基于对电气设备的影响的超谐波相关问题的诊断（一）

突出

· • 评估与四种干扰相关的超谐波的方法和公式。

· • 研究了可闻噪声、电缆终端、RCD 跳闸、闪烁。

· • 考虑干扰依赖方法的超谐波评估。

· • 确定了与干扰相关的超谐波的相关特性。

抽象

由于越来越多地使用发射 2-150 kHz 范围内失真的技术，超谐波 （SH） 在低压 （LV） 和中压 （MV） 电网中激增。目前，尚无评估 SH 对电气系统影响的推荐做法。SH 通过 LV 和 MV 电网的传播会导致对输电元件和最终用户设备的干扰，例如光闪烁、电容器和电缆终端老化、可闻噪声以及电动汽车 （EV） 充电中断。随着此类事件发生的频率越来越高，因此需要制定有助于诊断 SH 相关问题的指南。SH 失真的不同特征会导致不同的干扰。本文介绍了根据干扰形态评估 SH 影响的指南。评估使用与 SH 失真特性直接相关的易于使用的方法和公式进行。SH 的不利影响包括可闻噪声、光闪烁、低压剩余电流器件 （RCD） 跳闸和 MV 电缆端接故障。这项工作使面临 SH 相关问题的现场工程师和研究人员感兴趣;它还可以作为进一步研究的指南。

关键字 声学噪声电磁干扰泄漏电流电力电缆绝缘电能质量超谐波

1. 引言

超谐波 （SH） 是 2 至 150 kHz 范围内的电流和电压波形失真。它们可能由电力线通信 （PLC） 系统有意创建，也可能由电力电子转换器无意中创建。在提高电力系统效率需求的推动下，电力输送模式向现代方案的转变激发了导致 SH 在电网中扩散的技术的使用[1]。在智能电网的背景下，智能计量和电能质量监测利用窄带 PLC 系统 [2]，并鼓励安装分布式发电以及使用可再生能源。一些国家正在进行交通部门的电气化 [3]、[4]。在现代社会，数据管理、基于云的服务以及人工智能的日益普及都需要为高性能计算负载供电。所描述的活动涉及使用开关模式电源和基于转换器的设备增加负载，这些开关频率的残余部分显示为发射到电网中的 SH [5]。后者导致更频繁地报告与 SH 相关的问题，例如，在 CLC TR 50669 和 [5]、[6]、[7]、[8] 中。

发射 SH 的设备的一些示例包括：光伏逆变器、风力涡轮机转换器、电动汽车充电器、变速驱动器、LED 灯、空调机组、计算机电源 [1]、[4]、[5]、[7]。参考文献 [9] 得出结论，SH 存在于世界不同地区的低压 （LV） 电网中;SH 水平呈每日模式，白天较高;SH 的频率也各不相同。每日模式取决于地点。对整个 SH 范围内的电压失真的量化表明，平均值在基波电压的 0.09% 到 0.56 % 之间，尽管在持续时间不到一分钟的情况下，它可能高达 12 %。在 [4] 中，测量了电动汽车排放的 SH;该研究报告了 SH 频率从 10 到 60 kHz，幅度从 30 到 1000 mA;单个设备可以发射多个频率的 SH。参考文献[10]显示了中压装置中光伏逆变器发射的SH水平，其幅度高达基波电压的2%。发射与逆变器的开关频率及其倍数一致，并且在发电时存在。在 [11] 中，在 MV 安装中执行了 SH 测量活动;据报道，在 70 kV 母线排中，在 2 kHz 下幅度高达 400 V。发射是由静态变频器引起的，SH 水平取决于进料网络的配置和正在运行的变频器数量。参考文献 [12]、[13] 显示了 SH 与 MV 网络中

可再生能源发电厂运行的相关性。一些组件的传播距离约为 16 公里。

将 SH 作为电能质量问题的研究相对较新 [7]。缺乏对 SH 的标准化和研究，在如何评估 SH 失真作为电能质量特征的方法中留下了空白。在 SH 的不良反应背景下，解释了促使这项工作的差距：

1） 尽管之前已经努力制定 SH 指数 [14]，但关于这些指数与 SH 的不良反应的关系存在知识差距 [15]。IEC 61000-4-19 中提供了 SH 测试的抗扰度水平;它们与不良反应没有直接关系。对电器进行抗扰度测试的研究人员报告了 SH 引起的闪烁和可闻噪声 [16]。

