合理選用電能質(zhì)量測(cè)量器具

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

如同購(gòu)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?jī)?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(gè)用電者的金錢付出都息息相關(guān)。“電能質(zhì)量”，國(guó)之大事，民之大事，不可不察也。
不過(guò)，一提到電能質(zhì)量的測(cè)量與治理，人們往往會(huì)與昂貴的測(cè)量?jī)x表與治理設(shè)備聯(lián)系在一起。誠(chéng)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(cè)量?jī)x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(guò)幾款電能質(zhì)量測(cè)量器具在實(shí)際中的應(yīng)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(píng)判標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是評(píng)判電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣的基本依據(jù)。我國(guó)現(xiàn)行涉及電能質(zhì)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)和閃變》
6. 《GB/T 18481-2001|電能質(zhì)量 暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓》
我國(guó)還為此頒布了《GB/T 19862-2005|電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備通用要求》和《DL/T 1028-2006|電能質(zhì)量測(cè)試分析儀檢定規(guī)程》，對(duì)“電能質(zhì)量”測(cè)量設(shè)備的“質(zhì)量”予以規(guī)定。
全面、準(zhǔn)確、定量測(cè)量上述所有電能質(zhì)量參數(shù)，并能自動(dòng)分析獲得數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)提供專業(yè)人員進(jìn)行人工分析，是對(duì)“電能質(zhì)量分析儀”的基本要求。滿足這樣要求的測(cè)量器具（圖1.2），由于設(shè)計(jì)、制造、用量等原因，其價(jià)格與功能必然成正比。對(duì)于發(fā)電、供電企業(yè)及大中型工業(yè)用戶，將功能強(qiáng)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(duì)必要的，也能承擔(dān)得起所需費(fèi)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(duì)較小，但用戶數(shù)量巨大，用電設(shè)備復(fù)雜，用電環(huán)境極易受污染，電能質(zhì)量一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)涉及千家萬(wàn)戶，不僅涉及經(jīng)濟(jì)損失，還有可能導(dǎo)致人身傷害。某種意義上，對(duì)民用供電環(huán)境進(jìn)行診斷與治理更加必要和急切。然而，測(cè)量成本似乎成為了突出矛盾。
是否有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確、無(wú)需很多專業(yè)知識(shí)就能了解電能質(zhì)量、能快速解決實(shí)際問(wèn)題、一般用戶又能用得起的電能測(cè)量工具呢？
二、測(cè)量器具的選用與測(cè)量方法
選擇測(cè)量器具要根據(jù)測(cè)量者對(duì)測(cè)量參數(shù)的需求而定。根據(jù)上面提到的國(guó)標(biāo)，大體可將電能質(zhì)量測(cè)試項(xiàng)目分為兩大類：“穩(wěn)態(tài)漸變指標(biāo)”和“暫態(tài)瞬變指標(biāo)”。國(guó)標(biāo)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(biāo)”；電壓波動(dòng)和閃變、暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓屬“暫態(tài)瞬變指標(biāo)”。實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于一般用戶來(lái)說(shuō)并不一定關(guān)心所有電能質(zhì)量參數(shù)，掌握某個(gè)或幾個(gè)指標(biāo)就足夠揭示和衡量電能質(zhì)量問(wèn)題了，利用所獲得的相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)，同樣能解決電能治理問(wèn)題。
1、 測(cè)量諧波、頻率
供電系統(tǒng)中的非線性負(fù)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(fù)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(cè)量諧波的儀表都能對(duì)交流電頻率進(jìn)行計(jì)量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)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(biāo)準(zhǔn)電能分析儀
測(cè)量工頻電網(wǎng)中的諧波即可用普通示波器觀察波形（時(shí)域分析，一般只能得到基波頻率，不能測(cè)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(dāng)然專業(yè)電能分析儀（圖1.2）能方便快捷地實(shí)現(xiàn)這兩種儀表的功能。

圖1.2、 美國(guó)理想 61-805 電能分析儀 波形與頻譜測(cè)量結(jié)果
1.2諧波監(jiān)測(cè)儀
國(guó)標(biāo)規(guī)定低壓供電系統(tǒng)“總諧波含量（THD）”應(yīng)低于5%。對(duì)于只需要THD數(shù)據(jù)，不要求知道每個(gè)高次諧波含量的用戶，完全可以使用帶THD測(cè)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(shí)時(shí)顯示總諧波含量和基波頻率，還能自動(dòng)記錄線路上大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的諧波發(fā)生的時(shí)間和數(shù)值，為分析故障提供歷史數(shù)據(jù)。

圖1.3、 美國(guó)理想 61－830 電壓/諧波監(jiān)測(cè)儀與實(shí)際使用
1.3峰值估算
對(duì)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(cè)量功能的萬(wàn)用表，進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)估。由于諧波使交流電波形發(fā)生畸變（圖1.4），已不再是標(biāo)準(zhǔn)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(guò)測(cè)量并比對(duì)電壓峰值和有效值，也能對(duì)電源是否含有諧波成分了解一二——比值偏差越大，說(shuō)明諧波含量越多。普通萬(wàn)用表的頻率測(cè)試也能測(cè)量基波頻率。

