技術(shù)頻道

      合理選用電能質(zhì)量測量器具


      有效降低供電環(huán)境治理成本
      美國理想工業(yè)公司 北京代表處 任長寧


      如同購買商品要關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量一樣,電力作為人類制造的產(chǎn)品同樣有質(zhì)量優(yōu)劣之分。大而言之,電能質(zhì)量涉及能源與節(jié)能;小而言之,與每個用電者的金錢付出都息息相關(guān)。“電能質(zhì)量”,國之大事,民之大事,不可不察也。
      不過,一提到電能質(zhì)量的測量與治理,人們往往會與昂貴的測量儀表與治理設備聯(lián)系在一起。誠然,改善供電環(huán)境需要必不可少的投入,但只要合理選用測量儀表與方法、正確采取整改措施,是可以有效控制治理成本的。
      本文通過幾款電能質(zhì)量測量器具在實際中的應用,希望為診斷和改善供電環(huán)境提供一些新思路。
      一、電能質(zhì)量評判標準
      國家相關(guān)標準是評判電能質(zhì)量優(yōu)劣的基本依據(jù)。我國現(xiàn)行涉及電能質(zhì)量的國家標準有以下6部:
      1. 《GB/T 14549-1993|電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》
      2. 《GB/T 15945-1995|電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》
      3. 《GB/T 15543-1995|電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度》
      4. 《GB/T 12325-2003|電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差》
      5. 《GB 12326-2000|電能質(zhì)量 電壓波動和閃變》
      6. 《GB/T 18481-2001|電能質(zhì)量 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》
      我國還為此頒布了《GB/T 19862-2005|電能質(zhì)量監(jiān)測設備通用要求》和《DL/T 1028-2006|電能質(zhì)量測試分析儀檢定規(guī)程》,對“電能質(zhì)量”測量設備的“質(zhì)量”予以規(guī)定。
      全面、準確、定量測量上述所有電能質(zhì)量參數(shù),并能自動分析獲得數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)提供專業(yè)人員進行人工分析,是對“電能質(zhì)量分析儀”的基本要求。滿足這樣要求的測量器具(圖1.2),由于設計、制造、用量等原因,其價格與功能必然成正比。對于發(fā)電、供電企業(yè)及大中型工業(yè)用戶,將功能強大的電能質(zhì)量分析儀表作為電能質(zhì)量的監(jiān)管控制手段是絕對必要的,也能承擔得起所需費用。
      而與發(fā)、供、用電大戶相比,普通工商業(yè)和居民都直接使用民用供電,每戶用電量相對較小,但用戶數(shù)量巨大,用電設備復雜,用電環(huán)境極易受污染,電能質(zhì)量一旦出現(xiàn)問題,就會涉及千家萬戶,不僅涉及經(jīng)濟損失,還有可能導致人身傷害。某種意義上,對民用供電環(huán)境進行診斷與治理更加必要和急切。然而,測量成本似乎成為了突出矛盾。
      是否有操作簡單、測量準確、無需很多專業(yè)知識就能了解電能質(zhì)量、能快速解決實際問題、一般用戶又能用得起的電能測量工具呢?
      二、測量器具的選用與測量方法
      選擇測量器具要根據(jù)測量者對測量參數(shù)的需求而定。根據(jù)上面提到的國標,大體可將電能質(zhì)量測試項目分為兩大類:“穩(wěn)態(tài)漸變指標”和“暫態(tài)瞬變指標”。國標中涉及的:諧波、頻率、電壓不平衡度、電壓偏差屬“穩(wěn)態(tài)漸變指標”;電壓波動和閃變、暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓屬“暫態(tài)瞬變指標”。實際工程應用中,對于一般用戶來說并不一定關(guān)心所有電能質(zhì)量參數(shù),掌握某個或幾個指標就足夠揭示和衡量電能質(zhì)量問題了,利用所獲得的相對簡單的數(shù)據(jù),同樣能解決電能治理問題。
      1、 測量諧波、頻率
      供電系統(tǒng)中的非線性負載,使電壓發(fā)生畸變而偏離正弦波形,即形成諧波污染。圖1.1所示的開關(guān)電源輸入端電流波形,是典型的非線性負載的情形。