2） SH 的特性与其对最终用户设备的影响之间的关系尚未制定。一些与 SH 相关的问题涉及 [16]、[17] 中的加热，而另一些则涉及通信协议问题 [5]。SH 变形的不同特征会导致不同类型的影响。需要进一步的工作来了解由 SH 引起的干扰的形态 [15];研究正在进行中 [17]、[18]。

3） 在与此类失真相关的问题诊断背景下，评估 SH 水平的推荐做法尚未制定。关于如何诊断 SH 引发的问题缺乏共识，这使得报告的问题仍然是轶事 [19]、[20]。

因此，需要根据 SH 引起的事件来评估 SH 的方法。本文开创了对 SH 与其影响相关的特征的研究，并制定了量化和评估这些影响严重程度的推荐做法。这项工作的目的是为解决普遍接受的方法做出贡献：

1） 量化 SH 的影响;

2） 与 SH 相关的问题的诊断。

本文考虑了由 SH 引起的四种干扰：可闻噪声、光闪烁、低压剩余电流器件 （RCD） 的意外跳闸和 MV 电缆端接故障。解决了两个研究问题：

1） 与每种干扰现象相关的 SH 有哪些相关属性？通过识别这些相关属性，可以获得用于诊断电气系统中存在问题的输入信息。

2） 如何通过观察决定这些影响的 SH 特征来评估 SH 的负面影响？

接下来解释了用于回答所述问题的方法和方法。进行文献综述以构建每种干扰现象的理论背景。进行建模和模拟或实验以复制这种现象。开发了用于评估与每种干扰相关的 SH 的简单方法或公式。提供了这些方法的应用示例。

本文有助于填补上述空白，因此：

1） 确定了与每种干扰相关的 SH 特性。

2） 介绍了量化 SH 对设备影响的公式或方法。

3） 除了对数据进行适当的测量和分析外，确定问题的内在性，有助于诊断由 SH 引起的事件。因此，由 SH 引起的问题可以被诊断为此类。这将鼓励缓解策略的研究工作 向前发展。

4） 它构成了通过评估其特性来分析 SH 和诊断问题的指南。

5） 它构成了负责定义 LV 和 MV 发射限值以及 MV 网络兼容性水平的标准化委员会的输入。

在以下各节中，将分别研究与 SH 相关的四种现象。本文最后总结了评估建议，并讨论了所取得的结果。

2. 可闻噪声

2.1. 报告案例

可听见噪声是 SH 的“常见效果”之一 [5]。由于 SH 引起的可闻噪声案例已在文献中报道，并在非正式的客户体验中进行了报道。表 1 总结了文献中发现的一些 SH 导致可闻噪声的报告。

表 1.一些报告了可闻噪声的案例。

从表 1 中可以看出，低至 0.6 V（标称电源电压为 230 V 时为 0.3 %）的 SH 电压会引起可闻噪声。除 [21] 中的情况外，表 1 中所示的 SH 电压低于 IEC 61000-4-19 中的抗扰度水平。设备符合 IEC 61000-4-19 标准并不能保证其对 SH 引起的可闻噪声的抗扰度。其他研究人员也得出了后者的结论[16]。

IEC 61000-2-2 承认，可闻噪声可能是由至少为标称电压的 0.5 % 且频率在 1 到 9 kHz 之间的电压引起的。

2.2. 听力范围

人类可以听到 20 Hz 到 20 kHz 之间的频率。人类的听觉响应与声压级 （SPL） 不是线性的，在 1 kHz 到 7 kHz 之间敏感 [22]。年龄、以前暴露于高 SPL 和耳朵健康状况等因素都会影响听力敏感性 [22]。儿童可以很好地听到高于 16 kHz 的频率。人类听觉对声压的反应由 ISO 226 [22] 中提供的等响度级等值线表示。等值线是 SPL 与频率平面中的一条曲线，连接着一些点，其坐标代表被认为对人类来说同样响亮的纯音 [22]。人类听觉阈值处的轮廓如图 1（a） 所示。它表示“在特定条件下，一个人在重复试验中给出 50% 的正确检测反应的声音水平”[22]。

图 1.所开发公式的背景和应用。

2.3. 研究的新水平

暴露于 SH 的电子设备产生的声学噪声是由于电容器和线圈上的机电效应，例如磁致伸缩和逆压电效应。它们会引起机械力，从而导致机械振荡。可闻噪声的特性取决于设计参数，例如振荡表面的大小以及到具有振动能力的其他部件的传输路径的可用性 [18]。

