使用電力品質改善解決方案，保護淨水處理廠的電力基礎設施

電力成本占淨水處理廠營運預算可高達 40%。因此，廠房必須以最高效率運作。廠房的幫浦、馬達驅動器、照明設備、壓縮機等都會受到電力品質 (PQ) 的問題影響，包含諧波失真、線路凹口、電壓驟降和驟升以及電氣雜訊，進而導致效率低下、停電、設備損壞。

電力品質改善設備可解決淨水處理廠面臨的這些問題。採用驅動隔離變壓器、硬線調節器、電力線調節器、突波保護裝置 (SPD) 、主動追蹤濾波器等產品，可提高效率、防止停電，避免寶貴的電力資產受損。

本文簡要介紹淨水處理廠電氣設備設計人員面臨的電力品質問題。 接著介紹 SolaHD 的電力品質改善設備，如何緩解這些問題並促成最高效率。

電力品質問題

淨水處理廠 (圖 1) 通常具備可靠的能源供應，但常會有電力品質問題。像是不必要的諧波失真、電壓驟降和驟升、電氣雜訊。

圖 1：淨水處理廠的能源供應可能受到電力品質問題影響，導致效率低下、停電、設備損壞 (圖片來源：SolaHD)

淨水處理廠的電力品質問題可能來自雷擊等外部因素，也可能源於電氣設備本身的內部因素。例如，非線性負載以脈衝形式吸收電流時，較低品質的變速驅動器會產生諧波失真 (圖 2)。諧波會迫使導線承載標準供應的 60 Hz 之外的電流。

圖 2：非線性負載以脈衝形式消耗電流，迫使導線承載標準電源 60 Hz 以外的電流，因此產生諧波 (圖片來源：SolaHD)

在電壓正弦波沿線的特定點 (而非完整的正弦波上) 消耗非線性電流時，電氣設備會產生基頻整數倍的諧波頻率。低頻諧波 (如 180 Hz、300 Hz、420 Hz) 由流經電力系統的低頻電流失真和相移電流所引起。高頻諧波 (1 kHz 至 3 kHz 之間) 由高功率、非線性電子切換負載中的高電流切換所引起。

另一種諧波現象，即線路凹口，是由切換淨水處理設備 (例如直流馬達驅動器、馬達啟動器、電源供應器) 中的電流整流器所引起。線路凹口通常是由於可控矽整流器 (SCR) 換向造成。電流在兩個導電的可控矽整流器之間轉移時，會在這短暫時間內產生短路。新的可控矽整流器開始導通的同時，原先的可控矽整流器會持續導通一小段時間。這會導致相間短路，通常持續數微秒 (µs)，但足以降低電壓。由於換向角非恆定，而是隨著負載要求變化，因此在交流半週期的任何一點都可能發生線路凹口。

雖然電力品質包含各種外部和內部原因，但約 80% 是由電壓驟降所引起。根據 IEEE 定義，電壓比正常 60 Hz 電壓低 10% 至 90%，即為電壓驟降。電壓驟降事件的持續時間在 8 ms 至 60 s 之間 (圖 3)。

圖 3：電壓暫降是指電壓降低 10% 至 90%，是 80% 造成電力品質問題的原因 (圖片來源：SolaHD)

儘管電壓驟升發生的頻率比電壓驟降還要低，但同樣麻煩。電壓驟升是一種過電壓情況，其電壓位準暫時從半個頻率週期增加到數秒 (圖 4)。這些干擾可能是由於關閉淨水處理廠的大型設備負載或其他事件 (例如功率因數校正 (PFC) 電容切換) 所引起。

圖 4：電壓驟升是指電壓位準暫時增加，持續時間為半個頻率週期至數秒 (圖片來源：SolaHD)

其他電壓問題和雜訊

電氣設備和配電系統可能會引發其他電壓問題，包括電壓暫態、中斷、不平衡。暫態也稱為電壓尖波，是指電壓大幅增加，僅持續幾微秒 (圖 5)。雷擊、機械切換、電容或電容組切換、電力系統故障後重新通電、變壓器切換，以及特定設備的突然停止都可能是暫態來源。

