怎樣合理選用電能質量測量器具

合理選用電能質量測量器具

一、電能質量評判標準 

國家相關(guan) 標準是評判電能質量優(you) 劣的基本依據。我國現行涉及電能質量的國家標準有以下6部： 

1. 《GB/T 14549-1993|電能質量 公用電網諧波》 

2. 《GB/T 15945-1995|電能質量 電力係統頻率允許偏差》 

3. 《GB/T 15543-1995|電能質量 三相電壓允許不平衡度》 

4. 《GB/T 12325-2003|電能質量 供電電壓允許偏差》 

5. 《GB 12326-2000|電能質量 電壓波動和閃變》 

6. 《GB/T 18481-2001|電能質量 暫時過電壓和瞬態過電壓》 

我國還為(wei) 此頒布了《GB/T 19862-2005|電能質量監測設備通用要求》和《DL/T 1028-2006|電能質量測試分析儀(yi) 檢定規程》，對“電能質量”測量設備的“質量”予以規定。 

全麵、準確、定量測量上述所有電能質量參數，並能自動分析獲得數據或將數據提供專(zhuan) 業(ye) 人員進行人工分析，是對“電能質量分析儀(yi) ”的基本要求。滿足這樣要求的測量器具（圖1.2），由於(yu) 設計、製造、用量等原因，其價(jia) 格與(yu) 功能必然成正比。對於(yu) 發電、供電企業(ye) 及大中型工業(ye) 用戶，將功能強大的電能質量分析儀(yi) 表作為(wei) 電能質量的監管控製手段是必要的，也能承擔得起所需費用。 

而與(yu) 發、供、用電大戶相比，普通工商業(ye) 和居民都直接使用民用供電，每戶用電量相對較小，但用戶數量巨大，用電設備複雜，用電環境極易受汙染，電能質量一旦出現問題，就會(hui) 涉及千家萬(wan) 戶，不僅(jin) 涉及經濟損失，還有可能導致人身傷(shang) 害。某種意義(yi) 上，對民用供電環境進行診斷與(yu) 治理更加必要和急切。然而，測量成本似乎成為(wei) 了突出矛盾。 

是否有操作簡單、測量準確、無需很多專(zhuan) 業(ye) 知識就能了解電能質量、能快速解決(jue) 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(yu) 測量方法 

選擇測量器具要根據測量者對測量參數的需求而定。根據上麵提到的國標，大體(ti) 可將電能質量測試項目分為(wei) 兩(liang) 大類：“穩態漸變指標”和“暫態瞬變指標”。國標中涉及的：諧波、頻率、電壓不平衡度、電壓偏差屬“穩態漸變指標”；電壓波動和閃變、暫時過電壓和瞬態過電壓屬“暫態瞬變指標”。實際工程應用中，對於(yu) 一般用戶來說並不一定關(guan) 心所有電能質量參數，掌握某個(ge) 或幾個(ge) 指標就足夠揭示和衡量電能質量問題了，利用所獲得的相對簡單的數據，同樣能解決(jue) 電能治理問題。 

1、 測量諧波、頻率 

供電係統中的非線性負載，使電壓發生畸變而偏離正弦波形，即形成諧波汙染。圖1.1所示的開關(guan) 電源輸入端電流波形，是典型的非線性負載的情形。 

開關(guan) 電源輸入電流的諧波分析 

諧波與(yu) 頻率（高次諧波）是緊密相關(guan) 的，因此能測量諧波的儀(yi) 表都能對交流電頻率進行計量。根據統計數據，我國各跨省電力係統頻率的允許偏差都保持在±0.1Hz內(nei) ，在所有電能質量參數中，電壓頻率是zui有保障的。 

標準電能分析儀(yi)  

測量工頻電網中的諧波即可用普通示波器觀察波形（時域分析，一般隻能得到基波頻率，不能測量諧波成分的頻率。），也可用頻譜分析儀(yi) 觀察頻譜（頻域分析），當然專(zhuan) 業(ye) 電能分析儀(yi) 能方便快捷地實現這兩(liang) 種儀(yi) 表的功能。 

美國理想 61-805 電能分析儀(yi)  波形與(yu) 頻譜測量結果 

諧波監測儀(yi)  

國標規定低壓供電係統“總諧波含量（THD）”應低於(yu) 5%。對於(yu) 隻需要THD數據，不要求知道每個(ge) 高次諧波含量的用戶，*可以使用帶THD測試功能，而又不那麽(me) 昂貴的儀(yi) 表獲得諧波THD數據。這種儀(yi) 表不僅(jin) 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於(yu) 標準規定值的諧波發生的時間和數值，為(wei) 分析故障提供曆史數據。 

