基于对电气设备的影响的超次谐波相关问题的诊断（二）

4.3. 了解现象

超次谐波 影响 RCD 的机制类似于谐波的机制。为了了解 超次谐波 下 RCD 的功能，考虑了一种带有电磁继电器的简单 RCD。该 RCD 由两个主要部分组成：总和电流互感器和带永磁体的跳闸继电器。求和变压器执行三相电流和中性线电流的瞬时值之和。剩余电流 （我D） 被视为接地漏电流。继电器将该剩余电流与给定的参考进行比较，并在超过该电流时采取行动。

RCD 的特点是其额定剩余工作电流我Dn（在 LV 安装中通常为 30 mA）及其残余不跳闸电流我Dn0.前者是 RCD 必须跳闸时剩余电流的有效值。后者是断路器不会跳闸的最大电流，相当于我Dn.

超次谐波 如何影响 RCD 功能的假设分为两部分：

1） EMI 滤波会增加 RCD 跳闸的可能性（AC 型和 A 型）;

2） 超次谐波 的特性对 RCD 的灵敏度有影响。请注意，语句 

1） 与安装的特性有关，而语句 

2） 与 RCD 的特性有关。两者都与 超次谐波 失真的特性有关。

4.3.1. EMI 滤波和 超次谐波

超次谐波 的频率和幅度越高，意外跳闸的可能性就越高。这是由于相之间或中性线与接地之间耦合的电容特性。超次谐波 对地的传播越高，剩余电流就越大，我D,由 RCD 中的电流求和变压器测量。

4.3.2. 超次谐波 通过 RCD 的传播

考虑图 4（a） 中所示的 RCD 的简单模型。本案例研究仅用于示例目的，旨在解释 RCD 在不同频率的 超次谐波 存在下的运行情况。该电路表示总电流互感器，其中初级电流对应于给定的剩余电流我D.次级电流流过跳闸继电器的电磁体（建模为电感）。跳闸继电器配有永磁体。一旦二次电流被传导到电磁铁中，永磁体的吸引力就会减弱。如果产生的磁力小于给定阈值，则继电器将跳闸。该模型是 [37] 中研究的模型的简化版本。

图 4.RCD 模拟。波形图 – 左：初级电流（黑色）、次级电流（灰色）。右：磁力（实心）、阈值（虚线）。

在图 4（a） 中，关注的是初级和次级电流，以及继电器中产生的磁力。图 4（b） 显示了没有三次谐波的合成输入电流的仿真结果。定义阈值是为了演示目的。只要磁力高于阈值，RCD 就不会跳闸。图 4（c） 显示了当剩余电流上存在三次谐波时的模拟结果。该信号的三次谐波的幅度为 13 mA rms，相位角为 92°。波形变化和电流峰值将导致 RCD 跳闸。

图 4 （c） 显示了将 13 mA 幅度和 2 kHz 频率的 超次谐波 叠加到参考剩余电流时的仿真结果。磁力越过阈值，因此 RCD 会跳闸。相同大小但频率增加的电流将导致磁力的峰峰值较低。由于通过求和变压器的频率相关传播，原边在 2 kHz 和 20 kHz 时相同的 13 mA 在次边最终会得到不同的幅度。

超次谐波 的频率越高，它们向继电器电磁铁的传播就越低。使 RCD 跳闸的 超次谐波 幅度与相位角为 92° 的三次谐波的幅度大致相同。

4.4. 评估方法和讨论

剩余电流的相对波峰因数 [42]CFrD,如 （4） 中所定义，描述了信号的形状及其导致 RCD 意外跳闸的可能性。我D麦克斯是剩余电流的最大值，我D有效值,其 rms 值。CFrD=1对于正弦波和CFrD>1用于尖顶波浪。图 4（b） 至 4（c） 中的剩余电流（初级电流）给出了CFrD分别为 1.19、1.47 和 1.44。(4)CFrD=我D麦克斯2我D有效值此分析的相关变量是接地漏电流，可能并非在所有情况下都可用。如果相电流和零线电流可用，则可以估算接地漏电流。