圖 5：暫態是指電壓大幅增加，僅持續幾微秒 (圖片來源：SolaHD)

電壓中斷是指供電中斷，持續時間從幾秒到幾十秒不等。持續時間超過五秒的中斷通常被稱為持續中斷。典型原因是能源公共事業的發電或配電網路發生問題或設備故障。

電壓不平衡是三相系統中最常見的問題之一。正常的平衡狀態是三相電壓大小相同，且相位角相差 120°。如果某一相位相對於其他相位負載過重，則該相位的電壓就會較低，導致不平衡狀態。

任何設備在開啟或關閉時，由於電壓或電流的流入或流出，都可能產生電氣切換雜訊。雜訊會導致電壓快速變化，造成不良影響或損壞電子電路 (圖 6)。

圖 6：電雜訊會產生快速的電壓變化，損壞電子電路 (圖片來源：SolaHD)

電力品質問題對廠房設備的影響

電力品質問題以多種方式影響淨水處理廠設備的效率、可靠性、壽命。例如，諧波會導致中性導體和變壓器過熱、斷路器跳脫、產生高中性電流、降低系統能力，甚至使電氣連接器鬆動，影響整個淨水處理廠的設備。

線路凹口會產生高頻諧波，可能損壞淨水處理設施中敏感的邏輯和通訊電子設備。此外，線路凹口產生的附加電流會使電磁干擾 (EMI) 濾波器和線路濾波器過載。此外，電壓凹口可能會在 PFC 電容中造成額外損耗，並導致工作溫度升高。

電壓驟降期間會發生的問題包括水幫浦使用交流馬達以恆定扭矩負載運作，因此消耗更多電流並降低效率，有時會跳脫過載繼電器。

電壓驟升通常不會導致設備立即發生故障，但反覆暴露則會使系統過度受壓並變弱。電壓驟升也可能造成斷路器和其他保護裝置錯誤跳脫。與電壓驟升相關的另一個問題是絕緣效能下降，這可能會引發火災，進而危及淨水處理廠的安全運作。

電力中斷會導致淨水處理廠停止運作並縮短電氣設備的使用壽命。此外，許多馬達控制電路和流程控制系統的設計並無提供電壓中斷後自動重新啟動的功能。

電壓不平衡可能使設備嚴重損壞。例如，感應馬達在饋入不平衡電壓時，線路電流不平衡的幅度通常達電壓不平衡的數倍。這代表若馬達的電壓不平衡率為 5%，則電流不平衡可能會達到 20% 到 30%。額外的電流將導致馬達中的電阻性 (I²R) 損耗，造成溫度上升攝氏數十度。

對淨水處理廠中的固態感測器和控制器而言，電氣雜訊是一個嚴重的問題，因為這些裝置的運作速度很快，但功率位準很低。 訊號電壓越低，可耐受的雜訊電壓幅度也越小。

改善電力品質問題

可使用驅動隔離變壓器的三個基本功能緩解諧波：電壓變化、驅動感應接地電流減少、共模雜訊抑制。變壓器必須能夠承受非線性負載的熱。以 SolaHD 的 23-22-112-2 驅動隔離變壓器為例。此變壓器採用 120 V 或 240 V 輸入，提供 120 V 輸出，並提供佔總 RMS 含量 3% 的輸出諧波失真 (輸入範圍內滿載)。諧波的有效值 (RMS 值) 描述諧波分量在一個週期內的平均功率。

由於增加中和線圈，驅動隔離變壓器的輸出幾乎沒有諧波 (圖 7)。若要瞭解其工作原理，可將該元件視為一個中性線圈斷開的傳統變壓器。現在處於開路的線圈中會產生感應電壓，源於一部份磁通量穿過磁芯的中心腳到達外部腳。由於輸出繞組洩漏磁通量，此電壓具有較高的奇次諧波含量。

圖 7：23-22-112-2 驅動隔離變壓器由於增加中和線圈，其輸出幾乎沒有諧波 (圖片來源：SolaHD)

