電源質量問題的危害及解決方案
摘要：1．電壓的變化范圍過大電網供電不足，供電部門采取降壓供電，或地處偏遠地帶，損耗過多，導致電壓偏低。電網用電太少，導致電壓偏高電壓低負載不能正常工作，電壓太高，負載使用壽命縮短，或將負載燒毀。
關鍵詞：電源
1．電壓的變化范圍過大 電網供電不足，供電部門采取降壓供電，或地處偏遠地帶，損耗過多，導致電壓偏低。電網用電太少，導致電壓偏高電壓低負載不能正常工作，電壓太高，負載使用壽命縮短，或將負載燒毀。 2．波形失真（或稱諧波Waveform Distortion） 普遍的波形失真指標準電源波形的多種諧波。電網諧波產生的原因是整流器、UPS電源、電子調速裝備、熒光燈系統、計算機、微波爐、節能燈、調光器等電力電子設備和電器設備中開關電源的使用或二次電源本身自身產生。 諧波對公用電網的危害主要包括： 1）使公用電網中的元件產生附加的諧波損耗，降低了發電、輸變電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線時，會引起線路過熱甚至發生火災； 2）影響各種電氣設備的正常工作，除了引起附加損耗外，還可使電機產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致損壞； 3）會引起公用電網中局部并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，使前述的危害大大增加，甚至引起嚴重事故； 4）會導致繼電保護和自動裝置誤動作，并使電氣測量儀表計量不準確； 5）會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量，重者導致信息丟失，使通信系統無法正常工作。 3.突波（或稱電涌Power Surges） 指在瞬間內（數毫秒間）輸出電壓有效值高于額定值110%，持續時間達一個或數個周期。是破壞精密電子設備的主要元兇。除受到雷擊產生外另外主要是由于在電網上連接的大型電氣設備關機開機時，電網因突然卸載而產生的高壓。 電涌的危害： 計算機技術發展至今，多層、超規模的集層芯片，電路密集，趨向是集成度更高、元器件間隙更小、導線更細。幾年前，一平方厘米的計算機芯片有 2,000個晶體管而現在的奔騰機則超過10,000,000個。從而增加了計算機受電涌損壞的概率。 由于計算機的設計和結構決定了它應在特定的電壓范圍內工作。當電涌超出計算機能承受的水平時，計算機將出現數據亂碼，芯片被損壞，部件提前老化，這些癥狀包括：出乎預料的數據錯誤，接收/輸送數據的失敗，丟失文檔，工作失常，經常需要維修，原因不明的故障和硬件問題等等。 雷電電涌遠遠超出了計算機和其它電氣設備所能承受的水平，絕大多數情況下，造成計算機和其它電器設備的當即毀壞，或數據的永遠丟失。即使是一個20馬力的小型感應式發動機的啟動或關閉也會產生3,000－5,000伏的電涌，使和它共用同一配電箱的計算機在每一次電涌中都會受到損壞或干擾，這種電涌的次數非常頻繁。 電涌對敏感電子電器設備的影響有以下類型： 破壞 電壓擊穿半導體器件 破壞元器件金屬化表層 破壞印刷電路板印刷線路或接觸點 破壞三端雙可控硅元件／晶閘管…… 干擾 鎖死、晶閘管或三端雙向可控硅元件失控 數據文件部分破壞 數據處理程序出錯 接收、傳輸數據的錯誤和失敗 原因不明的故障…… 過早老化 零部件提前老化、電器壽命大大縮短 輸出音質、畫面質量下降 ● 電涌會毀壞哪些電氣設備？ 含有微處理器的電氣設備極易受到電涌的毀壞，這包括計算機及輔助設備、程序控制器、PLC、傳真機、電話機、留言機等；程控交換機、廣播電視發送機、影視設備、微波中繼設備；家電行業的產品包括電視機、音響、微波爐、錄象機、洗衣機、烘干機、電冰箱等。