第 4.3 节中的分析导致了关于 超次谐波 的频率如何影响 RCD 的意外跳闸的相互矛盾的结论。对于系统，超次谐波 的频率越高，接地漏电流越高，意外跳闸的可能性就越高。另一方面，剩余电流中存在的 超次谐波 频率越高，RCD 跳闸所需的能量就越高。RCD 在这方面的行为高度依赖于其设计 [37]，在这一点上，无法得出关于 超次谐波 影响的一般结论。要达到任何概括，需要进行广泛的实验测试。

5. 光输出变化或闪烁

5.1. 报告案例

本节中的术语“闪烁”是指光度学闪烁，用于描述“光输出变化”。美国的一位商业客户观察到 LED 灯闪烁 [43]。对该位置的电压调查显示存在高频失真和陷波。失真显示频率在 5 到 10 kHz 之间，幅度高达 30 V 峰值。失真与基波电压不同步;失真的点在波内变化了 5 s。挪威 [44]、瑞典 [19] 和美国 [20] 在电动汽车充电过程中报告了更多闪烁案例。怀疑 超次谐波 是病因。

5.2. 研究的最新水平

人们认识到，LED灯的行为与白炽灯不同，应该努力重新定义闪烁指示灯[45]。IEC 61000-4-15 中定义的标准化闪烁计考虑了频率高达 40 Hz 的电压波动，并基于白炽灯泡的响应。超次谐波 叠加在基波电压上，人眼无法感知。另一种现象（本节稍后将解释）是导致 超次谐波 导致 LED 灯闪烁的原因，它与电子驱动器的功能有关[46]。

在 [43] 中，在叠加时变和频变 超次谐波 的电网电压下测试了 5 个 LED 灯。超次谐波 失真的点对波也是随时间变化的。两盏灯不受这种 超次谐波 失真的影响，一盏灯的光输出持续降低，两盏灯的光输出变化约为 10 秒。

在 [16] 中，一组 LED 和紧凑型荧光 （CF） 灯在 超次谐波 下进行了测试，其幅度根据 IEC 61000-4-19 中的抗扰度水平进行调整。闪烁评估是通过目视检查进行的。没有功率因数校正 （PFC） 阶段的灯不受失真的影响。具有主动 PFC 的灯在 2 至 20 kHz 范围内暴露于 超次谐波 时会闪烁。具有电容分压器拓扑的灯在暴露于 2 至 95 kHz 的频率时会闪烁。

在 [46] 中，由全桥整流器和平滑电容器组成的 LED 灯暴露在与 超次谐波 叠加的电源电压下，在 12.5 kHz 时振幅为 7 V rms。测量了整流器输入端的电流和光输出。人们感兴趣的是整流器二极管的导通和阻断状态之间的转换，这可以从电流中看出。可以看出，超次谐波 分量迫使二极管间歇性地进入阻塞/导通状态。这个间歇性传导周期越长，间歇性传导对灯光强输出调制深度的影响就越大。间歇导通周期的长度取决于叠加到基波电压上的电压 超次谐波 的幅度和频率。只有电流过零处的 超次谐波 影响光强度调制深度。详见 [46]。

参考文献[16]、[43]、[46]表明，由超次谐波引起的闪烁在很大程度上取决于灯的拓扑结构。有些灯比其他灯更敏感;有些灯对 超次谐波 不敏感。

5.3. 理解现象：假设和实验调查

闪烁的首个条件是间歇性传导。LED 灯输入电流过零处的 超次谐波 （导致间歇性导通） 会改变光输出的调制深度，但它们不一定会导致闪烁。当 超次谐波 与基波电压不同步时，即每个电流过零时 超次谐波 的特性不是恒定的，则满足闪烁条件。后者会导致调制深度随时间变化，这可能会被人眼感知为闪烁。该假设基于 [46] 中提出的研究。支持这一假设的证据见 [43]。