      圖1.1、開關(guān)電源輸入電流的諧波分析
      諧波與頻率(高次諧波)是緊密相關(guān)的,因此能測量諧波的儀表都能對交流電頻率進行計量。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),我國各跨省電力系統(tǒng)頻率的允許偏差都保持在±0.1Hz內(nèi),在所有電能質(zhì)量參數(shù)中,電壓頻率是最有保障的。
      1.1標準電能分析儀
      測量工頻電網(wǎng)中的諧波即可用普通示波器觀察波形(時域分析,一般只能得到基波頻率,不能測量諧波成分的頻率。),也可用頻譜分析儀觀察頻譜(頻域分析),當然專業(yè)電能分析儀(圖1.2)能方便快捷地實現(xiàn)這兩種儀表的功能。

      圖1.2、 美國理想 61-805 電能分析儀 波形與頻譜測量結(jié)果
      1.2諧波監(jiān)測儀
      國標規(guī)定低壓供電系統(tǒng)“總諧波含量(THD)”應低于5%。對于只需要THD數(shù)據(jù),不要求知道每個高次諧波含量的用戶,完全可以使用帶THD測試功能,而又不那么昂貴的儀表(圖1.3)獲得諧波THD數(shù)據(jù)。這種儀表不僅能實時顯示總諧波含量和基波頻率,還能自動記錄線路上大于標準規(guī)定值的諧波發(fā)生的時間和數(shù)值,為分析故障提供歷史數(shù)據(jù)。

      圖1.3、 美國理想 61-830 電壓/諧波監(jiān)測儀與實際使用
      1.3峰值估算
      對于只想知道供電系統(tǒng)如是否有諧波,而不要求量化數(shù)據(jù)的用戶,也可以用帶有峰值和有效值測量功能的萬用表,進行簡單評估。由于諧波使交流電波形發(fā)生畸變(圖1.4),已不再是標準的正弦或余弦波,電壓(流)峰值與有效值間不再有√2 倍的關(guān)系,通過測量并比對電壓峰值和有效值,也能對電源是否含有諧波成分了解一二——比值偏差越大,說明諧波含量越多。普通萬用表的頻率測試也能測量基波頻率。

      圖1.4 含有諧波的交流電波形
      1.4測量平衡負載下中性線電流
      平衡負載情況下,三相四線或三相五線線路中的中性線電流等于0。系統(tǒng)中一旦含有3倍次諧波(3、9、15…等奇次諧波),諧波電流不但不會互相抵消,反而會疊加在一起(圖1.5),甚至超過相線電流,造成中性線過載,引起跳閘。

      圖1.5 三次諧波在中性線上疊加
      出現(xiàn)這種情況時,很容易用普通鉗形電流表測到諧波電流,而無需使用昂貴的專業(yè)儀表。圖1.6所示雙顯示鉗形電流表,充分考慮了現(xiàn)場復雜惡劣的測量環(huán)境,無論測量位置如何變化,測量者總能從兩個顯示器之一看到讀數(shù),而且是實時數(shù)據(jù),克服了“數(shù)據(jù)保持按鈕”的缺點。

      圖1.6 美國理想 61-770系列 雙顯示鉗形電流表
      1.5諧波提示
      電工師傅們幾乎人手一支的試電筆,之所以沒有被五花八門的萬用表所淘汰,就是因為它的簡單、實用、有效。諧波測量工具中也有類似情況。圖1.7所示鉗形電流表就有這樣的諧波提示功能,當儀表靠近被測電源時,如果總諧波含量小于5%時,則綠色CP(Clear Power)指示燈亮;反之,指示燈熄滅提示諧波超標。