美國理想 61－830 電壓/諧波監測儀(yi) 與(yu) 實際使用 

峰值估算 

對於(yu) 隻想知道供電係統如是否有諧波，而不要求量化數據的用戶，也可以用帶有峰值和有效值測量功能的萬(wan) 用表，進行簡單評估。由於(yu) 諧波使交流電波形發生畸變（圖1.4），已不再是標準的正弦或餘(yu) 弦波，電壓（流）峰值與(yu) 有效值間不再有√2 倍的關(guan) 係，通過測量並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(wan) 用表的頻率測試也能測量基波頻率。 

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於(yu) 0。係統中一旦含有3倍次諧波（3、9、15…等奇次諧波），諧波電流不但不會(hui) 互相抵消，反而會(hui) 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。 

三次諧波在中性線上疊加 

出現這種情況時，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(zhuan) 業(ye) 儀(yi) 表。圖1.6所示雙顯示鉗形電流表，充分考慮了現場複雜惡劣的測量環境，無論測量位置如何變化，測量者總能從(cong) 兩(liang) 個(ge) 顯示器之一看到讀數，而且是實時數據，克服了“數據保持按鈕”的缺點。 

美國理想 61-770係列 雙顯示鉗形電流表 

1.5諧波提示 

電工師傅們(men) 幾乎人手一支的試電筆，之所以沒有被五花八門的萬(wan) 用表所淘汰，就是因為(wei) 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(yi) 表靠近被測電源時，如果總諧波含量小於(yu) 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係列帶諧波提示功能的鉗形電流表 

測量結果如此明確、簡單，無需過多測量與(yu) 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(yu) 不平衡度 

顧名思義(yi) ，這些指標都是通過測量電壓數據再經計算得到的。專(zhuan) 業(ye) 電能質量分析儀(yi) 能自動完成采集與(yu) 計算任務，直接給出結果。用zui普通的萬(wan) 用表測量數據，經人工計算同樣能得到準確數據。這裏需強調的並不是儀(yi) 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(wei) 例，標準《GB/T 12325-2003供電電壓允許偏差》的4.2、4.3規定：電力係統正常運行條件下，10 kV及以下三相供電電壓允許偏差為(wei) 標稱係統電壓的±7%；220 V單相供電電壓允許偏差為(wei) 標稱係統電壓的＋7%～-10％；《GB50052 供配電係統設計規範》4.0.4規定：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(wei) ±5％；《JGJ/T 16-92 民用建築電氣設計規範》3.3.3也有類似規定。 

可見，所有涉及電壓參數的測量，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，如果空載狀態下就能測量到明顯電壓偏差或不平衡，則說明供電係統已經存在嚴(yan) 重故障，需立即排除。但大多少情況下，必須帶載測量才能發現問題所在，否則精度再高的儀(yi) 表也無法真實準確地得到數據。 

原則上，當需對空載交流供電係統進行此類參數測量，或在調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是使用常規儀(yi) 表與(yu) 假負載（電吹風機），測量民用供電電壓的情形。雖然測試本身並不複雜，但假負載使用起來畢竟不很方便。 

現場帶載測量電壓降 

為(wei) 簡化此類測試的操作，美國理想工業(ye) 公司（IDEAL）推出了一款名為(wei) SureTest®（型號：61-164CN交流電路分析儀(yi) ，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。 

使用美國理想 61-164CN測試線路電壓和帶載能力 

儀(yi) 表還提供電源極性（零、火、地）辨別和導體(ti) 阻抗測試功能，能發現零/地接反、零線過長等幹擾引入因素，及時發現故障隱患（詳見3.5中論述）。 

3.測量電壓波動和閃變、暫時過電壓和瞬態過電壓 

由於(yu) 這些項目都屬於(yu) 暫態瞬變指標，對測試儀(yi) 表的功能和性能要求較高，即便對於(yu) 專(zhuan) 業(ye) 電能質量分析儀(yi) ，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(guan) 心程度不同，應根據實際需要選擇測量儀(yi) 表。 

我國現行國標隻規定了“暫時過電壓和瞬態過電壓”指標，沒有涉及“暫時欠壓（或稱：電壓驟降）”指標。這方麵可以借鑒國外相關(guan) 標準。例如：CBEMA（Computer & Business Equipment and Manufacture Association 計算機商用設備製造協會(hui) ）曲線（圖2.3）和ITIC（Information Technology Industry Council 信息技術工業(ye) 協會(hui) ）曲線（圖2.4）。 

