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股票代码:002819

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造成千亿美元损失的电源扰动如何破?

电源质量指的是提供给用电客户的电力的各种变化情况,涉及接线问题、接地问题、开关瞬变、负载变化和谐波生成。电源质量不良会导致设备停机,维修作业增加,使用寿命缩短,最终产生经济损失。接下来的内容将从工业设备的视角分析电源质量不良的影响,并说明如何使机器保持最佳运行状态。

一、电源质量扰动源于何处?


图1 电源质量问题的不同原因 (a)美国 (b)欧洲
图1 电源质量问题的不同原因 (a)美国 (b)欧洲
图1 电源质量问题的不同原因 (a)美国 (b)欧洲

图1a是电力研究院在全美24家电厂针对配电质量展开的研究总结。大部分 (85%) 电源质量事故源于电源突降或突升、谐波和接线以及接地问题。图1b显示了欧洲电源质量调研的结果。据估计,在欧盟25个国家中,电源质量问题造成的经济损失每年超过1560亿美元(1500亿欧元)。

在工业环境中,启动和停止重负载可能导致电压突降和突升,使网络电压超出标准工作条件。大部分设备都是设计在一定工作条件以内工作,较长时间的电压突降和突升会引起停机和工艺中断。在当今商业气候下,许多公司都在考虑安装或已经安装本地产生的再生能源,例如太阳能和风力发电。很多情况下,分布式电力来源使得电气设施需要开关模式电源。随着电力电子和开关电源使用的增加,谐波将成为工业设备更常见的电源质量问题来源。此类电源可将谐波注入电线并降低电源质量,从而影响任何连接到供电网络的东西,包括变压器和电缆。当网络组件过载时,设备管理者常常可观测到大谐波电流的影响。某些情况下,网络组件的总损耗增加0.1%至0.5%便可能触发保护器件。导致电源质量不良的其他一些因素包括:各相差分负载、接线和接地方案不当、负载相互作用、EMI/EMC和大无功网络的切换。
图2. 不同失真效应下网络电流和电压的可视化
图2. 不同失真效应下网络电流和电压的可视化

二、电源质量标准


为了应对并管理电源质量,必须找到可靠的监控和报告方法。行业制定的一些重要标准有IEC 61000-4-30 A类和S类、IEC61000-4-7 谐波测量和针对闪变的IEC61000-4-15。大多数电力公司已采纳这些电源质量标准来制定和实施规章制度。某些情况下,如果电源质量标准不符合规范,电力公司可能会惩罚客户。工业标准不仅就实际应用中的电源质量建立共识,而且让用户确信他们有精确的数据来解决相关问题。在电力网络中,电压突降、突升、闪变、标称额定值变化和谐波所致失真,全都包含关于网络健康状况的重要信息,高测量精度是提供可靠且可重复结果的关键。

三、应用Keysight测试方案,改善电网和机器状态


1、交流电源分析仪


681xB系列交流电源分析仪6811B6812B6813B)是功能强大的交流电源(内置任意波形编辑),提供提供交流供电,可以自定义交流供电的电压或频率,提供更强大的交流电网模拟和测量功能;模拟仿真现实电网中的瞬态突变等异常情况,如供电异常,供电中断,电压波动,频率波动等,用于被测件DUT对电网失真、异常等抗干扰能力严证。681xBx系列交流电源分析仪内置交流分析仪,可以进行交流电参数的测试和测量,交流电压,电流,功率,PF功率因数、浪涌电流,甚至可以测试电压、电流的谐波。
图3 交流电源分析仪
图3 交流电源分析仪

2、功率分析仪PA2201A和PA2203A


Keysight IntegraVision功率分析仪适合帮助研发工程师快速、便捷地测量AC和DC功耗、功率转换效率、对激励的工作响应,以及常用的AC功率参数,例如频率、相位和谐波等,而且所有测量均可达到0.05%的基本精度和16位分辨率。功率分析仪具有5MSa/s的采样率和2.5MHz带宽,使工程师能够表征高动态条件下的功耗特性。PA2201A功率分析仪提供2个功率通道,适用于单相测量与分析;PA2203功率分析仪配有4个功率测量通道3适合3相测量与分析,见图4。高速数字化仪捕获一次性事件(例如启动)或瞬态事件(例如瞬态压降),可以查看瞬态、浪涌电流和状态变化,见图5;通过精确的阶次值表格显示谐波,或通过条形图显示谐波以便查看谐波的相对大小,按照IEC方法测量总体谐波失真(THD),可基于IEC 61000-3-2 A、B、C和D类标准的谐波检测,见图6。
图4 功率分析仪前面板及后面板
图4 功率分析仪前面板及后面板

图5 瞬态电压及电流的精密测量
图5 瞬态电压及电流的精密测量

图6 电能质量和谐波分析
图6 电能质量和谐波分析

利用功率分析仪提供的信息可以标定整体系统的性能,帮助开展预防性维护,监控趋势和状态,评估网络性能及其对工艺设备的敏感性,减少电费。可以在电源系统上进行电能质量监测,将其原始测量数据聚合起来便可进行相关性分析,帮助确定扰动源,提高产品质量。例如,xx市xx公司的电能质量曲线揭示电压和电流波形存在严重失真。经过充分分析后,其产品安装了混合功率因数校正系统。利用新的校正系统,功率因数从–0.5变为+0.9,THD改善50%。

四、总结


全球能源总需求预计每年增长约5%。电网连接设备的规模和复杂度将不断提高,电源质量扰动随之增加。现代商业对干净、可靠、永远在线的电能的依赖性越来越高。通过采用新一代电源质量测试技术,工业设备所有者可以预期机器设备过早失效或磨损的情况会减少,干净的电源将带来巨大好处。