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七种类型的电源问题(中)

日期:2022-10-12

本期我们来了解电流的中断、电压暂降/欠电压和电压暂升/过电压对设备的影响及其防范措施。

 

中断

 

中断(图6)的定义是供电电压或负载电流的完全消失。视其持续时间而定,中断可分为瞬时中断、暂时中断、短时中断或持续中断几类。各种中断类型的持续时间范围如下所示:

 

瞬时中短

0.5到30个周期

暂时中断

30个周期到2秒

短时中断

 2秒到2分钟

 持续中断 

2分钟以上

 

图6 短暂中断

 

01.

电流中断的产生原因

中断的原因可能有很多,但通常是某种类型的电力供电网损坏造成的,比如闪电、动物、树木、车辆事故、有害天气(强风、线路上积雪或结冰太厚等)、设备故障或者基本断路器跳闸。尽管市电基础设施在设计上可以自动校正许多此类问题,但它并不一贯正确可靠。

 

举例来说,在商业用电系统中普遍导致中断的许多常见案例之一是市电保护设备,比如输电线路自动重合闸。自动重合闸决定了大多数中断的时间长度,具体情况取决于故障的性质。自动重合闸是电力公司使用的用于察觉由于市电基础设施中的短路引起的电流升高,并在故障发生关闭供电。自动重合闸会在一个设定的时间后输电给供电线路,并尝试烧毁造成短路的物体(此物体通常是跨接在火线和地之间的树枝或小动物)。

 

如果您曾经遇到过房屋中供电停止,而在几分钟之后当您拿出蜡烛时又都恢复正常,那么您就可能体验过电力中断。当然,您的家中停电甚至停一晚上都可能仅仅是不方便,但对于企业而言则还可能造成很大的损失。

 

不管是瞬时中断、暂时中断、短时中断还是持续中断可能会对小到家庭用户大至工业用户造成破坏、损坏和宕机。家庭或小型企业计算机用户由于设备掉电信息损坏可能会丢失重要的数据。工业客户由于中断面临的将可能是更大损失。许多工业流程都依赖于某些机械元件持续不断的运转。如果这些元件由于中断而突然停止,将可能会造成设备损坏、产品报废,并且还会带来与停机、清理和重新开机相关的花费。举例来说,如果一家生产纱线的工业用户遇到短暂中断,则可能会导致抽纱过程“停止”,从而造成极大的浪费并引起停机。必须按特定的速度和密度抽纱才能确保最终产品的质量和类型达到预计要求。必须将不合格的纱线从纺纱机中清理出来并且必须重新拉直丝条。正如您能想像到的,这样将花费很多的精力,并且会造成长时间的停机。同时的浪费还有已经毁坏了的一定数量的纱线。

 

02.

应对中断的防范措施

应对中断的解决方法多种多样,有效性各有千秋,费用也有高有低。首先要做的第一件事就是消除或降低潜在问题发生的可能性。用电系统的良好的设计和维护当然是必不可少的。工业用户的系统通常与用电系统一样,应用广泛且脆弱因此也需要良好设计和维护。

 

降低了问题发生的可能性后,就需要采用额外的设备或设计方法以使用户的设备或工艺具备承受能力,即在电源质量扰动期间保持持续运行,或者具备在不可避免的中断之后和中断期间重新开始运转的能力。使用最为广泛的缓解设备是不间断电源(UPS)、发电机以及采用冗余系统和能量存储的系统设计技术。在掉电时,这些形式的替代电源将可以接管。笔记本电脑就是用户类似的例子。将笔记本电脑插上电源后,它从墙上插座上获得电力,同时电力将缓缓地给笔记本电脑内部电池充电。拔掉笔记本电脑的电源后,电池将立即接管并向笔记本电脑提供电力。开关技术的应用已经允许在不到半个周期内使用能量存储系统。

 

术语“持续中断”描述了这样一种情况:在商业用电系统中,自动保护设备由于故障性质的原因而无法重新供电,并且需要人工干预。用此术语描述这种情况更为准确,而不是常用的术语“断电”。术语“断电”实际上是指系统中的组件未能按预期方式工作。

 

电压暂降/欠电压

 

电压暂降(图7)是指给定频率下,交流电压下降,经历半个周期到1分钟的短暂持续期后恢复正常。电压暂降通常是因系统故障造成的,或当启动电流过高的负载开启时也常会发生。

 

图7 电压暂降

 

01.

