对正弦波输入的响应 谐波电流的产生原因 整流负载的非线性 例 : 整流负载的非线性 例 : 半波整流电路的输出信号 例 : 三相桥式整流电路的非线性 线性系统 Aout Ain 输入正弦波 Aout = KAin 输出正弦波 输入 输出 ( 电网侧电流 :THD 为 136%) (A 相电流 :THD 为 99%) 相移 线性系统特点 : 输入正弦波, 输出为同一频率的正弦波 输入输出之间有幅值差异及相移 线性负载 : 电阻性, 电感性, 电容性 非线性负载 : 如 : 内含整流电路的设备 负载的电流与施加的电压不呈线性关系, 电流中包含有其它频率成分, 即 : 谐波 ( 电网侧电流 : 典型频谱 ) (A 相电流 :THD 为 31.9%)

11 谐波电流 : 负载非线性 (2) 线性负载与非线性负载 电流电流 非线性负载电流波形频谱 THD 变频器 电压 电压 充电器 电流波形 电流波形 计算机 电压波形 电压波形 线性负载非线性负载典型的非线性负载 : 晶闸管整流设备 荧光灯 系统阻抗 线性阻抗 I3rd I5th I7th 系统电源 6 脉动整流设备 : 电流频谱, 第 次谐波非线性负载的等值电路

12 谐波电压 : 非线性负载的谐波电流 (1) 谐波电压的产生原因 由用户非线性负载的谐波电流而引起 流过系统阻抗的谐波电流, 导致了谐波电压的产生 谐波电流 系统阻抗 以及由此产生的谐波电压, 随时间而变化 电压源 E 系统阻抗 Z U = E - ZI 谐波电流 I 其他负载非线性负载 加大供电系统容量 抑制谐波影响与危害的主要措施之一 : 提高系统容量 供电系统容量越大, 则 : 系统等值短路阻抗就越小, 母线谐波电压水平则越低 选择更高等级的供电电压 高压电网的短路容量大 大功率谐波源负荷, 可以由电网的更高一级电压供电 F430: 波形测量 F430: 谐波分析

13 谐波电压 : 非线性负载的谐波电流 (2) 非线性负载的谐波电流在系统阻抗上产生的电压降, 导致配电网出现谐波电压 系统阻抗 线性负载 线性负载示例 非线性负载示例 电压源 非线性负载 系统阻抗 基波电流 系统阻抗 含谐波电流 系统电源正弦波 PCC 点 配电网电压 线性负载 出现谐波 受配电网影响 非线性负载电流含高次谐波 电压源 线性负载 电压源 非线性负载 出现谐波电压 谐波问题的现象 : 过电流 谐波 : 集肤效应 集肤效应 : 交流电流趋向于在导体外表面流动 工频下集肤效应影响很小, 300Hz 以上时较为显著 高的谐波频率增大了导线的谐波电阻, 导致附加的损耗和过热

14 谐波的主要危害 可能引发谐振现象, 导致电容器 互感器等因过电流或过电压而损坏 谐波可能导致继电保护 安全自动装置拒动或误动作 增大了电力系统的谐波损耗 降低电力设备利用率, 使电气设备 ( 如旋转电机 电容器 变压器 ) 及导线 ( 如低压中性线 电缆 母排等 ) 过载运行 ( 发热 振动 异常声响等 ), 缩短使用寿命 谐波 : 导致设备过载运行 发热 谐振 : 电容器损坏事故 3 次谐波 : 导致中线过载谐波 : 变压器损坏事故

15 谐波 : 使功率因数降低 非正弦电压或电流以谐波形式表示 : 有效值公式 : 利用三角函数的正交性, 整理可得有效值积分结果 : 即 结论 :1 总有效值为直流分量及各次谐波分量有效值平方和的方根 2 谐波分量通常将使有效值增大 3 谐波, 并不一定增大有功功率 真功率因数 基波功率因数与谐波的关系 正弦波电源电压, 非线性动态负载 : 对于正弦波电源电压, 谐波电流不产生有功功率 但谐波电流使总有效值增大, 从而降低了功率因数 有功功率 : 电流有效值 : 真功率因数与基波功率因数的关系 : PF/DPF THD(%) U 真功率因数 基波功率因数与谐波的关系 = U U U

