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。