CBEMA曲線 

ITIC曲線 

ITIC曲線是在CBEMA曲線的基礎上發展起來的，用以判定供電短暫過/欠壓對設備的影響與(yu) 設備對供電的適應能力。國外標準中把供電電壓出現的隨機、短時間異常都稱為(wei) “電壓事件”，與(yu) 標準曲線對比後就能判斷設備損壞是由於(yu) 供電質量差引起，還是設備本身耐受力差所致。上文中提到的電壓/諧波監測儀(yi) ，其主要功能就是依據ITIC等標準曲線，檢測記錄異常電壓事件，評判供電環境質量。由於(yu) 儀(yi) 表簡單、無需複雜操作、不用連接計算機就能讀取事件記錄，特別適合與(yu) 敏感電子設備配套使用。 

美國理想 61－830 電壓/諧波監測儀(yi) 與(yu) 敏感電子設備配套使用 

三、改善電能質量的經濟方法 

測量本身隻能幫助用戶確定電能質量問題的來源，並不能改善供電環境和提高電能質量。對電能環境的治理還需要具體(ti) 有效的措施。 

排除發電和輸配電環節的原因外，電能質量主要受負載和自然環境因素影響。使用大功率非線性負載設備的工業(ye) 用戶，不僅(jin) 是供電係統的汙染者，同時也是受害者，首先應改造設備本身，並使用諧波抑製設備和功率因數補償(chang) 設備。改造和增加設備都要求有資金投入，對中小工商業(ye) 用戶和普通居民用戶，需要更簡單、更廉價(jia) ，同時又要有效、可行的方法。這裏僅(jin) 就中性線（零線）對電能質量的影響給出一些建議。 

3.1按標準要求選擇中性線截麵積，減少諧波影響 

低壓供電線路布線中，相線與(yu) 中性線一般使用相同截麵導線，但在敏感電子設備和非線性負載多的場合，為(wei) 降低3倍次諧波在中性線疊加造成不利影響，加大中性線截麵積，無疑是、zui有效的方法。 

《GB50054低壓配電設計規範》2.2.6規定：“三相四線製配電係統中，中性線的允許載流量不應小於(yu) 線路中zui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規範》5.1.4.3進一步明確：“給可控矽調光或計算機供電的三相四線製配電線路，其N線或PEN線截麵積不應小於(yu) 相線截麵的兩(liang) 倍。” 

3.2 為(wei) 諧波汙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(wei) 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，變為(wei) 星形布線，將“幹擾源”與(yu) “敏感負載”分線供電，雖然導線數量有所增加，但能zui大限度地降低負載間幹擾，能在一定程度上免去添加治理設備的花費。 

3.3 防止零線出現大包繞環 

雷電和外界電磁場會(hui) 在包繞環上產(chan) 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(yi) 能方便地檢查出是否有包繞環，解決(jue) 辦法就是剪斷中性線導體(ti) 。 

美國理想 61-092 鉗形接地電阻測試儀(yi)  

3.4 防止中性線開路 

“斷零”事故是zui常見多發的供電事故，用戶電氣設備內(nei) 的中性線或四極開關(guan) 的中性極開路，將導致三相電壓嚴(yan) 重不平衡，設備因過壓瞬間損壞。 

3.5嚴(yan) 格區分中性線與(yu) 保護地線 

《GB50052供電係統涉及規範》和《50054低壓配電設計規範中》都要求TN-S（三相五線製）係統中的中性線（N）與(yu) 保護地線（PE）要嚴(yan) 格分開。《GB50311綜合布線係統工程設計規範》6.1.2指出：“工作區電源插座……保護接地與(yu) 零線應嚴(yan) 格分開”。之所以有如此規定，是因為(wei) 這兩(liang) 根導體(ti) 在電源側(ce) 雖為(wei) 同一結點，同為(wei) 0電位，但其功能不同。中性線承載負載電流（含諧波等幹擾）；保護地線在平時正常狀態下沒有電流，是電磁幹擾、靜電和事故電流的泄放通路。兩(liang) 者一旦接反或混接，必然引入幹擾，影響敏感設備運行，人為(wei) 造成設備供電環境劣化。 

四、總結 

改善電能環境是涉及供配電、線路施工、用電設備、治理手段多個(ge) 環節的係統工程，而電能參數的測量無疑是zui基本和首要環節。測量電能質量並不一定必須使用昂貴儀(yi) 表，而應注重能否解決(jue) 用戶實際問題。使用某種級別的儀(yi) 表過程中，還要注意選擇適當的測量方法。治理手段簡單與(yu) 否也不能和治理效果優(you) 劣劃等號。在各方努力下，供電環境必將如自然環境一樣，倍受重視，不斷向理想境界邁進。