調查數據表明：在保修期出現問題的電氣設備中，有63%是由于電涌造成的。 4.尖波（或高壓尖脈沖Spikes） 指峰值達6000V，持續時間從萬分之一秒至二分之一周期（10ms）的電壓。這主要是由于雷擊、電弧入電、靜態放電或大型電氣設備的開關操作而產生。 危害：在煉鋼廠、 軋鋼廠或者大量使用晶閘管設備、電火花設備、電力機車等地方，這種尖峰干擾為害尤厲。其幅度大的可達數百伏甚至上千伏，而脈寬一般為μS數量級。雷電也常以尖峰脈沖方式入侵。尖峰脈沖幅度很大時，會破壞工控機開關電源輸入濾波器、整流器甚至主振管。再加之其頻譜很寬，也會竄入計算機造成干擾。 5．瞬態過電壓（transient overvoltage）和暫態過電壓（temporary overvoltage） 指峰值電壓高達20000V，但持續時間界于百萬分之一秒至萬分之一秒的脈沖電壓。其主要原因及可能造成的破壞類似于高壓尖脈沖，主要由雷電所致。 危害：以大規模集成電路為核心組件的測量、監控、保護、通信、計算機網絡等先進電子設備廣泛運用于電力、航空、國防、通信、廣電、金融、交通、石化、醫療以及其它現代生活的各個領域，以大型CMOS集成元件組成的這些電子設備普遍存在著對暫態過電壓、過電流耐受能力較弱的缺點，暫態過電壓不僅會造成電子設備產生誤操作，或者造成電子設備受到干擾，數據丟失，或暫時癱瘓；嚴重時可引起元器件擊穿及電路板燒毀，使整個系統陷于癱瘓。 6．電壓下陷/下降（Sags & Brownouts） 指市電電壓有效值界于額定值的80-85%之間的低壓狀態，并且持續時間達一個到數個周期，甚至更長。其產生原因包括：大型設備啟動和應用、大型電動機啟動、或大型電力變壓器接入、主電力線切換、線路過載等。 危害：電壓下陷是最常見的電力問題，它占了電力問題的87％。電源可能因某種原因而造成短時間的電壓下降。它對計算機的影響輕則使keyboard等接口設備暫停作業，重則使數據流失、檔案毀壞。電壓的下陷同時也會使計算機內的組件毀壞，以致于壽命減短。 7.三相電壓不平衡 指各相之間電壓不相等或相角不相等，由于各相負載不平衡造成。 三相不平衡的危害和影響 三相不平衡是指三相電源各相的電壓不對稱。是各相電源所加的負荷不均衡所致，屬于基波負荷配置問題。發生三相不平衡即與用戶負荷特性有關，同時與電力系統的規劃、負荷分配也有關。《電能質量三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543-1995)適用于交流額定頻率為50赫茲。在電力系統正常運行方式下，由于負序分量而引起的PCC點連接點的電壓不平衡。該標準規定：電力系統公共連接點正常運行方式下不平衡度允許值為2%，短時間不得超過4%。 對變壓器的危害。在生產、生活用電中，三相負載不平衡時，使變壓器處于不對稱運行狀態。造成變壓器的損耗增大(包括空載損耗和負載損耗)。根據變壓器運行規程規定，在運行中的變壓器中性線電流不得超過變壓器低壓側額定電流的25%。此外，三相負載不平衡運行會造成變壓器零序電流過大，局部金屬件升溫增高，甚至會導致變壓器燒毀。 對用電設備的影響。三相電壓不平衡的發生將導致達到數倍電流不平衡的發生。誘導電動機中逆扭矩增加，從而使電動機的溫度上升，效率下降，能耗增加，發生震動，輸出虧耗等影響。各相之間的不平衡會導致用電設備使用壽命縮短，加速設備部件更換頻率，增加設備維護的成本。
斷路器允許電流的余量減少，當負載變更或交替時容易發生超載、短路現象。中性線中流入過大的不平衡電流，導致中性線增粗。 對線損的影響。三相四線制結線方式，當三相負荷平衡時線損最小；當一相負荷重，兩相負荷輕的情況下線損增量較小；當一相負荷重，一相負荷輕，而第三相的負荷為平均負荷的情況下線損增量較大；當一相負荷輕，兩相負荷重的情況下線損增量最大。當三相負荷不平衡時，無論何種負荷分配情況，電流不平衡度越大，線損增量也越大。 8．雜訊干擾（或稱噪聲Noises） 指射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EFI）及其它和種高頻干擾。源于電磁波或高頻波感應，它是高頻率的變化，在正常電力50Hz頻率上介于15-100%電位擾動。馬達運行、斷電器動作、馬達控制器工作、廣播發射、微波輻射及電氣風暴都會造成噪聲。 危害：雜訊過大，可能讓電腦CPU產生誤判，嚴重者可能燒壞CPU和其他電腦配件，可造成無線電傳輸中斷。 感應傳導到四周環境，導致其他電子設備. 無法正常工作。 可使民航系統工作失效，通信不暢，計算機運行錯誤，自動設備誤動作。 澳其斯交流參數電源綜合調節器，對提高配網的供電質量有著重要的作用。該裝置具有如下功能： （1）在原側電壓波動或2—3周波短時停電的條件下，維持負載側電壓恒定； （2）在原側電壓不平衡且諧波條件下，維持負載側三相電壓平衡； （3）可補償負載側電流諧波和無功，使網側只提供有功電流； （4）可補償負載側不平衡的電流諧波，使網側電流為三相平衡； （5）可排除各種微觀電源干擾污染。