16 用户 : 如何发现 评估与诊断谐波问题? 谐波电流状况 〇 16A 以下设备应满足的谐波限值 :GB ( 等同于 IEC :2001) 〇 16A 至 75A 设备应满足的谐波限值 :IEC :2004 国标对小于 16A 用电设备的谐波限值, 与 IEC 相同 由 3C 认证严格要求 大于 16A 设备的谐波限制, 国标 GB/Z 等同 IEC :1998 (EN 采用了 ) 〇 PCC 点注入电网的谐波电流 :GB/T 发现 评估与诊断谐波问题 〇 PCC 点供电网电源电压的谐波水平 :GB/T 〇谐波可能带来的主要问题 : 设备过载 谐振 谐波电流过大可能导致设备过载 : 过热, 使绝缘老化 降低设备寿命 破坏设备 红外热像仪 : 寻找 发现电气设备与动力系统的非正常现象 电能质量测量仪器 : 正确诊断 定量计算 原因分析 过电流, 谐波电流含量的大小 例如 : 维护监测时发现,3th 谐波电流达 60% 该谐波状况是偏高, 还是正常? 评估与诊断标准 : 设备工作的热像 是否存在不正常的温升与过热 谐波电流过大 : 设备过载 发热, 破坏绝缘 降低设备寿命电力变压器 : 异常发热现象

17 电能质量 : 三相不平衡度 三相不平衡度 ( 三相电压不平衡 三相电流不平衡 ) GB/T

18 三相不平衡 理想的三相交流电力系统 : 三相电压为同一幅值 频率, 相角互差 1200 三相不平衡产生原因 : 三相负荷不对称 单相大容量负荷 ( 如电气化铁路 电弧炉 电焊机 ) 在系统中容量与电气位置分布不合理 理想的三相交流电压 幅值 时间 三相电压不平衡 : 波形示意图 三相不平衡 ( 即存在负序分量 ) 的危害 : 导致继电保护误动作, 电机附加振动力矩与发热 三相不平衡解决方法 : 将不对称负荷尽量合理地平衡分布于三相中 将不对称负荷接入高一级电压供电 电流 (A) 电流不平衡现象 : 实测录波结果 电压等级越高, 不对称负荷在系统总负荷中所占比例就越小, 电压三相不平衡度也随之减小 时间 (ms)

19 电压瞬态变化 : 过电压现象及危害 暂时过电压 : 工频过电压和谐振过电压 瞬态过电压 : 操作过电压和雷击过电压 * 过电压类别 : 例 : 雷击过电压 空载线路合闸过电压 系统工频过电压等 * 电能质量暂时过电压和瞬态过电压 (GB/T ) 雷击过电压空载线路合闸过电压 110kV 开关 SF6 断路器断路器 : 系统工频过电压 过电压现象 : 冲击瞬态 振荡瞬态过电压危害 : 绝缘破坏 冲击型瞬态变化振荡型瞬态变化瞬态 : 过电压破坏绝缘

20 电压瞬态变化 : 监测与捕获 电压瞬变 : 包括冲击型瞬变现象 振荡瞬变现象 瞬态 : 半个周波 (10ms) 内, 瞬态变化现象 测量方法 : 与标准正弦波比较 ( 暂态 : 从 10ms 到 1min, 骤升 骤降与电压中断事件 测量方法 : 半周期有效期计算 ) 捕获电压瞬态变化现象的原理 : 包络线触发 F1760: 以纯正弦波为基础, 按用户指定的容差限值设计波形包络线范围 如果实际波形超出设定的范围, 仪器启动其捕获功能, 并将捕获的波形与事件发生的时间等存储记录 F1750 瞬变记录的规格 : 测量类型 : 波形采样, 并非峰值检测 测量范围 :8000Vpk 采样分辨率 :200ns, 即采样频率为 5MHz F1760 瞬变记录的规格 : 采样率 :100kHz 至 500kHz 或 10MHz, 由用户选择设定 (F1760 的瞬变选购件 :500kHz 或 10MHz) 测量范围 :6000Vpk F43B 瞬变记录功能 : 检测电压瞬变 :>40ns (F43B 的示波器功能采样率达 25MS/s) 可以捕获并储存 40 个电压瞬变事件的波形 F430 瞬变记录的规格 : 采样分辨率 :5us, 即采样频率为 200kHz 测量范围 :6000Vpk F43B 瞬变检测原理 : 包络线触发 捕获的波形 包络线限值 F1750 电压波形 例 : 包络线触发 (F1760\1750) 例 :F430 捕获到的瞬态变化现象

