揭開斷路器頻繁誤跳閘的秘密

摘要：許多商業(yè)和工業(yè)的裝置都為斷路器的頻繁誤跳閘所煩擾，而且這些跳閘是隨機(jī)的，令人費(fèi)解，但您絕對(duì)不會(huì)想到造成跳閘的幕后黑手竟然是“過(guò)流”。

為了找出造成故障的原因，我們用電流鉗表對(duì)設(shè)備電流進(jìn)行測(cè)量，然而發(fā)現(xiàn)幾個(gè)鉗表所測(cè)電流值相差非常大，例如下圖的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖所示。那么哪個(gè)值才是正確的呢?圖2是該電流的波形。

圖 1 左邊電流為5.92A，右邊電流為4.05A

圖2 對(duì)應(yīng)的電流波形

從電流波形可以看出，該負(fù)載是一個(gè)非線性負(fù)載，波形不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，圖1中左邊的電流表是真有效值測(cè)量?jī)x，右邊的是按有效值校準(zhǔn)的平均值測(cè)量?jī)x。那么為什么這兩種電流表測(cè)出來(lái)的電流值會(huì)相差那么大呢?在很好的理解它們差異所在之前必須首先了解有效值的確切含義。

什么是有效值(方均根值)?

交流電流的有效值(RMS)等于在同一電阻性負(fù)載回路中，與其產(chǎn)生等熱量的直流電流的大小。使用交流電時(shí)，電阻產(chǎn)生的熱量與一個(gè)周波內(nèi)的平均電流的平方成正比。換而言之，產(chǎn)生的熱量和電流平方的平均值成正比，也就是說(shuō)電流值和這個(gè)平方的平均值開方后的值也就是有效值成正比。(由于平方后總是正數(shù)，所以不用考慮極性問(wèn)題)

對(duì)于如圖 2 所示的純正弦波，有效值是峰值的 0.707 倍(或者說(shuō)峰值是有效值的 即 1.414 倍)。換句話說(shuō)，有效值為 1 安培的純正弦波電流的峰值電流為 1.414 安培。如果波形值僅僅被簡(jiǎn)單的平均(對(duì)半個(gè)負(fù)波形取反)，平均值就是峰值的 0.636 倍，或是有效值的 0.9 倍。圖 3 所示為這兩個(gè)重要的比例關(guān)系。

波頂因數(shù)=峰值/有效值=1.414

波形因數(shù)=有效值/平均值=1.111

圖3 純正弦波

在測(cè)量一個(gè)純正弦波(僅限于純正弦波)時(shí)，簡(jiǎn)單的測(cè)出平均值(0.636 倍峰值)，再乘以波形因數(shù) 1.111(即 0.707 倍峰值)所得到的數(shù)值是完全正確的，這個(gè)數(shù)值也被稱為有效值。這種方法被廣泛用于所有的模擬測(cè)量?jī)x(此時(shí)平均值是靠線圈運(yùn)動(dòng)的慣性和阻尼作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的)和所有舊式、儀表和大多數(shù)電流表數(shù)字萬(wàn)用表上。這種技術(shù)被稱為“平均讀數(shù)，按有效值校準(zhǔn)”的測(cè)量方法。 問(wèn)題是這種測(cè)量方法只適用于純正弦波，而在現(xiàn)實(shí)的電氣裝置中根本不存在純正弦波。圖 4 所示的波形圖是一個(gè)接入個(gè)人電腦后所產(chǎn)生的典型電流波形圖。方均根值仍然是 1 安培，但是峰值要明顯高于純正弦波時(shí)的峰值，為 2.6 安培。

同時(shí)平均值則小得多，為 0.55 安培。

圖4 個(gè)人計(jì)算機(jī)的典型電流波形圖

如果這個(gè)波形用“平均讀數(shù)，按有效值校準(zhǔn)”的測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，它的讀數(shù)為 0.61 安培，比真有效值(1 安培)少了將近 40%。

至此，也就不難理解為什么斷路器在“不滿載”狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)故障和頻繁誤跳閘啦。所以，針對(duì)非線性負(fù)載的信號(hào)測(cè)量，需要選擇“真有效值“表進(jìn)行測(cè)量，才能正確評(píng)估實(shí)際電流，從而正確選擇合適的導(dǎo)線。

致遠(yuǎn)電子PA系列功率分析儀提供精確的真有效值測(cè)量，圖5是功率分析儀的測(cè)量原理圖。

圖5 功率分析儀測(cè)量原理

隨著電力電子的快速發(fā)展，開關(guān)技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，同時(shí)碳化硅技術(shù)的發(fā)展讓更高的開關(guān)頻率得以實(shí)現(xiàn)以滿足更高效率的電源設(shè)計(jì)。致遠(yuǎn)電子自主研發(fā)的PA系列功率分析儀帶寬高達(dá)5MHz，采樣率高達(dá)2MS/s，滿足未來(lái)高頻的測(cè)量需求。