电气测量技术基础知识与应用

1电气测量技术基础知识与应用2019年8月CompanyConfidential●内部培训讲座美国福禄克公司2电气测量技术基础知识与应用2019年8月CompanyConfidential主要内容电能质量测量与分析★测量仪器，FLUKE★对于谐波测量仪器，A级一致性意味着什么？★IEC61000-4-30：“标记”的重要性★电压骤降：原因、危害与解决方法★电压波动与闪变★三相不平衡：IEEE与IEC标准算法差异★电压瞬变现象的捕获★IEC标准测量仪器与国标的关系问题★有效值测量★电压有效值测量与评估：IEC61000-4-30与EN50160★电能质量测量标准概述：IEC61000-4-30★电能质量限值标准概述：EN50160★谐波：产生原因、危害与治理★非正弦系统的功率、有效值和谐波★中国电能质量标准简介常用电参数测量★变频调速系统的测量★功率因数、最大需量与电费★两瓦特计法：测量三相三线制系统★直流耦合与交流耦合示波表：波形采集、记录与分析★示波表的带宽、采样率与真实带宽★通道隔离：适合复杂的工业现场情况★FFT及频谱分析★FFT分析时间与窗函数★PLL同步采样DMM：基本概念与产品特点★问题：精准、安全的内涵★F289：新的特点★测量仪表的安全认证标记，意味着什么？★万用表测电阻，兆欧表测电阻，有什么区别？3电气测量技术基础知识与应用2019年8月CompanyConfidential●内部培训讲座电能质量测量与分析4电气测量技术基础知识与应用2019年8月CompanyConfidential测量仪器、FLUKE古埃及：建造金字塔的长度标准公元前3000年，长度的统一标准“埃尔”。法老的肘关节到中指指尖的长度加上他手中一根棕榈枝长的总长度定义为“1埃尔”，将该长度标准用黑色花岗岩刻制，作为原始标准。中国：秦始皇，商鞅变法，统一了的中国的度量衡。1949年：FLUKE推出第一个产品，101型高精度台式功率计，通用电气公司是首家用户。1994年：F40/41，世界首款便携式谐波分析仪成功地降低了专业谐波分析仪器的门槛，电网及动力部门谐波普查的基础工具。1999年：F43，测试谐波和瞬态信号的电能质量分析仪。2003年：6100A，世界第一台电功率与电能质量标准源。（ElectricalPowerStandard）电能质量行业独一无二的标准源。众多电能质量分析仪厂家必备的校准工具。2005年：F1760，世界首款完全符合IEC61000-4-30A级标准的便携式三相电能质量分析仪F430，世界首款完全符合IEC61000-4-30标准的手持式三相电能质量分析仪测量的意义度量衡FLUKE：测量仪器及工具的领导者，在所涉足的领域内都保持着第一或第二的领导地位。6100AF1760门捷列夫：“没有测量，就没有科学”FLUKE--电能质量监测、分析与评估，专业领域的先锋和标准！F415电气测量技术基础知识与应用2019年8月CompanyConfidential对于谐波测量仪器，A级一致性意味着什么？IEC61000-4-30:2003“TestingandMeasuringTechniques–PowerQualityMeasurementMethods”“测试和测量技术－电能质量测量方法”IEC电能质量标准61000-4-30：草案于1999年2月提出，正式版于2003年2月发布。IEC61000-4-30标准对于A级谐波测量仪器的要求：一致性。引用目前最新的IEC61000-4-7:2002标准，对谐波计算方法有严格规定。如时间窗、同步、窗函数等。50Hz系统的时间窗必须为10个周波（200ms）。旧的标准允许为400ms、320ms或1个周波等时间间隔。旧标准的问题：不同厂家的谐波测量仪器，测量结果差异很大。例：对波动或快速变化谐波的分析*基于1个周期窗口采样的谐波分析仪器，与400ms窗口测量仪器结果对比：一台90t交流电弧炉，用不同窗口宽度（矩形窗）测得的35kV谐波电流值（用英国PA4400高精度电力谐波分析仪，现场实测记录）。