      圖1.7 美國理想 61-700系列帶諧波提示功能的鉗形電流表
      測量結(jié)果如此明確、簡單,無需過多測量與計算,更不要求操作者掌握任何諧波判別知識就能完成測量任務。
      2. 測量電壓偏差與不平衡度
      顧名思義,這些指標都是通過測量電壓數(shù)據(jù)再經(jīng)計算得到的。專業(yè)電能質(zhì)量分析儀能自動完成采集與計算任務,直接給出結(jié)果。用最普通的萬用表測量數(shù)據(jù),經(jīng)人工計算同樣能得到準確數(shù)據(jù)。這里需強調(diào)的并不是儀表測試能力,而是測試指標時必須符合標準要求的測試條件。
      以“電壓偏差”測試為例,標準《GB/T 12325-2003供電電壓允許偏差》的4.2、4.3規(guī)定:電力系統(tǒng)正常運行條件下,10 kV及以下三相供電電壓允許偏差為標稱系統(tǒng)電壓的±7%;220 V單相供電電壓允許偏差為標稱系統(tǒng)電壓的+7%~-10%;《GB50052 供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》4.0.4規(guī)定:正常運行情況下,用電設備端子處電壓允許值在+5%~-10%之間,一般為±5%;《JGJ/T 16-92 民用建筑電氣設計規(guī)范》3.3.3也有類似規(guī)定。
      可見,所有涉及電壓參數(shù)的測量,都要滿足用電設備“正常運行情況下”這一條件。換言之,電壓測量應在有額定負載的情況下進行。當然,如果空載狀態(tài)下就能測量到明顯電壓偏差或不平衡,則說明供電系統(tǒng)已經(jīng)存在嚴重故障,需立即排除。但大多少情況下,必須帶載測量才能發(fā)現(xiàn)問題所在,否則精度再高的儀表也無法真實準確地得到數(shù)據(jù)。
      原則上,當需對空載交流供電系統(tǒng)進行此類參數(shù)測量,或在調(diào)試過程中考慮設備安全不能直接接入真實負載時,必須使用足夠功率的假負載。圖2.1是使用常規(guī)儀表與假負載(電吹風機),測量民用供電電壓的情形。雖然測試本身并不復雜,但假負載使用起來畢竟不很方便。

      圖2.1 現(xiàn)場帶載測量電壓降
      為簡化此類測試的操作,美國理想工業(yè)公司(IDEAL)推出了一款名為SureTest®(型號:61-164CN 圖2.2)交流電路分析儀,能仿真負載快速測量線路電壓降,使低壓配電線路電壓測量變得簡單、快速、安全、有效。

      圖 2.2 使用美國理想 61-164CN測試線路電壓和帶載能力
      儀表還提供電源極性(零、火、地)辨別和導體阻抗測試功能,能發(fā)現(xiàn)零/地接反、零線過長等干擾引入因素,及時發(fā)現(xiàn)故障隱患(詳見3.5中論述)。
      3.測量電壓波動和閃變、暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓
      由于這些項目都屬于暫態(tài)瞬變指標,對測試儀表的功能和性能要求較高,即便對于專業(yè)電能質(zhì)量分析儀,也需啟動相應的測量程序逐一記錄分析。不同用戶有可能對不同指標是關(guān)心程度不同,應根據(jù)實際需要選擇測量儀表。
      我國現(xiàn)行國標只規(guī)定了“暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓”指標,沒有涉及“暫時欠壓(或稱:電壓驟降)”指標。這方面可以借鑒國外相關(guān)標準。例如:CBEMA(Computer & Business Equipment and Manufacture Association 計算機商用設備制造協(xié)會)曲線(圖2.3)和ITIC(Information Technology Industry Council 信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會)曲線(圖2.4)。

      圖2.3 CBEMA曲線

      圖2.4 ITIC曲線
      ITIC曲線是在CBEMA曲線的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,用以判定供電短暫過/欠壓對設備的影響與設備對供電的適應能力。國外標準中把供電電壓出現(xiàn)的隨機、短時間異常都稱為“電壓事件”,與標準曲線對比后就能判斷設備損壞是由于供電質(zhì)量差引起,還是設備本身耐受力差所致。上文中提到的電壓/諧波監(jiān)測儀(圖1.3、圖2.5),其主要功能就是依據(jù)ITIC等標準曲線,檢測記錄異常電壓事件,評判供電環(huán)境質(zhì)量。由于儀表簡單、無需復雜操作、不用連接計算機就能讀取事件記錄,特別適合與敏感電子設備配套使用。