一位电动汽车用户抱怨电动汽车充电时家里的灯光闪烁。EV 被运送到实验室进行进一步调查。电动汽车充电电流的频谱和频谱图分别如图 5（a） 和 5（b） 所示。在图 5（b） 中，EV 的 超次谐波 发射的时频行为用红色表示。图 5（b） 中的连续黑线表示叠加在图上的时域电流波形以供参考。

图 5.导致光闪烁的 EV 的输入电流。

EV 发射的 超次谐波 在频率和时间上都不同，如图 5（b） 所示。如图 5（b） 所示，超次谐波 分量的频率变化与基波分量的交变行为并不同步。值得一提的是，基波电流与基波电压同相。图 5（b） 中的 超次谐波 变化是循环的，每 200 ms 有 8 个周期，即一个周期持续 25 ms，该变化的频率为 40 Hz。

5.4. 超次谐波 特性的评估

根据 第 5.3 节中的假设，在敏感灯中，超次谐波 引起的闪烁有两种情况：

1） 间歇性传导，这取决于 超次谐波 的幅度及其在电压信号中的点对波，以及灯的输入阻抗;

2） 超次谐波 失真的时变与电源电压不同步，即 超次谐波 失真的时变点波。

为了评估 超次谐波 是否会导致 LED 灯闪烁，建议使用时频域图和图 5（b） 所示的策略来寻找不同步的 超次谐波。即，检查电源电压过零处的 超次谐波：如果它们每个半周期具有不同的特性（频率、幅度），那么这就是闪烁的危险信号。还可以检查可疑干扰设备的输入电流，例如 EV 的电流。本文不涉及光输出的评估。有关此问题，请参阅 IEC 61547-1。

6. 调查摘要和建议

本节总结了相对于四种研究干扰评估 超次谐波 的建议和建议的方法。这些方法以流程图的形式呈现，应该从上到下和从左到右阅读。之后将解释针对每种情况采取的建议作。

6.1. 数据处理

在计算指标之前，正确处理定量噪声非常重要。包含定量噪声会影响指标给出的结果。这个过程超出了本文的范围。这里考虑了无间隙测量的视角。

6.2. 可闻噪声

☆ 现有的抗扰度水平并不能保证不会因 超次谐波 而产生可闻噪声。

☆ 超次谐波 的频率定义可闻噪声的频率。开关频率和倍数在 1 到 20 kHz 之间的频率容易产生可闻噪声。单频分量比具有等效 rms 值的 超次谐波 频带更容易引起可闻噪声。

☆ 电压越高，产生的噪声的声压就越高。此结果取决于设备和频率。器件的 input impedance 似乎定义了这种依赖性。大多数电容器件都会受到影响。

图 6 描述了评估 超次谐波 以识别与可闻噪声相关的危险信号以及查找导致已识别声音的 超次谐波 来源的方法。如果 超次谐波 引起可闻噪声，EMI 滤波器是一种解决方案。增加 超次谐波 源和受影响设备之间的电气距离是一种需要进一步研究的选择。超次谐波 电压的严重程度与其引起可闻噪声的风险相关，可以用 （1） 和 （2） 来量化。需要一个 超次谐波 阻抗的参考来模拟低电压器件。

图 6.评估与可闻噪声相关的 超次谐波 的流程图。

6.3. 电缆终端

在电缆端接中，电阻应力分级是一个风险因素。没有记录表明几何类型的电缆终端在 超次谐波 的影响下运行有问题。更高的频率和电压幅度代表更高的风险。图 7 描述了评估 超次谐波 以识别与电缆端接绝缘问题相关的危险信号的方法。Eagle Pass 案例用作参考，但也给出了更保守的方法。一旦发现危险信号，应将局部放电测量与耗散因数测量配对，以便进一步诊断 [26]。