宽窗口测得的谐波含量明显减小，特别是偶次谐波（2次，4次）。英国PA4400测量结果某型国产仪器测量结果*林海雪：从IEC电磁兼容标准看电网谐波国家标准。电网技术，1999，23(5)：64～67.对用户的意义：谐波治理的投资额度谐波评估结果的准确性、一致性、权威性IEC610006电气测量技术基础知识与应用2019年8月CompanyConfidentialIEC标准谐波分析：FFT谱线的计算(1)50Hz系统：采样率fs为10.24kS/s,窗口时间200ms,FFT数据点N为2048。频率分辨率：△f=fs/N=5Hz谐波阶次：DC，1～50次间谐波阶次：1.5～49.5次YESNO谐波次数nn+1n+2n+3谐波subgroupn+1间谐波subgroupn+2,5DFT输出谐波次数nn+1n+2n+3DFT输出S300Hz350Hz325Hz●如何对FFT谱线求方均根值来计算谐波和间谐波？●IEC61000-4-7:2002FFT分析窗口：10周期(约200ms)（RMS、不平衡计算时间）●信号系统：电力线载波（PLC）使用普通电力线为载体，通过载波方式将模拟或数字信号进行传输。利用电力通讯可以实现宽带网络、电话、有线电视、电力网四网合一。国家标准《单边带电力线载波系统设计导则》GB/T14430-93与IEC标准相同。电能质量问题中，电力线载波通常被归纳为间谐波。谐波与间谐波算法：IEC2002版与1991版谐波与间谐波：对FFT谱线的处理方法。IEC2002版与1991版的区别。7电气测量技术基础知识与应用2019年8月CompanyConfidentialIEC标准谐波分析：FFT谱线的计算(2)2222222222227532530028028529029530030531031532022FFGFFFFFFFFF●频谱分辨率的要求1991年以前：谐波测量以50Hz为间隔。IEC现行标准要求频谱分析间隔为5Hz。●谐波与间谐波（子组）1991版算法：谐波：11条谱线，间谐波：9条谱线。2002版算法：谐波：3条谱线，间谐波：7条谱线。例：150Hz频谱分量为10%，145Hz频谱分量为1%，155Hz频谱分量为2%。则标示为“150Hz”的第3次谐波还应该包括145Hz频谱分量及155Hz频谱分量：即：第3次谐波为10.2%，而不是10%。频谱分析结果：频率分辨率要求例：6th谐波的计算方法（1991版）例：6th谐波的计算方法（2002版）8电气测量技术基础知识与应用2019年8月CompanyConfidentialIEC61000-4-30：“标记”的重要性◆在发生骤降、骤升或电压中断事件时，其它电能质量参数的测量结果是否可靠？◆利用标记（Flagging）的方法，避免重复计算某一电压事件。◆标记，仅由骤降、骤升或电压中断事件触发。◆适用于频率、电压幅值、闪变、电压不平衡、电压谐波、电压间谐波的测量。◆A级测量仪器的要求。F430：被标记的测量结果由显示屏右上角的标记“P”来表示。◆由用户决定如何评估标记的数据。PIEC61000-4-7:2002：“标记”IEC要求采取严格同步采样加矩形窗的FFT。谐波分析仪只有在失去同步的情况下才允许使用汉宁窗加权的FFT，并且，仪器显示应标明此时的测试已失去同步，此时的谐波测量结果也应作出标记。例：“标记”，波动与闪变测量时有效地避免对电压骤降、骤升事件的重复计算，准确评估电压闪变。IEC61000-4-30要求对某些测量值进行“标记”：对用户的意义：正确查找电能质量有关的事故原因决定出“对症下药”的治理措施准确评估电能质量某钢厂110kV电压骤降事件，电压电流波形发生时间：12/28/200403:35:07.1579电气测量技术基础知识与应用2019年8月CompanyConfidential电压骤降：原因与危害电压骤降产生的原因无论供电系统的可靠性如何提高，输配电网络以及特殊负荷等仍会造成无法避免的电压骤降。