根据对 103 台大众市场最终用户设备 [18] 的测量结果，暴露于 SH 的设备产生的声学噪声水平可高达 40 dB（A）（A 加权 SPL）。大约 16% 的设备具有声音发射，根据周围环境的不同，可能会对人类造成干扰。据报道，大约 12% 的设备发出的噪声几乎总是被识别出来 [18]。大约 5% 的设备发出的声音超过 32 分贝（A）;暴露于这些物质会对人类在睡眠期间产生生物效应[23]。

[18] 中的测试表明，声音的频率与施加的 SH 频率一致。外加电压幅度的线性增加导致 SPL 近似线性增加（以 dB（A） 为单位），但这种关系没有得到详细研究。实验还表明，SH 的幅度和 SPL 之间的关系取决于施加的频率。在 2 kHz 和 2 kHz 下施加 10 V 将导致不同的 SPL，具体取决于谐振机械系统的特性。设备在 SH 电压下的工作模式对其声音发射有重大影响。从这个意义上说，不可能推广所有设备的谐振特性。

在另一项研究 [16] 中，55 台家用设备暴露于根据免疫水平调整的 SH。大约一半的测试设备产生了可闻噪声。单频 SH 比具有等效 rms 值的 SH 频带产生更多的可闻噪声情况。感应设备不受影响。 怀疑该器件输入阻抗处的串联谐振定义了可闻噪声的发射 [16]。

2.4. 实验案例研究

进行了一项实验来复制 [18] 中暗示的 SH 和 SPL 振幅之间的相关性。抽象出这种关系有助于制定相对于可闻噪声的 SH 适应症。

被测设备是计算机的电源装置。该器件暴露在叠加于电源电压的 SH 脉冲中。注入的 SH 的特性是通过可控电源编程和生成的。使用持续时间为 3 s 的 SH 脉冲和暂停模式。每个脉冲都携带具有不同幅度的 SH。对一系列 3 个脉冲进行编程。该测试针对 SH 频率进行：6、8 和 12 kHz。该设备发出的声音是用麦克风测量的，麦克风的输出 （以 V 为单位） 与声压 （以 Pa 为单位） 成正比。结果如图 2 所示。

图 2 （a） 证实，较高的 SH 幅度会导致较高的声压。在较短的尺度 （100 ms） 上，图 2（b） 中可以观察到 8 kHz SH 频率测试的 SH 分量调制。调制频率是市电标称频率的两倍;在 [18] 中也报道了类似的现象。从图 2（b） 中可以看出，声压遵循 SH 电压模式：最高声压与最高 SH 幅度一致。

结果的量化是在时域中进行的。录制的音频、电压和电流信号在以研究频率为中心的 800 Hz 宽带上进行过滤。仅量化 SH 振幅最高的区间;定义了一个振幅阈值，超过该阈值时，将计算信号的 RMS 值。结果总结在图 2（c） 中。在图 2（c） 中，声压随电压线性增加，根据频率的不同，斜率不同。电流和声音斜率在 8 kHz 和 12 kHz 时重合;电流的增加会导致这些频率的声压等效增加。6 kHz 的结果不支持后者;使用各种设备进行进一步研究有助于定义更详细的模型。该器件的输入阻抗大小为：9、6 和 2哦,分别在 6、8 和 12 kHz 时。

2.5. SH 评估的建议

作者建议在可闻噪声的情况下评估 SH 电压的严重性，根据其频率对 SH 分量进行称重。由 SH 引起的噪声 SPL 的频率依赖性不能推广到所有器件。建议根据人类听觉特征进行加权 [图 1（a）]，这是国际公认的，并已经过严格研究 [22]。

为了制定加权公式，以听觉阈值处的轮廓作为参考[图 1（a）]。考虑 1-20 kHz 的范围。在图 1（a） 中，显示了 1 kHz 和 20 kHz 之间的等值线（黑色实线）的简化。这条曲线可以在平面上通过分段函数以数学方式定义，分为三部分。定义此分段函数的坐标是 （1 kHz， -6 dB）、（5 kHz， -6 dB）、（9 kHz， 10 dB） 和 （20 kHz， 10 dB）。加权系数 /这,取决于频率，则基于相对于水平轴镜像的简化轮廓 [图 1（a）] 构建。这是因为加权公式应该在人类听觉更敏感的频率上给予 SH 更多的权重。例如，根据 [22]，由 20 kHz 的 SH 分量产生的 2 dB 音调比 10 kHz 的 20 dB 音调更响亮。这定义时，考虑到 20 kHz 的 SPL 和 1 kHz 的 SPL 之间的比率为 16 dB（线性刻度上为 6.3 p.u.），对于相同的感知响度（如图 1（a） 中的简化轮廓）。这定义为 （1） 中的三个部分：(1)这={6.3如果1≤f≤510(−1620日志10(9/5)日志10(f/5)+(16/20))如果5<f≤91如果9<f≤20, f 是 SH 分量的频率，单位为 kHz。