21 电能质量 : 电压事件 电压骤降 骤升与电压中断 电压骤降 : 最严重的电能质量事件 约有 80% 以上的电能质量事故是由电压骤降造成的 电压骤降 : 原因 危害与解决措施 电压骤降 : 监测 统计与评估方法 电压骤降现象 : 由幅值与持续时间描述

22 电压骤降 : 背景知识 (1) 电压骤降, 是一种新的电能质量现象吗? 不是 电压骤降是配电系统中最常见的一种电压扰动 当电力系统发生短路故障 大容量电动机启动 雷击 开关操作 变压器或电容器组投切时, 都可能引起电压骤降 电压骤降并不是一个新的电能质量问题 由于过去的绝大多数用电设备对电压的短时突然变化不敏感, 电压骤降问题没有引起人们的关注 电压骤降, 为什么成为近年最受关注的电能质量问题? 例 : 由雷击造成的短路故障 目前微处理器控制设备和电力电子设备在工业中广泛使用, 这些设备对电压骤降特别敏感, 电压骤降往往会导致其损坏或误动作 如 : 变频调速 可编程逻辑控制器 各种自动化生产线 计算机系统等 在欧洲和美国, 电力部门和用户对电压骤降的关注程度比对其他电能质量问题的关注程度要强得多 主要原因是, 由电压骤降引起的用户投诉占整个电能质量问题投诉数量的 80% 以上, 而由谐波等引起的电能质量问题投诉数量所占不到 20% IBM 公司统计表明,48.5% 的计算机数据丢失是由电压不合格造成的 成都高新科技区变电站,110kV 母线 成都高新科技区变电站,110kV 母线 _08:49: _02:27:57 电压骤降持续时间 480ms * 电压骤降持续时间 60ms * * 叶茂清, 低压电网高质量解决方案,2003

23 电压骤降 : 背景知识 (2) 电压骤降, 对敏感用电设备有什么影响? 例 : 计算机系统紊乱 ( 幅值下降大于 10%, 持续时间大于 0.1s) 变频调速设备跳闸 ( 幅值下降大于 15%, 持续时间 10ms ) 现有电能质量国家标准中, 有类似于谐波等面对电网运行管理的电压骤降标准吗? 目前还没有此国标 我国的电磁兼容标准 GB/T 电磁兼容试验和测量技术电压暂降 短时中断和电压变化的抗扰度试验 等同于 IEC :1994, 该标准是针对用电设备的抗扰度要求而制定的 上海 浙江等地区电网提出的电能质量监测技术规范 ( 报批文件 ), 已明确要求监测统计电压骤降等 F430 等完全符合 IEC 的 A 级仪器, 监测电压骤降, 有什么特点与优势? 传统的测量仪器将电压骤降也处理为谐波 闪变及电压幅值不合格事件, 重复计算 有学者提出小波变换法检测电压骤降并分析谐波 IEC : 采用半周期 (10ms) 刷新 RMS 值法 (20ms) 检测电压骤降, 记录其发生时刻 持续时间及幅度, 并作出电压事件标记 短路故障 敏感负载 DVR 某航天基地, ,20:56:32, 电压短时中断事件 * DVR 装置 : 解决电压骤降措施示例图 * 叶茂清, 四川省谐波监测站文献资料,2004 年

