診斷老舊電氣系統的電力品質問題

醫療設備故障的案例是個典型例子,說明採取系統性方法排除電力品質問題的重要性。這個案例來自與數家高科技製造廠合作的獨立承包商 Mike。

測量供電電壓

測量供電電壓

 

問題

Mike 與一位對電氣系統感到相當沮喪的大樓經理在現場見面。經理表示,他的大樓裡所有的電氣相關設備似乎都無法正常運作,沒有人能夠判斷原因或提供解決方案。經理也告訴 Mike ,他的三位電氣技師都已離職,他現在真麻煩大了。

Mike 提出一些問題來瞭解問題的詳細情況,儘管經理的回答毫無幫助。由於他總是喜歡遵循這樣的原則:「當問題發生時,就從受害的源頭著手」,因此 Mike 要求前往問題最糟的大樓區域。

看得到的線索

在一個角落有台大型醫療設備,正在執行重要的測試程序。這台機器配備大型顯示螢幕、鍵盤和控制面板,有數條連接至其他設備的纜線和軟管。操作面板顯示測試程序為「進行中」。

機器旁邊有個工作台,專為維修電路板而設置。工作台有一個電烙鐵、照明放大鏡與風扇。工作台電源線與大型醫療設備電源線插在同一個插座上。Mike 發現工作台上的人員伸手打開風扇。此時,醫療設備上的操作面板瞬間空白,螢幕畫面上隨即又出現「程式重設」的字樣。

測量和評估

Mike 測量了負責向負載供電的兩個插座電壓。他的 Fluke 87 V 工業用萬用電表測量到 115 V 。大樓經理以 Fluke 27 II 耐用數位萬用電表重複測量,顯示結果為 118 V。為什麼有數據的差異呢? 

Fluke 87 V 能測量真均方根,可提供正確的讀數,但讀數會比平均值回應儀器 (如 Fluke 27 II) 在方波上的讀數(或是看起來像方波的波形上的讀數)低。Mike 連接他的 Fluke 120B 工業用 ScopeMeter,並顯示電壓波形。畫面顯示波形在頂端被嚴重削去,讓它看起來更像方波,而非正弦波。測得的尖峰值僅 135 V ,而非預期的 162 V。 

供應醫療設備的電壓波形 (模擬)

供應醫療設備的電壓波形 (模擬)

 

Mike 畫出了系統的單線圖。單線圖顯示,供電測試區的變壓器位於大樓的另一邊—距離約 500 英呎。變壓器上的負載大多數不是線性,而且在電壓峰值時會消耗峰值電流。結合峰值電流與長距離連線的高阻抗,在電路的末端產生重度電壓截波,就在測試區的位置。

高科技製造廠的部分單線圖

高科技製造廠的部分單線圖

 

理論與分析

由於醫療設備的內部電路是以低電壓 DC 運作,因此內部電源供應器會有個二極體/電容器輸入電路,需要特定的最小峰值電壓才能正常運作。醫療設備上的銘牌顯示設備需要 100 至 135 V 之間的均方根交流電供電電壓。負責設計設備和指定銘牌的工程師,假設供電電壓是正弦波,那麼最小峰值為 141 V (100 x 1.41)。由於峰值輸入電壓的測量值僅為 135 V,因此設備運轉峰值電壓已經比絕對最低要求低了 6 V。風扇開啟時,風扇馬達所消耗的突波電流會進一步降低電壓到設備電源供應器無法調節的狀態。這就是造成設備重設的原因。

解決方案

在高科技建築中經常會見到電壓峰值截波的問題 (平頂)。目前使用中的許多建築物在設計上並不是為了處理現今典型大量的電腦和非線性負載。

在這種情況下,有必要更廣泛重新佈線,以降低變壓器與負載之間的電壓陡降。替代方案會是將最敏感的負載移近變壓器。

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