实验室供电电源的影响、要求与检测

实验室供电电源的影响、要求及检测张晓（西安全路通号器材研究有限公司，西安，）摘要：本文分析了实验室供电电源检测结果和检测设备造成的影响，明确了实验室对供电电源的要求，并提出了实验室供电电源检测的主要参数和计算方法。关键字：电源 电压 频率 谐波Abstract: Based on the analysis of laboratory test results and test of power supply equipment impact, the lab on the power supply requirement, and puts forward the lab power supply detection of the main parameter and calculate method.Keywords: power voltage frequency harmonic0 引言检测数据的准确性体现了一个检验机构检测水平的高与低，直接关系到一个检验机构的生存与发展，关系到为社会提供质量信息和技术服务是否准确可靠，而实验室检测结果的质量受到人员、样品处置、检验方法、实验室环境和设施条件、电源、仪器设备、检测过程、标准物质等方面因素的影响。电源是开展检测工作的最基本的前提条件，它的稳定程度和完好程度会直接影响检测设备的正常使用以及检测数据的准确性。为了保证检测数据的准确可靠，确保检测设备的正常工作，实验室必须使用符合标准的供电电源，所以又必要对实验室供电电源提出要求，在使用前进行检测。1 实验室供电电源质量对检测结果影响的分析对于检测电气产品的实验室，有大量试验样品和检测设备需要在一定的电压、电流或功率下进行某些指定的试验，要求供电电源的电压和电流应该是一个具有足够容量的标准正弦波，但是随着电子技术的广泛运用和社会生产力的不断发展，大量使用非线性阻抗电气装置、电子设备导致电网被污染，让线路的容量不堪重负而引起电气设备损耗增加、效率降低等弊病，使电源的供电质量变坏，影响到实验室检测装置的工作精度和可靠性，影响被检测样品原来真实的性能。因此，我们在检测电气产品时，相对有影响的试验和检测设备加装了稳压电源，并定期进行核查，来改善和控制试验电源的电能质量，从而减小电源特性对检测结果的影响。目前我国电能质量的主要指标有：电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动、三相不平衡等。1.1电压偏差电压偏差，是实际运行电压对系统标称电压的偏差相对值，以百分数表示， 电压偏差对实验室一些电气产品的功率、使用寿命以及工作性能产生极大的影响。（1）影响照明。电压偏差对白炽灯的功率流量、光通量和其发光的效率以及其使用寿命产生极大的影响。当电压较额定电压降低5%时，白炽灯的光通量减少18%；当电压降低10%时，光通量减少30%，照度显著降低。当电压较额定电压升高5%时，白炽灯的寿命减少30%；当电压升高10%时，寿命减少50%。由此可看出，白炽灯的使用寿命受电压偏差的影响极大，倘若电压偏差过大，那么白炽灯便会迅速烧毁。（2）影响电动机。电动机的电流、功率、运作效率以及使用寿命等受电压偏差的影响较大。当电压降低时，电动机的转矩也会相应地降低；电压降低至临界值下时，电动机便无法启动，甚至会因为堵转导致电动机损坏；当电源电压过高时，有可能损坏绝缘或励磁过大而发生过电流，从而降低其使用寿命。（3）影响变压器，电压偏差主要影响变压器的空载损耗与电阻损耗两个方面。当对变压器施加的电压比额定电压高时，变压器的空载损耗将有明显的增大，其电阻损耗则会降低；当对变压器施加的电压比额定电压低时，变压器的空载损耗会降低，其电阻损耗则会增大。因此变压器有一个经济运行区，我们应使其在该范围内工作。同时，当变压器的运行电压比额定电压高时，变压器设备中的铁芯会进入饱和区，那么变压器的励磁电流将会急剧增加，其空载损耗将会有明显的增大。一般情况下，10kV的变压器其损耗值大约占据了全部网线损耗值的70%，而空载损耗占有总损耗值的80%左右。由此可见，通过调压使电压在经济范围内，对降损节能、促进电网经济运行具有明显的作用。（4）影响线路，线路损耗受电压偏差的影响和变压器的空载损耗相同。