有效降低供電環境治理成本
美國理想工業公司 北京代表處 任長寧

如同購買商品要關注產品質量一樣，電力作為人類制造的產品同樣有質量優劣之分。大而言之，電能質量涉及能源與節能；小而言之，與每個用電者的金錢付出都息息相關。“電能質量”，國之大事，民之大事，不可不察也。
不過，一提到電能質量的測量與治理，人們往往會與昂貴的測量儀表與治理設備聯系在一起。誠然，改善供電環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量測量器具在實際中的應用，希望為診斷和改善供電環境提供一些新思路。
一、電能質量評判標準
國家相關標準是評判電能質量優劣的基本依據。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 電力系統頻率允許偏差》
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檢定規程》，對“電能質量”測量設備的“質量”予以規定。
全面、準確、定量測量上述所有電能質量參數，并能自動分析獲得數據或將數據提供專業人員進行人工分析，是對“電能質量分析儀”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。對于發電、供電企業及大中型工業用戶，將功能強大的電能質量分析儀表作為電能質量的監管控制手段是絕對必要的，也能承擔得起所需費用。
而與發、供、用電大戶相比，普通工商業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，用電設備復雜，用電環境極易受污染，電能質量一旦出現問題，就會涉及千家萬戶，不僅涉及經濟損失，還有可能導致人身傷害。某種意義上，對民用供電環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、無需很多專業知識就能了解電能質量、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測量者對測量參數的需求而定。根據上面提到的國標，大體可將電能質量測試項目分為兩大類：“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，對于一般用戶來說并不一定關心所有電能質量參數，掌握某個或幾個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，同樣能解決電能治理問題。
1、 測量諧波、頻率
供電系統中的非線性負載，使電壓發生畸變而偏離正弦波形，即形成諧波污染。圖1.1所示的開關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。根據統計數據，我國各跨省電力系統頻率的允許偏差都保持在±0.1Hz內，在所有電能質量參數中，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），當然專業電能分析儀（圖1.2）能方便快捷地實現這兩種儀表的功能。

圖1.2、 美國理想 61-805 電能分析儀 波形與頻譜測量結果
1.2諧波監測儀
國標規定低壓供電系統“總諧波含量（THD）”應低于5%。對于只需要THD數據，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數據。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定值的諧波發生的時間和數值，為分析故障提供歷史數據。

圖1.3、 美國理想 61－830 電壓/諧波監測儀與實際使用
1.3峰值估算
對于只想知道供電系統如是否有諧波，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用表，進行簡單評估。由于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余弦波，電壓（流）峰值與有效值間不再有√2 倍的關系，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儀表。圖1.6所示雙顯示鉗形電流表，充分考慮了現場復雜惡劣的測量環境，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，而且是實時數據，克服了“數據保持按鈕”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據再經計算得到的。專業電能質量分析儀能自動完成采集與計算任務，直接給出結果。用最普通的萬用表測量數據，經人工計算同樣能得到準確數據。這里需強調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規定：電力系統正常運行條件下，10 kV及以下三相供電電壓允許偏差為標稱系統電壓的±7%；220 V單相供電電壓允許偏差為標稱系統電壓的＋7%～-10％；《GB50052 供配電系統設計規范》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±5％；《JGJ/T 16-92 民用建筑電氣設計規范》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，則說明供電系統已經存在嚴重故障，需立即排除。但大多少情況下，必須帶載測量才能發現問題所在，否則精度再高的儀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系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 現場帶載測量電壓降
為簡化此類測試的操作，美國理想工業公司（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，能發現零/地接反、零線過長等干擾引入因素，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
由于這些項目都屬于暫態瞬變指標，對測試儀表的功能和性能要求較高，即便對于專業電能質量分析儀，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心程度不同，應根據實際需要選擇測量儀表。
我國現行國標只規定了“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。這方面可以借鑒國外相關標準。例如：CBEMA（Computer & Business Equipment and Manufacture Association 計算機商用設備制造協會）曲線（圖2.3）和ITIC（Information Technology Industry Council 信息技術工業協會）曲線（圖2.4）。

圖2.3 CBEMA曲線

圖2.4 ITIC曲線
ITIC曲線是在CBEMA曲線的基礎上發展起來的，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（圖1.3、圖2.5），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/諧波監測儀與敏感電子設備配套使用
三、改善電能質量的經濟方法
測量本身只能幫助用戶確定電能質量問題的來源，并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用戶，不僅是供電系統的污染者，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，無疑是最經濟、最有效的方法。
《GB50054低壓配電設計規范》2.2.6規定：“三相四線制配電系統中，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規范》5.1.4.3進一步明確：“給可控硅調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，變為星形布線，將“干擾源”與“敏感負載”分線供電，雖然導線數量有所增加，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 防止零線出現大包繞環
雷電和外界電磁場會在包繞環上產生感生電壓，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，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”事故是最常見多發的供電事故，用戶電氣設備內的中性線或四極開關的中性極開路，將導致三相電壓嚴重不平衡，設備因過壓瞬間損壞。
3.5嚴格區分中性線與保護地線
《GB50052供電系統涉及規范》和《50054低壓配電設計規范中》都要求TN-S（三相五線制）系統中的中性線（N）與保護地線（PE）要嚴格分開。《GB50311綜合布線系統工程設計規范》6.1.2指出：“工作區電源插座……保護接地與零線應嚴格分開”。之所以有如此規定，是因為這兩根導體在電源側雖為同一結點，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、治理手段多個環節的系統工程，而電能參數的測量無疑是最基本和首要環節。測量電能質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，還要注意選擇適當的測量方法。治理手段簡單與否也不能和治理效果優劣劃等號。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。