漏磁通量可以透過兩條路徑返回到輸出繞組。一條路徑繞過中和線圈，另一條路徑則連結到中和線圈。控制這些磁性路徑的磁阻，即可以控制耦合到中和線圈的二次磁通量的程度。中和線圈以其極性添加的形式連接到二次 (或輸出) 線圈。

此隔離變壓器的輸出電壓恆定，幾乎完全沒有諧波。中和線圈中，諧波仍然存在；然而，由於二次繞組的磁通量會感應這些諧波，因此每個線圈中的諧波相位大約相差 180°，使得它們相互抵消。

SolaHD 還提供 63-23-125-4 250 VA MCR 硬線調節器 (圖 8)，可減少諧波。此調節器具有 120 V、208 V、240 V、480 V 輸入以及 120 V 輸出。輸出諧波失真 (輸入範圍內滿載) 為總 RMS 含量的 3%。

圖 8：63-23-125-4 MCR 硬線調節器的輸出諧波失真為總 RMS 含量的 3% (圖片來源：SolaHD)

硬線調節器採用 SolaHD 的鐵磁共振變壓器技術建構。鐵磁諧振是一種變壓器設計技術，能在耦合程度有限的裝置之間，建立兩條獨立的磁性路徑。此設計的優點之一是輸入電流包含相對於基波可忽略的諧波電流。此變壓器的輸出端具有一個並聯諧振器槽狀電路，可從一次側取得電力，取代輸送至負載的電力。

鐵磁諧振變壓器形成非線性電路，利用諧振減少電源電壓的變化，為負載提供更穩定的電壓。

變壓器的磁阻會在超過特定磁通密度 (飽和) 時會突然改變。變壓器允許一條磁路 (諧振路徑) 處於飽和狀態，而另一條磁路則保持不飽和。以此方式操作，一次電壓的其他變化不會改變飽和電壓或二次電壓，達到調節效果。

部署電源調節器可保護關鍵流程系統免受電壓驟降的影響。

具有電壓驟降耐受性的穩壓器和電源供應器也能防止電源電壓驟降。

電壓驟升可以透過 SPD 來處理，SPD 可以安裝在維修入口、配電盤或附近的專用敏感電子負載上。電壓突波時，SPD 會將電流轉移到接地線。至於超過閾值的暫態脈衝，電源會有效地短路至地面，不影響正常電流。

SolaHD 的 STCHSP121BT1RU SPD (圖 9) 為交流電源和低電壓訊號線路提供突波抑制。此抑制器具有共模和常模雜訊濾波以及金屬金氧變阻器 (MOV) 保護功能。對暫態的反應時間小於 5 ns，最大耐受突波電流為 39 kA。儘管 SPD 不能取代全面的防雷擊系統，但也能針對雷擊等事件引起的暫態電壓提供保護。

圖 9：STCHSP121BT1RU SPD 抑制器具有共模和常模雜訊過濾以及 MOV 保護功能 (圖片來源：SolaHD)

使用主動追蹤濾波器進行雜訊改善，如 SolaHD STFV025-24L。此單元持續追蹤輸入交流電源線路，並在偵測到高頻雜訊時做出反應。此濾波器透過低通電感電容 (LC) 濾波器消除低壓／高頻雜訊。LC 電阻 (LCR) 濾波器用於低能量、高頻雜訊抑制。各相上的電感和中性導線的尺寸經過調整，可處理線路上的最大電流。STFV025-24L 的響應時間小於 5 ns，典型 Cat A 振鈴波 (6 kV、200 A、100 kHz) 的暫態衰減小於 10 V 峰值。

結論

預防電力品質發生問題對於提高效率、避免停電、防止寶貴的電力資產受損非常重要。這些問題包括諧波失真、電壓驟降和驟升、暫態電壓、電氣雜訊。處理這些問題需要採取多層次的做法。與 SolaHD 等高水準供應商合作，可以取得一系列保護設備，包括驅動隔離變壓器、硬線調節器、電源調節器、SPD、主動線路濾波器，更輕鬆採取必要的保障措施。