圖1.4 含有諧波的交流電波形
1.4測(cè)量平衡負(fù)載下中性線電流
平衡負(fù)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(huì)互相抵消，反而會(huì)疊加在一起（圖1.5），甚至超過(guò)相線電流，造成中性線過(guò)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(shí)，很容易用普通鉗形電流表測(cè)到諧波電流，而無(wú)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(chǎng)復(fù)雜惡劣的測(cè)量環(huán)境，無(wú)論測(cè)量位置如何變化，測(cè)量者總能從兩個(gè)顯示器之一看到讀數(shù)，而且是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，克服了“數(shù)據(jù)保持按鈕”的缺點(diǎn)。

圖1.6 美國(guó)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(méi)有被五花八門的萬(wàn)用表所淘汰，就是因?yàn)樗暮?jiǎn)單、實(shí)用、有效。諧波測(cè)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(dāng)儀表靠近被測(cè)電源時(shí)，如果總諧波含量小于5%時(shí)，則綠色CP(Clear Power)指示燈亮；反之，指示燈熄滅提示諧波超標(biāo)。







圖1.7 美國(guó)理想 61-700系列帶諧波提示功能的鉗形電流表
測(cè)量結(jié)果如此明確、簡(jiǎn)單，無(wú)需過(guò)多測(cè)量與計(jì)算，更不要求操作者掌握任何諧波判別知識(shí)就能完成測(cè)量任務(wù)。
2. 測(cè)量電壓偏差與不平衡度
顧名思義，這些指標(biāo)都是通過(guò)測(cè)量電壓數(shù)據(jù)再經(jīng)計(jì)算得到的。專業(yè)電能質(zhì)量分析儀能自動(dòng)完成采集與計(jì)算任務(wù)，直接給出結(jié)果。用最普通的萬(wàn)用表測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)人工計(jì)算同樣能得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。這里需強(qiáng)調(diào)的并不是儀表測(cè)試能力，而是測(cè)試指標(biāo)時(shí)必須符合標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)試條件。
以“電壓偏差”測(cè)試為例，標(biāo)準(zhǔn)《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(yùn)行條件下，10 kV及以下三相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱系統(tǒng)電壓的±7%；220 V單相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱系統(tǒng)電壓的＋7%～-10％；《GB50052 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.0.4規(guī)定：正常運(yùn)行情況下，用電設(shè)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(shè)計(jì)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(cè)量，都要滿足用電設(shè)備“正常運(yùn)行情況下”這一條件。換言之，電壓測(cè)量應(yīng)在有額定負(fù)載的情況下進(jìn)行。當(dāng)然，如果空載狀態(tài)下就能測(cè)量到明顯電壓偏差或不平衡，則說(shuō)明供電系統(tǒng)已經(jīng)存在嚴(yán)重故障，需立即排除。但大多少情況下，必須帶載測(cè)量才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，否則精度再高的儀表也無(wú)法真實(shí)準(zhǔn)確地得到數(shù)據(jù)。
原則上，當(dāng)需對(duì)空載交流供電系統(tǒng)進(jìn)行此類參數(shù)測(cè)量，或在調(diào)試過(guò)程中考慮設(shè)備安全不能直接接入真實(shí)負(fù)載時(shí)，必須使用足夠功率的假負(fù)載。圖2.1是使用常規(guī)儀表與假負(fù)載（電吹風(fēng)機(jī)），測(cè)量民用供電電壓的情形。雖然測(cè)試本身并不復(fù)雜，但假負(fù)載使用起來(lái)畢竟不很方便。

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

圖 2.2 使用美國(guó)理想 61-164CN測(cè)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(dǎo)體阻抗測(cè)試功能，能發(fā)現(xiàn)零/地接反、零線過(guò)長(zhǎng)等干擾引入因素，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患（詳見3.5中論述）。
3.測(cè)量電壓波動(dòng)和閃變、暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓
由于這些項(xiàng)目都屬于暫態(tài)瞬變指標(biāo)，對(duì)測(cè)試儀表的功能和性能要求較高，即便對(duì)于專業(yè)電能質(zhì)量分析儀，也需啟動(dòng)相應(yīng)的測(cè)量程序逐一記錄分析。不同用戶有可能對(duì)不同指標(biāo)是關(guān)心程度不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇測(cè)量?jī)x表。
我國(guó)現(xiàn)行國(guó)標(biāo)只規(guī)定了“暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓”指標(biāo)，沒(méi)有涉及“暫時(shí)欠壓（或稱：電壓驟降）”指標(biāo)。這方面可以借鑒國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。例如：CBEMA（Computer & Business Equipment and Manufacture Association 計(jì)算機(jī)商用設(shè)備制造協(xié)會(huì)）曲線（圖2.3）和ITIC（Information Technology Industry Council 信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì)）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(lái)的，用以判定供電短暫過(guò)/欠壓對(duì)設(shè)備的影響與設(shè)備對(duì)供電的適應(yīng)能力。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中把供電電壓出現(xiàn)的隨機(jī)、短時(shí)間異常都稱為“電壓事件”，與標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比后就能判斷設(shè)備損壞是由于供電質(zhì)量差引起，還是設(shè)備本身耐受力差所致。上文中提到的電壓/諧波監(jiān)測(cè)儀（圖1.3、圖2.5），其主要功能就是依據(jù)ITIC等標(biāo)準(zhǔn)曲線，檢測(cè)記錄異常電壓事件，評(píng)判供電環(huán)境質(zhì)量。由于儀表簡(jiǎn)單、無(wú)需復(fù)雜操作、不用連接計(jì)算機(jī)就能讀取事件記錄，特別適合與敏感電子設(shè)備配套使用。