在下文中，假设 SH 分量产生的音调的声压（以 Pa 为单位）与 SH 电压的大小成正比（来自图 2（c））。SH （NISH） 的噪声严重性指标在 （2） 中表述，类似于 IEEE Std. 519 中的电话影响因子 （TIF）。使用要评估的电压信号的频谱。根据 IEC 61000-4-7 推荐的方法（尽管从 1 kHz 扩展到 20 kHz）具有 200 Hz 频段的频谱是合适的，因为 这定义在最小 4 kHz 宽度的频带中。(2)尼什=∑B=195(这VB跟B)2,VB是对应于频带的电压幅度 （rms）B.跟B是受影响设备的输入阻抗的大小;目前无法确定性地定义此参数。fB是频段的中心频率B并替换f在 （1） 中，用于计算这.

NISH 用于比较频率在 1 kHz 和 20 kHz 之间的多个 SH 光谱或分量。NISH 对 SH 失真进行基准测试，并指示 SH 失真可能导致可闻噪声。以图 1（b） 所示的四种合成 SH 电压分量为例。选择 图 1（b） 中组件的频率来举例说明它们的 NISH 之间的差异。为了说明目的，跟B假定为 1哦和频率恒定。

3. 电缆端接故障

3.1. 报告案例

SH 范围内的高水平电压失真可能导致 MV 装置中电缆端接的绝缘失效 [24]。由于高频系统共振，在 MV 网络中可能发现高水平的 SH [25]。

电阻应力分级型电缆终端故障发生在连接美国和墨西哥输电网的 Eagle Pass 装置的调试阶段。一项调查显示，频率为 12.4 kHz 的电压失真，幅度高达基波电压的 40% [24]。这种失真由电压源转换器 （VSC） 发出，并被谐振放大。与不同的工业代理讨论了另外两个怀疑 SH 是电阻应力分级终端失败原因的案例;这些案例均未公布。所有报告案例的常见解决方案是用具有几何应力分级的端接替换端接，这意味着成本和尺寸的增加 [24]、[25]。

3.2. 了解现象

电缆端接中应力分级层的功能是控制半导体屏蔽边缘的高电应力。应力分级层的设计使电场均匀分布在其上。当暴露在高于额定功率系统频率的频率下时，电场分布会扭曲，从而在应力分级层和半导体屏蔽层之间的边界处产生高应力区域。高功率损耗发生在高应力区域，这反过来又会在电缆端接表面产生热点，从而加速退化 [25]。

3.3. 研究的新水平

在 [26] 中，对 6 个具有非线性应力等级的 MV 电缆终端进行了加速老化测试;对于其中 3 个，SH 叠加到工频电压上。后者中的两个在大约五个月后失败了;在此期间，其余四次终止均未失败。SH 失真的频率设置为 7.2 kHz，其峰峰值设置为工频电压的 15%。在 [27] 中引入了 SH 和电缆端接故障的风险指示器。该指标基于电缆终端模型 [27] 以及之前的理论 [28] 和实验研究 [24]、[29]。[24] 中报告的电缆端接故障案例用作风险指示器的参考。

3.3.1. 一种简单的风险评估方法

提供有关电缆终端功率损耗信息的 SH 电压属性是大小、VSH,和频率，fSH。SH 的幅度和频率越高，电缆端接中绝缘失效的可能性就越高 [24]。[27] 中的模型认为电缆终端中的加热与施加的电压的频率成线性关系，并与电压大小的平方成正比。[27] 中引入了一种简单的评估方法，以确定给定的 SH 水平和频率是否代表电缆端接的风险。

该评估使用频域方法，分两步进行 [27]。该决定是根据每个步骤中获得的最坏结果做出的。这是由于 SH 光谱特性的高度可变性。一些 SH 具有明确的、固定的和可识别的频率;有些延伸到一个频带上。难点在于找到 SH 大小的可靠表示（开发这种方法超出了本文的范围）。[27] 中提出的两步评估旨在涵盖不同的场景。