24 电压骤降 : 原因与危害 电压骤降产生的原因 电压骤降产生的原因无论供电系统的可靠性如何提高, 输配电网络以及特殊负 荷等仍会造成无法避免的电压骤降 例如 : 各种短路故障 大型电机的启动 雷击致使保护动作 倒闸开关操作 变压器及电容器的投切 轧钢机等冲击性负荷的投切 电压骤降的危害 设备名称 影响与危害 电压骤降原因的统计比例 制冷控制器 电压低于 80% 时, 控制器切除制冷电机, 导致巨大损失 芯片制造业电压低于 85% 时, 芯片被毁, 测试停止工作, 内部电子电路主板故障 PLC 当电压低于 90% 持续几个周波,I/O 设备切除, 低于 81% 时 PLC 停止工作 精密制造电脑或机器人控制操作的精密加工过程时, 其工作过程中断, 当电压低于 90% 持续 2-3 个周波 直流电机 调速电机 (VSD) 当电压低于 80% 时, 电机保护跳闸 当电压低于续时间超过三个周波时 70% 持续时间超过, 一些精密加工业的电机会跳闸退出运行 6 个周波时,VSD 被切除 ; 当电压低于 90% 持 直流接触器电压低于 50% 持续时间超过一个周波时 70% 接触器就会脱扣, 接触器就会脱扣, 有时电压低于 计算机 电压低于 50% 持续 10 个周波时, 计算机工作受到影响, 数据丢失 电压骤降 : 某航天基地变电站,10kV 母线 * A 相电压波形 2004 年 9 月 23 日 11:54:56 秒骤降深度约为 32.63%, 骤降持续时间约 300ms * 叶茂清, 四川省谐波监测站文献资料,2004 年

25 电能质量 : 安全性 FLUKE 电能质量测量仪器的安全等级 F1760: 安全等级 CAT III 1000V, CAT IV 600V F1750: 安全等级 CAT III 1000V, CAT IV 600V F430: 安全等级 CAT III 1000V, CAT IV 600V 安全等级为 CAT III 1000V 的仪器 : 要求通过 F345: 10 安全等级次正向 8kV CAT 和 III V, 次负向 CAT 8kV 脉冲试验 IV 600V F430: 过电压监测 600V CAT IV: 仪表可安全地应用于电源引入线处

26 电力用户 : 如何诊断电能质量故障? 管理层 咨询专家 技术人员 电力公司 可能是 A B C 配电网供电没问题 问题出在你厂里!? 生产设备制造厂家 我们的设备按标准设计与制造, 非常可靠 问题应该出在您厂里 监测仪器厂家 没有提供有价值的监测数据?

27 电力用户 : 如何诊断电能质量故障? 管理层 咨询专家 技术人员 电力公司 一定是原因 D 确认是电源供电问题 谢谢! 生产设备制造厂家 监测仪器厂家 确认是你的设备故障

28 全部的基本测量 RMS 和峰值电压 RMS 和峰值电流 所有相信号和零线信号的波峰因数 频率 Watts, VA, VAR s 瓦特 伏安 乏 Power Factor and displacement power factor 功率因数和位移功率因数

29 更有效的电能质量解决方案 预测性维护的意义 造成这些危害的因素? 环境 : 电压波动 谐波严重等供电质量问题 灰尘油污等 产品质量 安装差错 人为因素 目前大多维护人员的工作? 有没有事情发生? 没有, 等着 发生事情了, 然后去查看, 若是关键设备老板下令 1 天内内排除, 加班! 我们的建议 : 预测性维护 什么事情会发生 会不会再次发生 如何防止, 进行日常维护 福禄克维护工具, 助您工作更轻松有效!

30 预测性维护步骤 : 建立关键设备清单 针对各种不同设备类型的制定预测性维护程序 * 测试频率 * 测试顺序 * 测试方法 利用相应的预测性技术测试设备, 测量记录数据 对比分析测量数据, 发现异常情况 在发生故障安排计划前进行维修和维护 设备类型 两次检查期间的最大时间差 变压器 1 年 440 V 马达控制中心 有空调 6-12 个月 无空调或较老 4-6 个月 配电设备 4-6 个月 大型马达 * 1 年 较小的马达 4-6 个月

31 如何有效开展电气预测性维护? 电气预测性维护步骤 : 1. 建立关键设备清单 1 电气系统 开关装置 变压器 电缆 / 电线 开关 断路器 仪表 接地系统 接地故障保护装置 浪涌抑制器 功率因数修正装置 滤波器和电抗器

32 如何有效开展电气预测性维护? 电气预测性维护步骤 : 1. 建立关键设备清单 1 电气系统 2 旋转式机器 / 负载 马达 发电机 泵 空调装置 风扇 变速箱 冷却器 马达控制器和调速驱动 照明系统