關鍵詞：電源
1．電壓的變化范圍過大 電網供電不足，供電部門采取降壓供電，或地處偏遠地帶，損耗過多，導致電壓偏低。電網用電太少，導致電壓偏高電壓低負載不能正常工作，電壓太高，負載使用壽命縮短，或將負載燒毀。 2．波形失真（或稱諧波Waveform Distortion） 普遍的波形失真指標準電源波形的多種諧波。電網諧波產生的原因是整流器、UPS電源、電子調速裝備、熒光燈系統、計算機、微波爐、節能燈、調光器等電力電子設備和電器設備中開關電源的使用或二次電源本身自身產生。 諧波對公用電網的危害主要包括： 1）使公用電網中的元件產生附加的諧波損耗，降低了發電、輸變電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線時，會引起線路過熱甚至發生火災； 2）影響各種電氣設備的正常工作，除了引起附加損耗外，還可使電機產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致損壞； 3）會引起公用電網中局部并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，使前述的危害大大增加，甚至引起嚴重事故； 4）會導致繼電保護和自動裝置誤動作，并使電氣測量儀表計量不準確； 5）會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量，重者導致信息丟失，使通信系統無法正常工作。 3.突波（或稱電涌Power Surges） 指在瞬間內（數毫秒間）輸出電壓有效值高于額定值110%，持續時間達一個或數個周期。是破壞精密電子設備的主要元兇。除受到雷擊產生外另外主要是由于在電網上連接的大型電氣設備關機開機時，電網因突然卸載而產生的高壓。 電涌的危害： 計算機技術發展至今，多層、超規模的集層芯片，電路密集，趨向是集成度更高、元器件間隙更小、導線更細。幾年前，一平方厘米的計算機芯片有 2,000個晶體管而現在的奔騰機則超過10,000,000個。從而增加了計算機受電涌損壞的概率。 由于計算機的設計和結構決定了它應在特定的電壓范圍內工作。當電涌超出計算機能承受的水平時，計算機將出現數據亂碼，芯片被損壞，部件提前老化，這些癥狀包括：出乎預料的數據錯誤，接收/輸送數據的失敗，丟失文檔，工作失常，經常需要維修，原因不明的故障和硬件問題等等。 雷電電涌遠遠超出了計算機和其它電氣設備所能承受的水平，絕大多數情況下，造成計算機和其它電器設備的當即毀壞，或數據的永遠丟失。即使是一個20馬力的小型感應式發動機的啟動或關閉也會產生3,000－5,000伏的電涌，使和它共用同一配電箱的計算機在每一次電涌中都會受到損壞或干擾，這種電涌的次數非常頻繁。 電涌對敏感電子電器設備的影響有以下類型： 破壞 電壓擊穿半導體器件 破壞元器件金屬化表層 破壞印刷電路板印刷線路或接觸點 破壞三端雙可控硅元件／晶閘管…… 干擾 鎖死、晶閘管或三端雙向可控硅元件失控 數據文件部分破壞 數據處理程序出錯 接收、傳輸數據的錯誤和失敗 原因不明的故障…… 過早老化 零部件提前老化、電器壽命大大縮短 輸出音質、畫面質量下降 ● 電涌會毀壞哪些電氣設備？ 含有微處理器的電氣設備極易受到電涌的毀壞，這包括計算機及輔助設備、程序控制器、PLC、傳真機、電話機、留言機等；程控交換機、廣播電視發送機、影視設備、微波中繼設備；家電行業的產品包括電視機、音響、微波爐、錄象機、洗衣機、烘干機、電冰箱等。
調查數據表明：在保修期出現問題的電氣設備中，有63%是由于電涌造成的。 4.尖波（或高壓尖脈沖Spikes） 指峰值達6000V，持續時間從萬分之一秒至二分之一周期（10ms）的電壓。這主要是由于雷擊、電弧入電、靜態放電或大型電氣設備的開關操作而產生。 危害：在煉鋼廠、 軋鋼廠或者大量使用晶閘管設備、電火花設備、電力機車等地方，這種尖峰干擾為害尤厲。其幅度大的可達數百伏甚至上千伏，而脈寬一般為μS數量級。雷電也常以尖峰脈沖方式入侵。尖峰脈沖幅度很大時，會破壞工控機開關電源輸入濾波器、整流器甚至主振管。再加之其頻譜很寬，也會竄入計算機造成干擾。 5．瞬態過電壓（transient overvoltage）和暫態過電壓（temporary overvoltage） 指峰值電壓高達20000V，但持續時間界于百萬分之一秒至萬分之一秒的脈沖電壓。