揭开断路器频繁误跳闸的秘密

    摘要：许多商业和工业的装置都为断路器的频繁误跳闸所烦扰，而且这些跳闸是随机的，令人费解，但您绝对不会想到造成跳闸的幕后黑手竟然是“过流”。

   为了找出造成故障的原因，我们用电流钳表对设备电流进行测量，然而发现几个钳表所测电流值相差非常大，例如下图的现场测试图所示。那么哪个值才是正确的呢？图2是该电流的波形。

 

图 1 左边电流为5.92A，右边电流为4.05A

 

图2 对应的电流波形
 

    从电流波形可以看出，该负载是一个非线性负载，波形不是标准的正弦波，图1中左边的电流表是真有效值测量仪，右边的是按有效值校准的平均值测量仪。那么为什么这两种电流表测出来的电流值会相差那么大呢？在很好的理解它们差异所在之前必须首先了解有效值的确切含义。

什么是有效值（方均根值）？

    交流电流的有效值（RMS）等于在同一电阻性负载回路中，与其产生等热量的直流电流的大小。使用交流电时，电阻产生的热量与一个周波内的平均电流的平方成正比。换而言之，产生的热量和电流平方的平均值成正比，也就是说电流值和这个平方的平均值开方后的值也就是有效值成正比。（由于平方后总是正数，所以不用考虑极性问题）

   对于如图 2 所示的纯正弦波，有效值是峰值的 0.707 倍（或者说峰值是有效值的 即 1.414 倍）。换句话说，有效值为 1 安培的纯正弦波电流的峰值电流为 1.414 安培。如果波形值仅仅被简单的平均（对半个负波形取反），平均值就是峰值的 0.636 倍，或是有效值的 0.9 倍。图 3 所示为这两个重要的比例关系。
 

波顶因数=峰值/有效值=1.414

波形因数=有效值/平均值=1.111

 

图3 纯正弦波
 

    在测量一个纯正弦波（仅限于纯正弦波）时，简单的测出平均值（0.636 倍峰值），再乘以波形因数 1.111（即 0.707 倍峰值）所得到的数值是完全正确的，这个数值也被称为有效值。这种方法被广泛用于所有的模拟测量仪（此时平均值是靠线圈运动的惯性和阻尼作用来实现的）和所有旧式、仪表和大多数电流表数字万用表上。这种技术被称为“平均读数，按有效值校准”的测量方法。 问题是这种测量方法只适用于纯正弦波，而在现实的电气装置中根本不存在纯正弦波。图 4 所示的波形图是一个接入个人电脑后所产生的典型电流波形图。方均根值仍然是 1 安培，但是峰值要明显高于纯正弦波时的峰值，为 2.6 安培。
 

    同时平均值则小得多，为 0.55 安培。

 

图4 个人计算机的典型电流波形图
 

    如果这个波形用“平均读数，按有效值校准”的测量仪进行测量，它的读数为 0.61 安培，比真有效值（1 安培）少了将近 40%。

   至此，也就不难理解为什么断路器在“不满载”状态下会出现故障和频繁误跳闸啦。所以，针对非线性负载的信号测量，需要选择“真有效值“表进行测量，才能正确评估实际电流，从而正确选择合适的导线。
 

    致远电子PA系列功率分析仪提供精确的真有效值测量，图5是功率分析仪的测量原理图。

 

图5 功率分析仪测量原理
 

    随着电力电子的快速发展，开关技术得以广泛应用，同时碳化硅技术的发展让更高的开关频率得以实现以满足更高效率的电源设计。致远电子自主研发的PA系列功率分析仪带宽高达5MHz，采样率高达2MS/s，满足未来高频的测量需求。