世纪汇泽(苏州)检测技术有限公司

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交流电源端口谐波、谐间波及电网信号的低频抗扰度测试解析


1什么是谐波、谐间波及电网信号

通俗而言,在电力系统把50Hz的电压或者电流波,叫做基波,不是50Hz的电压、电流就是谐波。电网中有一些特殊的用电设备,比如:大功率整流器、中频炉、变频器、劣质节能灯等等,这类设备的工作电流与电压不成正比,我们称为非线性的负载。电机发出的电能,本来是比较规整 的50Hz频率,但是如果遇到非线性设备在电网中,这一些设备工作时,就会产生谐波。比如单相整流器,就把50Hz的基波,“整”成具有100Hz、150Hz、200Hz……等等成分的信号,就出现了谐波。这种会产生谐波的设备,我们常常叫它“谐波源”。

通常情况下,谐波的频率为50Hz的整倍数,谐波用基波的倍数表示。例如频率为150Hz的正弦波称为3次谐波,频率为250Hz的正弦波称为5次谐波,频率为350Hz的正弦波称为7次谐波,以此类推。

在工频的谐波电压和谐波电流之间,同时存在一些不是基波频率整数倍的频率,它们或以离散的频率、或以一个宽带频谱出现,这就是谐间波。

电网信号,是指在电网中由发射机产生以便供电公司控制供电网络中的设备(公用照明,计价表等)的信号。通常发射机只是以断续信号短时工作,所采用的频率在谐波之间,即频率范围为100Hz-3kHz。

 

2谐波的危害

谐波的危害:电机

谐波电压与谐波电流产生额外的铁损与铜损 ,导致电机的额外发热,降低电机的效率产生脉动转矩致使电动机振动加剧,影响电机寿命和输出转矩的稳定性。

谐波电压降低了绝缘介质强度,加速线圈绝缘的老化,降低电机使用寿命。

谐波的危害:电缆

谐波电流会使电缆过载、导致过热 、发生绝缘破坏而烧毀。

对高频率谐波电流,电缆呈现集肤效应, 使额定载流量减少,增大漏电流,引起单相对地击穿,造成三相短路。

零序(3的倍数次)谐波电流会导致三相四线系统的中线过载、损坏。

 谐波的危害:系统谐振

谐波电流可使电容器介质损耗增加,发热和寿命缩短;大量吸收谐波会导致电容器过流,引起熔丝熔断。

电容器与电网电感形成串联谐振回路,能引起谐波的放大,电容烧毁等。

引起系统谐振导致,电容器组、电抗器组及相关用电设备,因过电流或过电压,而损坏或无法投入运行。

谐波的危害:通信 网络

干扰信息、数据、通信系统,造成系统死机或控制失常、停机,严重的会丢失实时数据,造成不可估量的损失。

通信系统实行的联网运行,如中心数据处理中心发生故障,将造成整个联网系统的瘫痪,而高次谐波就能造成数据处理中心主机的误操作和死机。

谐波也会造成通信仪器的误动作和死机,给通信行业和用户带来麻烦,造成了通信行业和用户的纠纷。

谐波的危害:医院

出现数据差错;图像模糊;信息丢失;一些先进的医疗设备具有高灵敏微电子器件,谐波干扰容易使设备无法正常工作。

谐波的危害:其他

改变保护继电器的动作特性引起误动作、造成继电保护等自动装置工作紊乱。

谐波延缓电弧熄灭,影响断路器的分断容量。

使计量仪表特别是感应式电能表产生计量误差。

干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备,影响设备的正常运行。

 

3谐波、谐间波及电网信号抗扰度测量波形介绍

谐波、谐间波及电网信号的低频抗扰度测试,依据标准GB17626.13(IEC 61000-4-13)有四类试验方法(波形):谐波组合试验(平顶波和尖顶波)、扫频试验、单个谐波和谐间波试验,以及Meister曲线试验。

3.1谐波组合试验(平顶波和尖顶波)

谐波组合试验包括平顶波和尖顶波两个试验。EUT每种组合波都要进行试验。

平顶波

平顶波电压随时间变化,每个半波由三部分组成,波形如下:

第1部分:从零开始,按纯正弦函数变化,对于等级2达到峰值的90%,对于等级三达到峰值的80%。

第2部分:是恒定电压。

第3部分:于第1部分相对应。

平顶波波形图

 

尖顶波

尖顶波是由相应的相位关系的离散的3次谐波和5次谐波叠加而产生。波形如下:

尖顶波波形图

3.2扫频试验

频率扫描测量波形示例如下图:

扫频测量波形图

 

3.3单个谐波和谐间波试验

单个谐波是指在2f1~40f1频率范围内的谐波。这些谐波按照试验等级将单个正弦波电压施加到基波电压上。

谐间波是在16Hz~2000Hz频率范围内的谐波。谐间波按照一定的步长,将试验等级的单个正弦波电压施加到基波电压上。

测量波形如下:

多次谐波试验序列示意图

 

3.4Meister曲线试验

具有电网信号和/或纹波控制的电网中使用的设备,需要施加Meister曲线试验,波形如下:

Meister曲线波形(100Hz-3kHz)

 

4谐波、谐间波及电网信号抗扰度试验等级和试验要求

4.1谐波组合试验等级和要求

1)平顶波

平顶波试验等级见下表:

等级

函数
(第1和3部分)

电压比Ky

电压
(第1和3部分)

函数
(第2部分)

电压
(第2部分)

1

0 ≤ |sin(ωt)| ≤ 0.95

1.0133

u = U1 × K1 × √2 × sin(ωt)

0.95 ≤ |sin(ωt)| ≤ 1

u = ±0.95 × U1 × K1 × √2

2

0 ≤ |sin(ωt)| ≤ 0.9

1.0379

u = U1 × K2 × √2 × sin(ωt)

0.9 ≤ |sin(ωt)| ≤ 1

u = ±0.9 × U1 × K2 × √2

3

0 ≤ |sin(ωt)| ≤ 0.8

1.1117

u = U1 × K3 × √2 × sin(ωt)

0.8 ≤ |sin(ωt)| ≤ 1

u = ±0.8 × U1 × K3 × √2

x

0 ≤ |sin(ωt)| ≤ x

x

u = U1 × Kx × √2 × sin(ωt)

x ≤ |sin(ωt)| ≤ 1

u = ±x × U1 × Kx × √2

注:
1)x是开放的等级,该等级由相关专业标准技术委员会确定,但是对于低压共用供电系统供电的设备,不能低于等级2.
2)最大偏差:Δu = ±(0,01 × U1 × √2 + 0,005 × u).

 

平顶波试验时间(Duration)要求为2分钟,测试波形示意图如下:

2)尖顶波

尖顶波试验等级见下表:

等级

h

3

5

1

U1%

4 % / 180°

3 % / 0°

2

U1%

6 % / 180°

4 % / 0°

3

U1%

8 % / 180°

5 % / 0°

x

U1%

x / 180°

x / 0°

注:
1)x是开放的等级,该等级由相关专业标准技术委员会确定,但是对于低压共用供电系统供电的设备,不能低于等级2.

 

尖顶波试验时间(Duration)要求为2分钟,测试波形示意图如下:

4.2扫频试验等级和要求

扫频试验时的频率等级如下表:

频率范围 f

频率步长Δf

等级1

等级2

等级3

等级x

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

0.33f1 ~ 2f1

0.1f1

2

3

4.5

开放的

2f1 ~ 10f1

0.2f1

5

9

14

开放的

10f1 ~ 20f1

0.2f1

4

4.5

9

开放的

20f1 ~ 30f1

0.5f1

2

2

6

开放的

30f1 ~ 40f1

0.5f1

2

2

4

开放的

注:
1)x是开放的等级,该等级由相关专业标准技术委员会确定,但是对于低压共用供电系统供电的设备,不能低于等级2。

 

各频率范围的扫频幅值见上表,频率扫描的速率不小于每10倍频程5分钟。扫频中遇到EUT性能异常的频点以及所由的谐振点,应在每个频率点驻留是按至少为120s。测量波形如下:

4.3单个谐波、谐间波试验等级和要求

1)单个谐波

单个谐波的试验等级如下表:

非3的倍数的奇次谐波试验等级

h

等级1

等级2

等级3

等级X

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

5

4.5

9

12

开放

7

4.5

7.5

10

开放

11

4.5

5

7

开放

13

4

4.5

7

开放

17

3

3

6

开放

19

2

2

6

开放

23

2

2

6

开放

25

2

2

6

开放

29

1.5

1.5

5

开放

31

1.5

1.5

3

开放

35

1.5

1.5

3

开放

37

1.5

1.5

3

开放

注:
1)x是开放的等级,该等级由相关专业标准技术委员会确定,但是对于低压共用供电系统供电的设备,不能低于等级2。

 

 

3的倍数的奇次谐波试验等级

h

等级1

等级2

等级3

等级X

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

3

4.5

8

9

开放

9

2

2.5

4

开放

15

不试验

不试验

3

开放

21

不试验

不试验

2

开放

37

不试验

不试验

2

开放

33

不试验

不试验

2

开放

39

不试验

不试验

2

开放

注:
1)x是开放的等级,该等级由相关专业标准技术委员会确定,但是对于低压共用供电系统供电的设备,不能低于等级2。

 

 

偶次谐波试验等级

h

等级1

等级2

等级3

等级X

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

2

3

3

3

开放

4

1.5

1.5

2

开放

6

不试验

不试验

1.5

开放

8

不试验

不试验

1.5

开放

10

不试验

不试验

1.5

开放

12~40

不试验

不试验

1.5

开放

注:
1)x是开放的等级,该等级由相关专业标准技术委员会确定,但是对于低压共用供电系统供电的设备,不能低于等级2。

 

在2f1~40 f1频率范围内将上表幅值单个正弦波电压施加到基波电压U1上,每个频率施加时间(Dwell Time)为5s,间隔(Pause Time)1s再施加下一个频率。

大于或等于3%等级的谐波电压(直到9次谐波)时,在基波0和180相位应分别施加试验等级,小于3%的试验等级的谐波电压没有相位要求。

试验波形如下:

2)谐间波

谐间波试验等级见下表:

谐波频率之间的频率试验等级(50Hz)

频率范围

等级1

等级2

等级3

等级X

Hz

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

16~100

不试验

2.5

4

开放

100~500

不试验

5

9

开放

500~750

不试验

3.5

5

开放

750~1000

不试验

2

3

开放

1000~2000

不试验

1.5

2

开放

注:x是开放的等级,该等级由相关专业标准技术委员会确定。

 

谐波频率之间的频率试验等级(60Hz)

频率范围

等级1

等级2

等级3

等级X

Hz

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

20~120

不试验

2.5

4

开放

120~600

不试验

5

7.5

开放

600~900

不试验

3.5

5

开放

900~1200

不试验

2

3

开放

1200~2400

不试验

1.5

2

开放

注:x是开放的等级,该等级由相关专业标准技术委员会确定。

 

谐间波试验每频率步长施加时间(Dwell Time)为5s,间隔(Pause Time)1s再施加下一个频率。

谐间波的频率步长见下表:

频率范围 f

频率步长Δf

0.33f1 ~ 2f1

0.1f1

2f1 ~ 10f1

0.2f1

10f1 ~ 20f1

0.2f1

20f1 ~ 40f1

0.5f1

 

谐间波测量波形如下:

4.4Meister曲线试验等级和要求

Meister曲线试验等级如下:

频率范围 f
Hz

频率步长Δf
Hz

等级1

等级2

等级3

等级x

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

试验水平U1%

16.5 ~ 100

5

不试验

3

4

开放的

100 ~ 500

10

不试验

9

10

开放的

500 ~ 1000

10

不试验

4500/f

4500/f

开放的

1000 ~ 2400

25

不试验

4500/f

4500/f

开放的

注:2400Hz是60Hz系统最高频率,50Hz系统最高频率为2000Hz。

 

Meister曲线试验适用于等级2的产品。试验时,频率扫描的速率不少于每10倍频程5分钟。

Meister曲线波形如下:

5谐波、谐间波及电网信号抗扰度试验流程

为了简化试验,依照试验等级,谐波、谐间波及电网信号抗扰度测试可分为两个试验流程图:Class 1/Class 2试验流程图、Class 3试验流程图。

Class 1和Class 2试验流程图

 

Class 3试验流程图

 

6测试布置

单相EUT试验布置示意图:

三相EUT试验布置示意图:

 

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