圖2.5 美國(guó)理想 61－830 電壓/諧波監(jiān)測(cè)儀與敏感電子設(shè)備配套使用
三、改善電能質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)方法
測(cè)量本身只能幫助用戶確定電能質(zhì)量問(wèn)題的來(lái)源，并不能改善供電環(huán)境和提高電能質(zhì)量。對(duì)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(fù)載和自然環(huán)境因素影響。使用大功率非線性負(fù)載設(shè)備的工業(yè)用戶，不僅是供電系統(tǒng)的污染者，同時(shí)也是受害者，首先應(yīng)改造設(shè)備本身，并使用諧波抑制設(shè)備和功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備。改造和增加設(shè)備都要求有資金投入，對(duì)中小工商業(yè)用戶和普通居民用戶，需要更簡(jiǎn)單、更廉價(jià)，同時(shí)又要有效、可行的方法。這里僅就中性線（零線）對(duì)電能質(zhì)量的影響給出一些建議。
3.1按標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)線，但在敏感電子設(shè)備和非線性負(fù)載多的場(chǎng)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(wú)疑是最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法。
《GB50054低壓配電設(shè)計(jì)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(yīng)小于線路中最大不平衡負(fù)荷電流，且應(yīng)計(jì)入諧波電流的影響”；《DB11/065北京市電氣防火檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》5.1.4.3進(jìn)一步明確：“給可控硅調(diào)光或計(jì)算機(jī)供電的三相四線制配電線路，其N線或PEN線截面積不應(yīng)小于相線截面的兩倍。”
3.2 為諧波污染大的負(fù)載單獨(dú)布線
同一條單相配電線路上，如果必須同時(shí)為敏感電子設(shè)備和頻繁啟動(dòng)的大功率負(fù)載，或非線性負(fù)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(fù)載”分線供電，雖然導(dǎo)線數(shù)量有所增加，但能最大限度地降低負(fù)載間干擾，能在一定程度上免去添加治理設(shè)備的花費(fèi)。
3.3 防止零線出現(xiàn)大包繞環(huán)
雷電和外界電磁場(chǎng)會(huì)在包繞環(huán)上產(chǎn)生感生電壓，抬高中性線對(duì)地（PE）線差模電壓，造成設(shè)備運(yùn)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(dǎo)體。

圖3.1 美國(guó)理想 61-092 鉗形接地電阻測(cè)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(shè)備內(nèi)的中性線或四極開關(guān)的中性極開路，將導(dǎo)致三相電壓嚴(yán)重不平衡，設(shè)備因過(guò)壓瞬間損壞。
3.5嚴(yán)格區(qū)分中性線與保護(hù)地線
《GB50052供電系統(tǒng)涉及規(guī)范》和《50054低壓配電設(shè)計(jì)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(hù)地線（PE）要嚴(yán)格分開。《GB50311綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》6.1.2指出：“工作區(qū)電源插座……保護(hù)接地與零線應(yīng)嚴(yán)格分開”。之所以有如此規(guī)定，是因?yàn)檫@兩根導(dǎo)體在電源側(cè)雖為同一結(jié)點(diǎn)，同為0電位，但其功能不同。中性線承載負(fù)載電流（含諧波等干擾）；保護(hù)地線在平時(shí)正常狀態(tài)下沒(méi)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(shè)備運(yùn)行，人為造成設(shè)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(shè)備、治理手段多個(gè)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)工程，而電能參數(shù)的測(cè)量無(wú)疑是最基本和首要環(huán)節(jié)。測(cè)量電能質(zhì)量并不一定必須使用昂貴儀表，而應(yīng)注重能否解決用戶實(shí)際問(wèn)題。使用某種級(jí)別的儀表過(guò)程中，還要注意選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法。治理手段簡(jiǎn)單與否也不能和治理效果優(yōu)劣劃等號(hào)。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(jìn)。