丁榮

摘 要：文章首先介紹了電能質(zhì)量的一些基本概念，其后描述了使用電能質(zhì)量分析儀對(duì)空管臺(tái)站配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)量的方法、基本步驟和測(cè)量思路。對(duì)所測(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)如穩(wěn)態(tài)電壓、諧波電流進(jìn)行了初步分析，為可能出現(xiàn)的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；臺(tái)站配電系統(tǒng)；電壓暫降；諧波電流

中圖分類(lèi)號(hào)：TM764 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）26-0097-03

隨著空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備的大量擴(kuò)容，綜合性臺(tái)站及其他空管大型臺(tái)站中電子設(shè)備在供電系統(tǒng)中所占負(fù)載比例也大幅提高，負(fù)載類(lèi)型的變化會(huì)帶來(lái)供電質(zhì)量的變化，例如負(fù)載對(duì)電壓驟降更加敏感，電子設(shè)備供電系統(tǒng)中的諧波含量會(huì)有比較大的提升等，因此供電質(zhì)量的測(cè)量與分析不僅在保障供電能力和提高供電可靠性上提供技術(shù)支持，也會(huì)在配電系統(tǒng)設(shè)備選型和設(shè)計(jì)上發(fā)揮重要的參考作用。

1 電能質(zhì)量的概念

對(duì)一般用戶而言，電能質(zhì)量是一個(gè)全新的概念，其實(shí)電能質(zhì)量的概念非常廣泛，如一般人印象中的斷電，只是電壓長(zhǎng)期變動(dòng)中的一個(gè)持續(xù)中斷的特殊情況，另外還有因電壓低導(dǎo)致供電設(shè)備無(wú)法正常使用及因電壓閃變?cè)斐蔁艄忾W爍的例子，它包括了所有電力問(wèn)題。

2 電能質(zhì)量參數(shù)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

電能質(zhì)量指標(biāo)包括多個(gè)方面，從電力參數(shù)上有電壓偏差、電壓暫降、頻率偏差、三相電壓不平衡度、諧波等，從過(guò)程上講可分為穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)。針對(duì)臺(tái)站（建筑）內(nèi)的低壓配電系統(tǒng)，本文主要選擇了電壓偏差、電壓暫降、諧波這三項(xiàng)指標(biāo)，其中電壓偏差和諧波是穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，電壓暫降是暫態(tài)數(shù)據(jù)。電壓偏差指的是實(shí)際電壓與標(biāo)準(zhǔn)線電壓380 V和標(biāo)準(zhǔn)相電壓220 V之間的偏差值與標(biāo)準(zhǔn)電壓之比，屬于電能質(zhì)量參數(shù)中電壓長(zhǎng)時(shí)間變動(dòng)的范圍，除了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)外，還有其他一些國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電壓偏差的規(guī)定更加細(xì)致，例如美國(guó)對(duì)照明用電的電壓偏差允許值為±5%，動(dòng)力設(shè)備為±10%，國(guó)際電工委員會(huì)則將電壓偏差允許值規(guī)定為±10%，德國(guó)照明用電電壓偏差為±3%，動(dòng)力用電為±5%。

根據(jù)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的電能質(zhì)量供電電壓允許偏差（GB 12325-90），10 kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%，220 V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%～10%，電壓偏差根據(jù)與供電公司的供電協(xié)議，供電公司供電電壓必須達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)。

諧波的定義為對(duì)系統(tǒng)中的周期性非正弦分量進(jìn)行傅里葉分解后，得到一系列分量，這些分量是若干純正弦波形，頻率為該周期性非正弦分量基波頻率的倍數(shù)，這些分量即可稱之為諧波，諧波的分解方法也稱傅里葉級(jí)數(shù)法，該方法也用于諧波的分析，諧波包括諧波電壓和諧波電流，諧波頻率與基波頻率之比稱之為諧波次數(shù)n（n=fN / f1），諧波的傅里葉分解如下：

式中：U1，I1，電壓，電流的基波有效值（方均根）；？棕1：基波角頻率，？棕1=2？裝f1，其中f1為基波頻率；Uh，Ih：（h≥2）第h次諧波電壓和諧波電流的有效值（方均根值）；M：電壓和電流截取的諧波最高次數(shù)，由波形畸變程度和分析的準(zhǔn)確度的要求來(lái)決定，通常取M≤50；ah、？茁h：h次諧波電壓，諧波電流的相位，取決于分析的起點(diǎn)位置。

電壓暫降是短時(shí)間電壓變動(dòng)中的典型電能質(zhì)量故障類(lèi)型，造成這種問(wèn)題的原因在于系統(tǒng)故障，根據(jù)系統(tǒng)條件不同，可能引起暫時(shí)電壓跌落。暫降的原因主要由于大啟動(dòng)電流的大容量負(fù)載投入，由電壓暫降持續(xù)時(shí)間來(lái)分析，當(dāng)電壓暫降持續(xù)時(shí)間小于1/2周波時(shí)，不能用基波方均根值的變動(dòng)來(lái)描述，所以應(yīng)當(dāng)可以看成是暫降，如果持續(xù)時(shí)間超過(guò)1 min，則應(yīng)該歸結(jié)為長(zhǎng)時(shí)間變動(dòng)類(lèi)型。