33 如何有效开展电气预测性维护? 电气预测性维护步骤 : 1. 建立关键设备清单 1 电气系统 2 旋转式机器 / 负载 3 马达控制器和调速驱动 4 照明系统 5 应急系统 UPS 发电机 切换开关

34 如何有效开展设备预诊断维护? 设备预诊断维护步骤 : 1. 建立关键设备清单 2. 针对各种不同设备类型的制定预测性维护程序 1 测试频率 2 测试顺序 3 测试方法 设备类型 两次检查期间的最大时间差 变压器 1 年 440 V 马达控制中心 有空调 6-12 个月 无空调或较老 4-6 个月 配电设备 4-6 个月 大型马达 * 1 年 较小的马达 4-6 个月

35 路径设置 针对各种不同设备类型的制定预测性维护程序 根据设备所在的不同区域, 不同的检测频率和重要程度, 进行标住

36 如何有效开展设备预诊断维护? 设备预诊断维护步骤 : 1. 建立关键设备清单 2. 针对各种不同设备类型的制定预测性维护程序 3. 利用相应的预测性技术测试设备, 测量记录数据 热量变化热成像温度 电气参数一次电源 :50Hz 50Hz,, 交流二次电源 : 交流 直流 电能 ( 电源 ) 质量参数电气安全参数绝缘, 接地, 漏电 RCD( ( 低压漏电开关 ) 电源内阻

37 Fluke 的产品在工业现场 某钢厂的变电站 输电杆塔 东方电机厂 (Norma Norma) 无锡阿特拉斯压缩机 油田的抽油机能效检测 (F434) 中石化能源监测中心专家在检测现场

38 电能质量数据管理 Ø 定期给出电气设备用电电能质量数据报告 Ø 定期给出电气设备用电电能质量数据报告

39 我们的目标 Ø 在电气和电能质量预测性维护的领域里提供我们的专业方案和实用 先进的测量仪器, 应用先进的技术对所得数据进行过程处理和分析, 扩展信息内涵, 并为决策提供可靠的数据和有效的支持

40 谐波

41 三相电压不平衡

42 电压暂降

43 电压波动

44 瞬态脉冲

45 我们的产品 --FPQ FPQ 电能质量 F1760 F1750 F1735 F430 F43B F345 专家型记录型工具型便携分析型单相工具型功率钳形 直流分量功能型 VR1710 纯电压事件记录型 Mickey wu

46 我们的产品 --NORMA NORMA 功率分析仪 NORMA 4000 台式多通道宽频带功率分析仪 可配置 PP42/PP50/PP54/IP2/Print 功能模块最多 3 通道 NORMA 5000 台式多通道宽频带高精度功率分析仪可配置 PP42/PP50/PP54/PP64/IP2/Print 功能模块最多 6 通道 Mickey wu

47 我们的产品 --EPROD EPROD 电气类综合测试仪器 F162* 系列多功能接地测试 F1630 钳式无辅助回路接地测试 F1550C 5KV 绝缘测试 F KV 绝缘测试 F1587/77 1KV 绝缘万用表 F37* 系列 替代 33* 系列多功能电流钳 F35* 系列 大电流钳表 F360 ma 漏电流钳表 F9040 相序测试 F2040 电缆探测 F1653B 多功能安规表 Mickey wu

48 我们的产品 --SCM F12* 系列 20MHz/40MHz, 双通道数字示波表 SCM 手持式示波表 F125 60MHz, 双通道, 总线健康测量 谐波 功率测量功能示波表 F19* 系列 60/100/200MHz, 双通道多功能示波表 F2*5 系列 100/200MHz, 双通道, 总线健康测量功能示波表 F190-4CH 系列 100/200MHz,4 通道多功能高安全等级示波表 Mickey wu

49 我们的产品 --TEMP F56* 系列宽温度范围, 高精度红外测温枪 TEMP 红外测温仪 F57* 系列 宽温度范围, 高精度, 多功能红外测温枪 Mickey wu

50 我们的产品 --IAD F983 室内空气质量 空气粒子测量仪 IAD 室内环境测量仪 F975 多功能环境, 风速测量仪 Mickey wu

51 世界范围内优质的培训和服务 谢谢大家! 祝大家工作愉快! Mickey wu

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