其主要原因及可能造成的破壞類似于高壓尖脈沖，主要由雷電所致。 危害：以大規模集成電路為核心組件的測量、監控、保護、通信、計算機網絡等先進電子設備廣泛運用于電力、航空、國防、通信、廣電、金融、交通、石化、醫療以及其它現代生活的各個領域，以大型CMOS集成元件組成的這些電子設備普遍存在著對暫態過電壓、過電流耐受能力較弱的缺點，暫態過電壓不僅會造成電子設備產生誤操作，或者造成電子設備受到干擾，數據丟失，或暫時癱瘓；嚴重時可引起元器件擊穿及電路板燒毀，使整個系統陷于癱瘓。 6．電壓下陷/下降（Sags & Brownouts） 指市電電壓有效值界于額定值的80-85%之間的低壓狀態，并且持續時間達一個到數個周期，甚至更長。其產生原因包括：大型設備啟動和應用、大型電動機啟動、或大型電力變壓器接入、主電力線切換、線路過載等。 危害：電壓下陷是最常見的電力問題，它占了電力問題的87％。電源可能因某種原因而造成短時間的電壓下降。它對計算機的影響輕則使keyboard等接口設備暫停作業，重則使數據流失、檔案毀壞。電壓的下陷同時也會使計算機內的組件毀壞，以致于壽命減短。 7.三相電壓不平衡 指各相之間電壓不相等或相角不相等，由于各相負載不平衡造成。 三相不平衡的危害和影響 三相不平衡是指三相電源各相的電壓不對稱。是各相電源所加的負荷不均衡所致，屬于基波負荷配置問題。發生三相不平衡即與用戶負荷特性有關，同時與電力系統的規劃、負荷分配也有關。《電能質量三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543-1995)適用于交流額定頻率為50赫茲。在電力系統正常運行方式下，由于負序分量而引起的PCC點連接點的電壓不平衡。該標準規定：電力系統公共連接點正常運行方式下不平衡度允許值為2%，短時間不得超過4%。 對變壓器的危害。在生產、生活用電中，三相負載不平衡時，使變壓器處于不對稱運行狀態。造成變壓器的損耗增大(包括空載損耗和負載損耗)。根據變壓器運行規程規定，在運行中的變壓器中性線電流不得超過變壓器低壓側額定電流的25%。此外，三相負載不平衡運行會造成變壓器零序電流過大，局部金屬件升溫增高，甚至會導致變壓器燒毀。 對用電設備的影響。三相電壓不平衡的發生將導致達到數倍電流不平衡的發生。誘導電動機中逆扭矩增加，從而使電動機的溫度上升，效率下降，能耗增加，發生震動，輸出虧耗等影響。各相之間的不平衡會導致用電設備使用壽命縮短，加速設備部件更換頻率，增加設備維護的成本。
斷路器允許電流的余量減少，當負載變更或交替時容易發生超載、短路現象。中性線中流入過大的不平衡電流，導致中性線增粗。 對線損的影響。三相四線制結線方式，當三相負荷平衡時線損最小；當一相負荷重，兩相負荷輕的情況下線損增量較小；當一相負荷重，一相負荷輕，而第三相的負荷為平均負荷的情況下線損增量較大；當一相負荷輕，兩相負荷重的情況下線損增量最大。當三相負荷不平衡時，無論何種負荷分配情況，電流不平衡度越大，線損增量也越大。 8．雜訊干擾（或稱噪聲Noises） 指射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EFI）及其它和種高頻干擾。源于電磁波或高頻波感應，它是高頻率的變化，在正常電力50Hz頻率上介于15-100%電位擾動。馬達運行、斷電器動作、馬達控制器工作、廣播發射、微波輻射及電氣風暴都會造成噪聲。 危害：雜訊過大，可能讓電腦CPU產生誤判，嚴重者可能燒壞CPU和其他電腦配件，可造成無線電傳輸中斷。 感應傳導到四周環境，導致其他電子設備. 無法正常工作。 可使民航系統工作失效，通信不暢，計算機運行錯誤，自動設備誤動作。 澳其斯交流參數電源綜合調節器，對提高配網的供電質量有著重要的作用。該裝置具有如下功能： （1）在原側電壓波動或2—3周波短時停電的條件下，維持負載側電壓恒定； （2）在原側電壓不平衡且諧波條件下，維持負載側三相電壓平衡； （3）可補償負載側電流諧波和無功，使網側只提供有功電流； （4）可補償負載側不平衡的電流諧波，使網側電流為三相平衡； （5）可排除各種微觀電源干擾污染。
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