图 7.评估与电缆端接故障相关的 超次谐波 的流程图。面积和颜色参见图 3。

6.4. RCD 的意外跳闸

☆ 要评估的相关量是剩余电流。建议将剩余电流保持在标称跳闸电流的 30% 以下，符合 IEC 62350 标准。

☆ 拓扑相关。A 型和 AC 型更容易受到伤害。

图 8 描述了剩余电流的表征方法和识别与 RCD 意外跳闸相关的危险信号的评估。如果反复发生不必要的跳闸，建议将 RCD 类型升级为设计用于在高水平 超次谐波 下工作的 RCD，例如 B 型。

图 8.评估与 RCD 意外跳闸相关的 超次谐波 的流程图。

6.5. 灯光闪烁

超次谐波 的频率并不能定义闪烁的频率。幅度是一个影响因素，但器件的阻抗和拓扑结构决定了是否存在这种现象。图 9 描述了评估 超次谐波 以识别与 LED 灯上光闪烁相关的危险信号的方法。由于这种现象取决于 LED 灯的拓扑结构，因此可以通过将照明设备升级为具有不同拓扑结构的灯来解决这个问题。

图 9.评估与光闪烁相关的 超次谐波 的流程图。

7. 讨论

与 超次谐波 相关的负面影响清单甚至更长。其他现象，如电容器老化、电子时钟运行过快、对 PLC 的干扰等已经被识别出来，因此没有包括在本文中。对于某些现象，指标相当简单，即 EN 50160 中已经存在高达 95 kHz 的 LV 网格上可接受水平的 PLC 曲线。其他问题需要深入研究，即最终用户设备中电解电容器的寿命劣化 [17]

7.1. 关于超次谐波相关问题的预防和对策

关于如何处理 超次谐波 相关问题，可以考虑两种选择：要么预防它们，要么在报告后抵消它们。预防 超次谐波 相关问题意味着在发射与免疫的背景下做出优化决策。这是标准化委员会必须与设备制造商（超次谐波 的发射机和非发射机）达成协议后做出的决定。在当前状态下，某些设备（EN 55011 和 EN 55015 中分别为 LED 灯和感应炉的 9 至 150 kHz）和EN 50160 中的有意 超次谐波 发射（最高 95 kHz）存在非故意 超次谐波 发射的限制。IEC 61000-4-19 中给出了抗扰度水平，但如前所述，它们并不能保证不存在与 超次谐波 相关的问题。此处进行的研究表明，在开发以下兼容性标准更新时考虑现象的性质至关重要。一旦新法规发布，该解决方案只能应用于设计阶段的设备，例如，实施 EMI 滤波器和电力电子方案，以改变发射的频谱特性 [47]、[48]。第二种选择是在假设它们很少出现的情况下专注于应对特定问题。在这种情况下应用的一些选项是：安装过滤器 [24]，更换受影响的设备 [34]，修改本地网络的配置 [11]。

8. 总结

8.1. 贡献总结

为建立测量基准、评估与四种干扰相关的 超次谐波 以及引入报告这些干扰的框架而提出的方法

和公式构成了本文重要的贡献。这些贡献总结在图 6 到 9 中。这项工作的创新在于采用干扰依赖性方法开发在 超次谐波 背景下量化电能质量的方法。此外，本文通过以下材料为研究 超次谐波 后果的最新进展做出了贡献：

☆ 识别与四种干扰现象相关的 超次谐波 相关特性：可闻噪声、电缆端接故障、RCD 意外跳闸和光闪烁。

☆ 研究表明，不同现象的相关特征不同。在适用的情况下，已经制定了性能指标和限制。

☆ 文献综述和四种干扰报告案例的总结。

8.2. 对未来研究的建议

本文介绍的指标是量化 超次谐波 影响的起点。建议的未来工作方向是：

☆ 使用本文提出的指标对大量设备样本、登记和量化 超次谐波 影响进行免疫测试。

☆ 需要指标更复杂以更好地描述 超次谐波 的影响，需要进一步研究。增加这些方法的复杂性在实现方面存在缺点，因为需要更高的计算资源。

☆ 低压器件的 超次谐波 阻抗测量活动。

☆ 将指标与 超次谐波 的传播联系起来，例如，超次谐波 在分配馈线中能造成多远的干扰。