电流电压暂降的产生原因

电压暂降的常见原因包括启动重负荷(比如首次启动大型空调设备)以及远程电力设备故障排除。同样,启动工业厂房内大型电机也可能导致电压显著降低(电压暂降)。电机在启动时的电流是正常运行电流的六倍还多。如果突然有大的电力负载,很可能会使电机所在电路的电压明显降低。可以想像一下,当您正在淋浴时,有人打开了您房屋中的所有水龙头,情况将会是怎样。水将可能变冷,并且水压会降低。当然,要解决此问题,您可能要有另一台专用于淋浴的热水器。对于启动负载很大会消耗大量起动电流的电路而言,道理是一样的。

 

02.

应对电流电压暂降的防范措施

尽管针对重负载的启动,增加专用电路可能是最有效的解决方法,但这种方法并非总是经济实用的,特别是一个工厂有许多重负荷设备需要启动时。解决启动重负荷的其它方法包括使用替代启动电源,这些电源在电机启动时不带载电气基础设施的其余负荷,比如带有自耦变压器或星形——三角形配置的降压启动器就是这种电源。还可以使用固态类型的软启动器,它可以有效地缓解电机启动时的电压暂降。可调速驱动器(ASD),可根据负载或其它用户改变电机速度,则更为经济有效地控制生产过程,另一个好处是解决了大型电机启动的问题。

 

正如在“中断”中提到的,电力基础设施尝试消除远程故障的过程可能会为最终用户带来问题。如果这种问题较明显,就会被看作是中断。不过,对于消除较快或快速恢复问题,也可能表现为电压暂降。用于解决中断问题的一些方法也可以用来解决电压暂降问题:UPS 设备、发电机以及系统设计技术。但是,电压暂降所造成的损坏知道看到后果(设备损毁、数据破坏、工业加工过程中出错)才显示出来。

 

作为一项增值服务,一些电力公司现在向客户提供生产过程的电压暂降分析服务,尽管这项服务仍然处于起步阶段。电压暂降分析可用来确定在什么电压暂降水平时,设备可以或无法运行。在进行研究并确定薄弱点后,对信息进行收集、分析并报告给设备生产商,以便它们能够改进其设备的承受能力。

 

03.

欠电压

欠电压(图8)是长期的电压暂降问题。曾经常用于描述此问题的术语是“掉电”,该术语已被术语“欠电压”所取代。“掉电”一词的意义模糊,也指为了应付商业用电高峰而采取电力管制。欠电压可能导致电机过热,也可能造成非线性负载(如计算机电源)故障。解决电压暂降的方法也适用于欠压。然而使用电池电力前如果UPS具有用逆变器调整电压的能力不需要频繁地更换UPS电池。更重要的是,如果欠电压状态持续保持,则可能是严重设备故障、配置问题或者需要解决电力供应问题的征兆。

 

图8 欠电压

 

电压暂升/过电压

 

01.

电流电压暂升的产生原因

电压暂升(图9)正好与电压暂降相反,是指交流电压暂时上升,经历持续半个周期到1分钟时间短暂持续期后恢复正常。电压暂升通常是因零线阻抗过高、负荷(特别是重负载)急遽下降,以及三相系统发生单一相位故障所致。

 

图9 电压暂升

 

结果导致数据错误、电灯闪烁、电气触点剥蚀、电子产品中的半导体损坏以及绝缘。常用的解决方法包括使用电力线调节器、UPS系统以及铁磁谐振变压器。

 

与电压暂降很像,电压暂升直到看到后果才显现出来。通过使用UPS和/或同时对输入电力事件进行监控和记录的电力调节设备,将有助于衡量这些事件将在何时发生,以及多久发生一次。

 

02.

过电压

过电压(图10)可能是长期电压暂升的问题。过电压想像为拉长期的电压暂升。过电压通常是因电源供应变压器接头设定不正确并且负载下降所致。这种情况常见于季节性的地区,淡季时居民的用电量会减少,但却仍然提供为用电高峰季节设定的输出电力,即使电力需求少了很多。它就像将您的拇指按在浇水软管的末端一样。尽管流出水管的水量保持不变,但因为出水口变小了,所以压力将会增大。过电压状况可能造成高电流,并导致下游断路器不必要地断开,以及设备过热。

 

图10 过电压

 

由于过电压实际上只是持续的电压暂升,因此适用于电压暂升的相同UPS或调节设备将也适用于过电压。但是,如果输入电力持续保持过电压状态,则可能也需要对进入设备的市电进行校正。过电压同样也有与电压暂升相同的征兆。由于过电压可能持续时间更长,过热可能是过电压的外部表现。对于在正常环境条件和使用情况下会产生一定热量的设备而言,过电压引发其输出热量突然增大。

 

下期我们来了解电流的波形畸变、电压波动和频率抖动对设备的影响及其防范措施。最后不二师兄还将用图表的形式来总结这三期我们介绍的这7中电源现象的波形、影响、可能的原因以及可行的方法。下期见啦~

 

 


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