（5）影响电容器，电压偏差主要影响着电容器的功率和使用寿命。综上所述，电压偏差对实验室的检测设备、实验结果、试验样品的寿命以及性能有很大的影响，我国市电的电能质量根据GB/T12325-2008电能质量 供电电压偏差中规定电压偏差为：三相供电电压偏差为标称电压的7%，220V单相供电电压偏差为标称电压的+7%；-10%。1.2 频率偏差频率偏差，是指实际频率与标称频率之间的偏差， 在50Hz系统中，频率每变化0.1Hz，负载功率变化0.02%0.06%。负载对低频率的系统试验需要限制在很短的时段内完成，因为在这段时期内，负载自身也会发生一些变化。此外，对于恒温控制的设备，例如高低温试验箱，其吸收的电功率随着频率降低而减少。当电力系统运行频率高于额定值，但不超出正常运行允许上限时，短期内对电力系统的安全不会造成威胁，但也和低频运行一样，对运行设备有一定的累积损伤。从经济方面考虑，高频率运行既浪费了一次能源又降低了效率。对实验设备运转速度要求严格的来说，高频率运行降低了产品的质量。1.3 电压波动电压波动，公共连接点电压在短时间里急剧变动，并且明显偏离标称电压值。相对电压偏差而言，电压波动也称为快速电压变动，或动态电压变动。电压波动取值可以表示为 其中Umax为电源最大输出电压，Umin为电源最小输出电压，Un为为电源标称电压。其变化周期大于工频周期，每秒d的变化大于0.2%者为电压波动，否则视为电压偏差。对于阻性负载，电流变化的幅度与电压变化的幅度成正比，对容性、感性负载的影响也类似；对非线性电路，影响比较复杂，要针对具体电路进行分析。通常来说，市网电源的电压波动比较明显，因此，对实验室来说，可以采用开关电源供电来解决电压波动的问题，一般可以控制波动在1%以内。1.4 三相电压不平衡三相电压不平衡是指三相电源各相的电压不对称。是各相电源所加的负载不均衡所致，属于基波负载配置问题。（1）对变压器的影响，三相电压不平衡时，使变压器处于不对称运行状态，造成变压器的损耗增大（包括空载损耗和负载损耗）。根据变压器运行规程规定，在运行中的变压器中性线电流不得超过变压器低压侧额定电流的25%。此外，三相负载不平衡运行会造成变压器零序电流过大，局部金属件升温增高，甚至会导致变压器烧毁。（2）对用电设备的影响，三相电压不平衡的发生将导致达到数倍电流不平衡的发生。诱导电动机中逆扭矩增加，从而使电动机的温度上升，效率下降，能耗增加，发生震动，输出亏耗等影响。各相之间的不平衡会导致用电设备使用寿命缩短，加速设备部件更换频率，增加设备维护的成本，断路器允许电流的余量减小，当负载变更或交替时容易发生超载、短路现象。中性线流入过大的不平衡电流，导致中性线增粗。（3）对线损的影响，三项四线制接线方式，当三相负荷平衡时线损最小；当一相负荷重，两相负荷轻的情况下线损增量较小；当一相负荷重，一相负荷轻，而第三项的负荷为平均负荷的情况下线损增量较大；当一相负荷轻，两相负荷重的情况下线损增量最大。当三相负荷不平衡时，无论何种负荷分配情况，电流不平衡度越大，线损增量也越大。显然，三相电压不平衡对实验室一些电气产品的功率、使用寿命以及工作性能产生极大的影响。GB/15543-2008电能质量 三相电压不平衡中规定不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%。可以采用静止无功发生器来解决三相电压不平衡的问题，通过对无功功率的控制来调节电网电压的幅度。1.5 谐波谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称它为高次谐波。谐波次数n必须是正整数。电力系统谐波主要的来源是各种非线性负荷用户，如各种整流设备、调节设备、电弧炉、轧钢机以及电气拖动设备。各种低压电气设备和家用电器所产生的谐波电流也能从低压侧馈入高压侧。谐波的影响：（1）对电机的影响。电动机吸收谐波电流会引起附加损耗，产生机械振动和噪声，引起谐波过电压；（2）对变压器的影响。较大的谐波电流穿过变压器形成的谐波磁场会引起变压器附件的发热，并导致局部过热，谐波会使变压器的噪音增大；（3）对输电电缆的影响。由于电缆的分布电容对谐波有放大作用，在电网低谷、电网电压升高时使谐波电压升高，造成电缆局部放电、介损和温升增大，易导致电缆故障；（4）对断路器的影响。