3 配電系統(tǒng)測(cè)量方法簡(jiǎn)述

3.1 電能質(zhì)量測(cè)試儀的配置

對(duì)空管臺(tái)站供電系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量主要在低壓側(cè)進(jìn)行，測(cè)量設(shè)備為Dranetz的PX5便攜式電能質(zhì)量測(cè)試儀，測(cè)量?jī)?nèi)容包括電壓有效值、電流有效值、電壓波形、電流波形、諧波比例、諧波電流總畸變率、電壓總畸變率、各次諧波值等，需要說(shuō)明的是，因?yàn)闀r(shí)間所限，目前所測(cè)量的數(shù)據(jù)均為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，而類(lèi)似電壓暫降，中斷，瞬態(tài)等暫態(tài)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)則因?yàn)闇y(cè)量時(shí)間不夠長(zhǎng)而暫不列入測(cè)量范圍，測(cè)量點(diǎn)主要包括四個(gè)市電輸入測(cè)量點(diǎn)，UPS輸入測(cè)量點(diǎn)，UPS輸出測(cè)量點(diǎn)，用戶電能質(zhì)量測(cè)試儀接線方式根據(jù)配電系統(tǒng)接線均為星形接線如圖2所示。

如圖2所示，紅色為A相，黃色為B相，藍(lán)色為C相，三色電壓鉗鉗于三相開(kāi)關(guān)進(jìn)線或出線側(cè)，三相零線短接后接于零排，地線單獨(dú)接地，三相電流鉗夾于三相相線，注意接線方向?yàn)殡娏髁飨蚍较颍摐y(cè)試儀另配220 V市電電源供自身供電，連接完成后開(kāi)機(jī)即可測(cè)量。

3.2 測(cè)試基本方法

測(cè)試方案與步驟：

首先將測(cè)試儀接于供電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，將測(cè)試儀開(kāi)機(jī)，在設(shè)置中的諧波選項(xiàng)中勾選三次諧波、五次諧波、七次諧波（即諧波頻率設(shè)置為150 Hz，250 Hz，350 Hz），在參數(shù)中可看到三相電壓，三相電流、三相電壓總畸變率、三相電流總畸變率、三相基波電流值、三相各次諧波電流值，測(cè)試時(shí)間約為5～10 min。

通過(guò)測(cè)量將幾個(gè)典型臺(tái)站的市電輸入電壓偏差進(jìn)行羅列，其中包括北二次雷達(dá)站市電總輸入和虹橋西區(qū)綜合業(yè)務(wù)樓UPS輸入兩個(gè)類(lèi)型，市電總輸入表明該路市電后端不僅帶有UPS負(fù)載，還帶有諸如空調(diào)，照明，插座等其他負(fù)載，UPS輸入則是就檢測(cè)UPS負(fù)載的前端，一般來(lái)說(shuō)因?yàn)槭须娍傒斎脒€帶有其他負(fù)載，有可能帶來(lái)一些壓降，但由于空管負(fù)載量并不大，所以在此表中并不明顯，見(jiàn)表3（a）、（b）。

在表中我們可以看到，北二次雷達(dá)站電壓偏差較高，均高于標(biāo)準(zhǔn)相線電壓值，等同于國(guó)標(biāo)三相供電電壓偏差，為標(biāo)稱電壓的±7%的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)調(diào)查可得知，北二次雷達(dá)站并未采用10 kV高壓進(jìn)線的方式，而是從很近的機(jī)場(chǎng)燈光站接入雙路400 V進(jìn)線，一路箱變提供的400 V進(jìn)線為了應(yīng)對(duì)線路損耗在變壓器分接頭電壓調(diào)節(jié)時(shí)稍高，而北二次雷達(dá)站距離供電站又比較近，電壓較標(biāo)稱值為高，所以該雷達(dá)站減少了高壓供電設(shè)備的投資，但帶來(lái)了電壓偏高的問(wèn)題，而帶有高壓進(jìn)線設(shè)備與變壓器的臺(tái)站供電電壓普遍較好，虹橋西區(qū)綜合業(yè)務(wù)樓的電壓偏差基本在標(biāo)準(zhǔn)范圍，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，從表中可以看到，具備高壓進(jìn)線的臺(tái)站通常具有比較標(biāo)準(zhǔn)的電壓有效值，高壓設(shè)備的調(diào)壓能力與設(shè)備投資和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)息息相關(guān)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)臺(tái)站重要性和設(shè)備投資考慮電壓偏差的影響，過(guò)高的電壓可能對(duì)照明系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，在設(shè)備側(cè)，如果能夠配備調(diào)壓器或UPS，則可以比較好地解決電壓偏差的問(wèn)題。