例如：各种短路故障、大型电机的启动雷击致使保护动作、倒闸开关操作变压器及电容器的投切、轧钢机等冲击性负荷的投切电压骤降的危害设备名称影响与危害制冷控制器电压低于80%时，控制器切除制冷电机，导致巨大损失。芯片制造业电压低于85%时，芯片被毁，测试已停止工作，内部电子电路主板故障。PLC当电压低于90%持续几个周波，I/O设备切除，低于81%时PLC停止工作。精密制造电脑或机器人控制操作的精密加工过程，当电压低于90%持续2-3个周波时，其工作过程中断直流电机当电压低于80%时，电机保护跳闸。调速电机(VSD)当电压低于70%持续时间超过6个周波时，VSD被切除；当电压低于90%持续时间超过三个周波时，一些精密加工业的电机会跳闸退出运行。直流接触器电压低于50%持续时间超过一个周波时，接触器就会脱扣，有时电压低于70%接触器就会脱扣。计算机电压低于50%持续10各种周波时，计算机工作受到影响，数据丢失。电压骤降现象国际上已经公认：电压骤降是最严重的电能质量事件。约有80%以上的电能质量事故是由电压骤降造成的。电压骤降原因的统计比例瞬时值与有效值波形电压骤升现象原因：大型负荷的切断等。瞬时值与有效值波形10电气测量技术基础知识与应用2019年8月CompanyConfidential电压骤降，为什么成为近年最受关注的电能质量问题？由于目前微处理器控制设备和电力电子设备在工业中的广泛使用，这些设备对电压骤降特别敏感，电压骤降往往会导致这类设备损坏或误动作。例如：变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动化生产线、计算机系统等。在欧洲和美国，电力部门和用户对电压骤降的关注程度比对其他电能质量问题的关注程度要强得多。主要原因是，由电压骤降引起的用户投诉占整个电能质量问题投诉数量的80%以上，而由谐波等引起的电能质量问题投诉数量所占不到20%。IBM公司统计表明，48.5%的计算机数据丢失是由电压不合格造成的。电压骤降：背景知识电压骤降，对敏感用电设备有什么影响？例：计算机系统紊乱（幅值下降大于10%，持续时间大于0.1s）变频调速设备跳闸（幅值下降大于15%，持续时间0.5周波）电压骤降问题，如何抑制与解决？例：动态电压调节器(DVR)是解决电压质量问题的有效措施。例：由雷击造成的短路故障电压骤降，是一种新的电能质量现象吗？不是。电压骤降是配电系统中最常见的一种电压扰动，当电力系统发生短路故障、大容量电动机启动、雷击、开关操作、变压器或电容器组投切时，都可能引起电压骤降。电压骤降并不是一个新的电能质量问题。由于过去的绝大多数用电设备对电压的短时突然变化不敏感，因此，电压骤降问题没有引起人们的关注。目前的电能质量国家标准中，有类似于谐波等面对电网运行管理的电压骤降标准吗？目前还没有此国标。我国的电磁兼容标准GB/T17626.11-1999《电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验》等同于IEC61000-4-11：1994，该标准是针对用电设备的抗扰度要求而制定的。上海、浙江等地区电网提出的电能质量监测技术规范（报批文件），已明确要求监测统计骤降等电压质量现象。F430等完全符合IEC61000-4-30的仪器，监测电压骤降等电能质量问题，有什么特点与优势？传统的测量仪器将电压骤降也处理为谐波、闪变及电压幅值不合格事件，重复计算。有学者提出小波变换法检测电压骤降并分析谐波。IEC61000-4-30采用半周期(10ms)刷新RMS值法(20ms)检测电压骤降，记录其发生时刻、持续时间及幅度，并作出电压事件标记。电压骤降与电压中断：事件定义11电气测量技术基础知识与应用2019年8月CompanyConfidential电压骤降、骤升及电压中断事件IEC61000-4-30标准：捕获电压事件骤降：供电电压突然降