谐波会使某些断路器的磁吹线圈不能正常工作，断路器的正常遮断能力降低，不能遮断波形畸变超过一定限制的故障电流；（5）对电容器组的影响。电容器由于谐波电流而过载，因为电容器的电抗随着频率的升高而减小，这使得电容器成为谐波的吸收点。同时谐波电压产生的大电流会引起电容器熔丝熔断。谐波往往会使介质损耗增加，而直接后果是额外的发热及寿命缩短。电容器和电源电感结合构成并联谐振电路，在谐振情况下，谐波被放大，最终的电压大大高于电压额定值并导致电容器损坏或熔丝熔断。抑制谐波的主要方法有增大电源容量，采用无源或有源滤波器，或采用带有源滤波器的开关电源。2 实验室对实验室供电电源的要求由以上的分析可以看出，试验用电源的输出特性，会明显地影响检测设备的正常使用以及检测数据的准确性。 按照CNAS-CL11:2006检测和校准实验室能力认可准则在电气检测领域的应用说明中对实验室供电电源的要求，实验室应配备的足够的电源容量，并确保试验电源特性，如电压额定值、频率额定值、电压稳定度、频率稳定度、谐波畸变等，符合检测规范要求或保证检测结果的不确定度在预计的范围内。如检测标准和检测规范中没有明确，则电压应保持在额定电压的+/-3%，频率应保持在额定频率的+/-2%，总谐波畸变不大于5%。实验室的检测工作电源应独立于空调、照明电源的单独回路供电。实验室的面积应满足检测工作的需要，应为工作设备和所有必要的辅助设备和仪器保留存储空间，应有足够的空间给需要数目的测试人员和管理人员。实验室的检测操作区域应提供充分照明，一般实验室照明度应不低于250lux。高压下检测设备，应按电压等级提供有充分的安全保护的房间或封闭区域和安全距离，在进行升压操作时应有2人操作。3 实验室供电电源的检测根据具体的要求应对实验室内所有可能供电端口进行输出特性的检测，首先根据实验室电源的电路图，分析要重点控制的电源输出端口，然后对每个重点输出端口进行测试，并进行测试记录。如有不符合要求的端口，立即设法整改，整改后重新测试直至所有输出端口达标。 测试的主要项目为：电压变化率、频率变化率、电压失真度。（1）电压变化率测量，接通电源后，测出最大开路电压Voc,max，最小开路电压Voc,min，最大负载电压Vld,max，最小负载电压Vld,min，通过公式和公式计算方法算出空载和满载时的电压变化率。（2）频率变化率测量，接通电源后，测出最大开路频率Voc,max，最小开路频率Voc,min，最大负载频率Vld,max，最小负载频率Vld,min，通过公式和公式计算方法算出空载和满载时的频率变化率。由于GB/T15945-2008电能质量 电力系统频率允许偏差中规定：50Hz电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz。当系统容量较小时，偏差值可放宽到0.5Hz，远优于CNAS-CL11:2006中规定频率应保持在额定频率的+/-2%，监测时基本能达到要求。对于变频电源而言，频率允许偏差也能达到要求。（3）GB/T14549电能质量 公用电网谐波中规定，低压（0.38kV）的电压总谐波畸变率为5%。CNAS-CL11:2006中规定总谐波畸变不大于5%，尽管供电电网供给的电源电压失真度小于5%，但是，稳定电源会产生附加失真度；如果稳压电源负载有较多的失真度大的负载，就会突破电源失真度小于5%的界限。在失真度监控时要关闭失真度大的负载，监控了解真实的电压失真度；还有在使用电源时尽量提高功率因素，减小失真度。公式 RegVoc=MAX(Voc,max-Vmon; Voc,min-Vmon / Vmon)100%公式 RegVld=MAX(Vld,max-Vmon; Vld,min-Vmon / Vmon)100%公式 RegFoc=MAX(Foc,max-Fmon; Foc,min-Fmon / Fmon)100%公式 RegFld=MAX(Fld,max-Fmon; Fld,min-Fmon / Fmon)100%4 总结供电电源的输出特性，会明显地影响检测设备的正常使用以及检测数据的准确性，所以要定期对实验室电源系统进行测试，或在实验室电源系统发生变化后（如线路改造、电源扩容等）进行测试，测试合格后方可进行试验，以保证计