諧波的測(cè)量主要關(guān)注諧波電流值，見(jiàn)表2兩個(gè)站臺(tái)的各次諧波電流值統(tǒng)計(jì)表，諧波電流值相比總畸變率更能很好的看出諧波電流注入電網(wǎng)的情況，在這里主要測(cè)量了三次五次和七次諧波，都是非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波電流量比例較高的諧波，根據(jù)0.38 kV側(cè)的各次諧波電流注入量來(lái)看，因?yàn)榭展茇?fù)載量普遍較輕，所以諧波電流普遍較小，對(duì)電網(wǎng)并不構(gòu)成污染。

從數(shù)據(jù)上來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)值得關(guān)注的地方，那就是浦東航管樓UPS1、2輸出配電柜中產(chǎn)生了較高的三次諧波，分布于A，B，C三相，達(dá)到了基波電流的1/3多，而在零線上則產(chǎn)生了高達(dá)50 A的三次諧波電流，見(jiàn)表4。

通過(guò)對(duì)這種諧波電流過(guò)高的原因分析可知，三次諧波的主要來(lái)源就是各種電力電子整流設(shè)備、計(jì)算機(jī)、變頻器等，這也證明了空管設(shè)備的非線性屬性，在空管輸出配電柜系統(tǒng)中普遍采用三相五線制的接線方式，正常三相線性負(fù)載運(yùn)行時(shí)，中性線（零線）電流應(yīng)該為零，但當(dāng)負(fù)載中的非線性負(fù)載比較多時(shí)，三相矢量和不為零，其電流會(huì)流過(guò)中性線，如果線徑不足，會(huì)造成線徑發(fā)熱，造成安全隱患。

4 電能質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生的原因和危害

電能質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生的原因是多種多樣的，穩(wěn)態(tài)電壓通常由上級(jí)變壓器容量、線路走向，和絕緣情況而定，通常而言，在距離不超過(guò)300 m的情況下，400 V低壓可以有較少的壓降，而距離過(guò)長(zhǎng)就會(huì)造成輸出點(diǎn)與輸入點(diǎn)之間的壓降過(guò)大，此時(shí)采用10 kV的線路入戶就會(huì)降低壓降，同時(shí)也可減少損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

電壓暫降的原因通常來(lái)自于同一公共接入點(diǎn)（屬于同一變壓器輸出范圍內(nèi)）的各種動(dòng)作，例如大型電容器的投切操作，斷路器的帶載合閘，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)啟動(dòng)等，這些都會(huì)造成電壓的暫降，主要是因?yàn)檫@些操作的啟動(dòng)電流通常達(dá)到額定電流的3～5倍，電流過(guò)大會(huì)造成公共點(diǎn)電壓瞬間降低，影響公共點(diǎn)上的其他負(fù)載。諧波的產(chǎn)生原因通常來(lái)自于非線性負(fù)載，例如電力機(jī)車(chē)、電子設(shè)備整流電路和電磁爐等。

諧波的危害在于向電網(wǎng)注入有污染性的諧波電流，諧波電流不能被利用，但會(huì)加大線路損耗，在變壓器造成渦流損耗，使設(shè)備過(guò)熱，降低設(shè)備的使用壽命，諧波，特別是三次和五次諧波會(huì)讓對(duì)諧波敏感的用電設(shè)備出現(xiàn)各種不正常的情況和故障。

5 電能質(zhì)量控制裝置

消除諧波，有多種辦法，第一種辦法從用戶設(shè)備方看，可以重組電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分離或隔離可產(chǎn)生諧波的設(shè)備；第二種辦法是增大零線截面面積和變壓器容量，這種方法主要是降低諧波產(chǎn)生的發(fā)熱，是一種被動(dòng)的手段。第三種辦法就是采用濾波器這樣的主動(dòng)手段，對(duì)于較大的產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備可選用無(wú)源并聯(lián)濾波器，對(duì)于三相非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波可采用PQFA，PQFL及PQFT等動(dòng)態(tài)濾波器，對(duì)于單相非線性負(fù)載而言，可以安裝三次諧波濾波器THF。

6 結(jié) 語(yǔ)

電能質(zhì)量是一個(gè)綜合性的概念，它的理念和標(biāo)準(zhǔn)也在不停地變化當(dāng)中，但電能質(zhì)量通常也被認(rèn)為代表著電力科學(xué)的前沿，本文介紹了一些基本概念和初步的測(cè)量，雖仍然不夠，但希望能夠及時(shí)引起對(duì)電能質(zhì)量的發(fā)展和變化的關(guān)注，使相關(guān)工作員能夠采取措施，提高供電質(zhì)量和保障能力。

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