假设电压的频谱可用，具有从 2 到 150 kHz 的 2 kHz 分组频段，则两步评估如下所述。[27] 中介绍了这种评估的一个应用示例。

将频谱与图 3 中所示的风险区域进行比较 SH 电压，VSH,可以表示为额定电压的比值，Vr一个t和d.m指示评估的个案与参考个案 （Eagle Pass） 的相似性。m=1表示 Eagle Pass 的故障发生在等效VSHVr一个t和d和fSHconditions 作为评估的 case。这些区域源于 Eagle Pass 故障条件的简化。这些区域的规格和更多详细信息可以在 [27] 中找到。

图 3.风险领域基于m以及Eagle Pass案[27]。

功率损耗总和（基于 [30]）由计算 [27] 考虑：(3)Q上海=∑B=174VB2fBVr一个t和d2fr一个t和d,哪里VB和fB是频段的电压幅度和中心频率，B.在 Eagle Pass 案中QSH−和P一个ss=20.Eagle Pass 案可以作为参考，采取保守的立场，m=0.25,故障风险阈值定义如下：m·QSH−和P一个ss=5.

3.4. 评估建议

电缆端接与 SH 的时间解释是相关的。除了 [27] 中给出的总结外，[26] 中进行的实验也提供了有关此问题的有用信息。在这个实验中，SH 不是在整个基波电压期间连续施加，而是每 1.3 ms 以短脉冲施加。在这种情况下，两个电缆端接失败，其中一个显示介损因数显著增加。后者表明，即使脉冲短且不连续，电缆终端在长时间（数月）内承受 SH 引起的重复应力也会导致过早老化。计算电缆绝缘寿命损失的方法使用 Arrhenius 方程以及随时间变化的电流负载模式 [31]。这个推理可以应用于 SH 未来的工作。Q上海可以通过考虑每 10 分钟计算一次的 99% 百分位值来统计评估。

4. 低压剩余电流器件的跳闸

4.1. 报告案例

多个国家/地区报告了 LV 剩余电流装置意外跳闸的案例 [3]、[19]、[32]、[33]、[34]。尽管 SH 是疑似原因，但尚未进行系统研究来证实这一前提并了解有关该设备的事件机制。

在 [3] 中，接地漏电保护器件的灵敏度导致了电动汽车 （EV） 充电的意外中断。在一个案例 [35] 中，原因是换气扇导致 SH 范围内的高共模电压。参考资料 [32] 报告了 EV 测试实验室在 EV 充电期间 RCD 的意外跳闸;SH 的频繁跳动是可疑的原因。电动汽车用户报告说，当中性点到保护性接地 （N-PE） 电压上存在高水平的 SH 时，充电过程会中断 [19]。通信调制解调器在由不间断电源 （UPS） 供电时出现多次通信故障;在相中性电压和相地电压上发现了高水平的 SH [33]。Liew in [34] 报告了剩余电流断路器 （RCCB） 的误跳闸。测量显示，漏电流中有 28 kHz 分量，峰峰值为 27 mA。

4.2. 研究的新水平

参考文献 [36] 将高次谐波对 RCD 内部元件的影响描述为“相当复杂和有争议的”。在某些情况下，可以说假跳闸概率的增加;在其他情况下，关于 RCD 故障（“盲目”）的危险。关于谐波对 RCD 影响的研究之前已经进行过 [37]。SH 的研究还没有达到这种程度。文献中的一个常见结论是，剩余电流的波形对 RCD 的灵敏度有影响。尖顶波形比平顶波形更容易导致不必要的跳闸。众所周知，三次谐波对剩余电流的波形形状有很大影响。在剩余电流中，三次谐波的相位角接近 180° 是最坏的情况 [37]。

根据 RCD 制造商 [38]、[39] 的说法，RCD 意外跳闸的常见原因之一是电流通过干扰滤波器和杂散电容泄漏到保护接地 （PE），在存在高达 20 kHz 元件的电路中;接地泄漏电流随着频率的增加而增加。参考文献 [40]显示了 SH 通过电磁干扰 （EMI） 滤波器传播到地面。测量验证了器件注入的 SH 通过其 EMI 滤波器传播到相邻器件的 PE，这会导致 PE 电流的 rms 值增加。根据 [41] 的说法，在家庭环境中，漏电流主要由 SH 组成。如今，市场上有各种类型的 RCD。Bfq 型和 B+ 型具有高达 20 kHz 的适应跳闸曲线。A 型和 AC 型仅适用于 50/60 Hz 的交流电。