      圖2.5 美國理想 61-830 電壓/諧波監(jiān)測儀與敏感電子設備配套使用
      三、改善電能質(zhì)量的經(jīng)濟方法
      測量本身只能幫助用戶確定電能質(zhì)量問題的來源,并不能改善供電環(huán)境和提高電能質(zhì)量。對電能環(huán)境的治理還需要具體有效的措施。
      排除發(fā)電和輸配電環(huán)節(jié)的原因外,電能質(zhì)量主要受負載和自然環(huán)境因素影響。使用大功率非線性負載設備的工業(yè)用戶,不僅是供電系統(tǒng)的污染者,同時也是受害者,首先應改造設備本身,并使用諧波抑制設備和功率因數(shù)補償設備。改造和增加設備都要求有資金投入,對中小工商業(yè)用戶和普通居民用戶,需要更簡單、更廉價,同時又要有效、可行的方法。這里僅就中性線(零線)對電能質(zhì)量的影響給出一些建議。
      3.1按標準要求選擇中性線截面積,減少諧波影響
      低壓供電線路布線中,相線與中性線一般使用相同截面導線,但在敏感電子設備和非線性負載多的場合,為降低3倍次諧波在中性線疊加造成不利影響,加大中性線截面積,無疑是最經(jīng)濟、最有效的方法。
      《GB50054低壓配電設計規(guī)范》2.2.6規(guī)定:“三相四線制配電系統(tǒng)中,中性線的允許載流量不應小于線路中最大不平衡負荷電流,且應計入諧波電流的影響”;《DB11/065北京市電氣防火檢測技術(shù)規(guī)范》5.1.4.3進一步明確:“給可控硅調(diào)光或計算機供電的三相四線制配電線路,其N線或PEN線截面積不應小于相線截面的兩倍。”
      3.2 為諧波污染大的負載單獨布線
      同一條單相配電線路上,如果必須同時為敏感電子設備和頻繁啟動的大功率負載,或非線性負載供電,則可考慮將供電線路由總線式布線,變?yōu)樾切尾季€,將“干擾源”與“敏感負載”分線供電,雖然導線數(shù)量有所增加,但能最大限度地降低負載間干擾,能在一定程度上免去添加治理設備的花費。
      3.3 防止零線出現(xiàn)大包繞環(huán)
      雷電和外界電磁場會在包繞環(huán)上產(chǎn)生感生電壓,抬高中性線對地(PE)線差模電壓,造成設備運行異常或損壞。使用鉗形接地電阻儀(圖3.1)能方便地檢查出是否有包繞環(huán),解決辦法就是剪斷中性線導體。

      圖3.1 美國理想 61-092 鉗形接地電阻測試儀
      3.4 防止中性線開路
      “斷零”事故是最常見多發(fā)的供電事故,用戶電氣設備內(nèi)的中性線或四極開關(guān)的中性極開路,將導致三相電壓嚴重不平衡,設備因過壓瞬間損壞。
      3.5嚴格區(qū)分中性線與保護地線
      《GB50052供電系統(tǒng)涉及規(guī)范》和《50054低壓配電設計規(guī)范中》都要求TN-S(三相五線制)系統(tǒng)中的中性線(N)與保護地線(PE)要嚴格分開。《GB50311綜合布線系統(tǒng)工程設計規(guī)范》6.1.2指出:“工作區(qū)電源插座……保護接地與零線應嚴格分開”。之所以有如此規(guī)定,是因為這兩根導體在電源側(cè)雖為同一結(jié)點,同為0電位,但其功能不同。中性線承載負載電流(含諧波等干擾);保護地線在平時正常狀態(tài)下沒有電流,是電磁干擾、靜電和事故電流的泄放通路。兩者一旦接反或混接,必然引入干擾,影響敏感設備運行,人為造成設備供電環(huán)境劣化。
      四、總結(jié)
      改善電能環(huán)境是涉及供配電、線路施工、用電設備、治理手段多個環(huán)節(jié)的系統(tǒng)工程,而電能參數(shù)的測量無疑是最基本和首要環(huán)節(jié)。測量電能質(zhì)量并不一定必須使用昂貴儀表,而應注重能否解決用戶實際問題。使用某種級別的儀表過程中,還要注意選擇適當?shù)臏y量方法。治理手段簡單與否也不能和治理效果優(yōu)劣劃等號。在各方努力下,供電環(huán)境必將如自然環(huán)境一樣,倍受重視,不斷向理想境界邁進。




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