配電系統電能質量測量與分析

丁榮

摘 要：文章首先介紹了電能質量的一些基本概念，其后描述了使用電能質量分析儀對空管臺站配電系統進行電能質量測量的方法、基本步驟和測量思路。對所測電能質量數據如穩態電壓、諧波電流進行了初步分析，為可能出現的電能質量問題進行了探討。

關鍵詞：電能質量；臺站配電系統；電壓暫降；諧波電流

中圖分類號：TM764 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）26-0097-03

隨著空管通信導航監視設備的大量擴容，綜合性臺站及其他空管大型臺站中電子設備在供電系統中所占負載比例也大幅提高，負載類型的變化會帶來供電質量的變化，例如負載對電壓驟降更加敏感，電子設備供電系統中的諧波含量會有比較大的提升等，因此供電質量的測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支持，也會在配電系統設備選型和設計上發揮重要的參考作用。

1 電能質量的概念

對一般用戶而言，電能質量是一個全新的概念，其實電能質量的概念非常廣泛，如一般人印象中的斷電，只是電壓長期變動中的一個持續中斷的特殊情況，另外還有因電壓低導致供電設備無法正常使用及因電壓閃變造成燈光閃爍的例子，它包括了所有電力問題。

2 電能質量參數與國家標準

電能質量指標包括多個方面，從電力參數上有電壓偏差、電壓暫降、頻率偏差、三相電壓不平衡度、諧波等，從過程上講可分為穩態和暫態。針對臺站（建筑）內的低壓配電系統，本文主要選擇了電壓偏差、電壓暫降、諧波這三項指標，其中電壓偏差和諧波是穩態數據，電壓暫降是暫態數據。電壓偏差指的是實際電壓與標準線電壓380 V和標準相電壓220 V之間的偏差值與標準電壓之比，屬于電能質量參數中電壓長時間變動的范圍，除了國家標準外，還有其他一些國家的標準，對電壓偏差的規定更加細致，例如美國對照明用電的電壓偏差允許值為±5%，動力設備為±10%，國際電工委員會則將電壓偏差允許值規定為±10%，德國照明用電電壓偏差為±3%，動力用電為±5%。

根據國家技術監督局發布的電能質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%，電壓偏差根據與供電公司的供電協議，供電公司供電電壓必須達到該標準。

諧波的定義為對系統中的周期性非正弦分量進行傅里葉分解后，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，這些分量即可稱之為諧波，諧波的分解方法也稱傅里葉級數法，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，由波形畸變程度和分析的準確度的要求來決定，通常取M≤50；ah、？茁h：h次諧波電壓，諧波電流的相位，取決于分析的起點位置。

電壓暫降是短時間電壓變動中的典型電能質量故障類型，造成這種問題的原因在于系統故障，根據系統條件不同，可能引起暫時電壓跌落。暫降的原因主要由于大啟動電流的大容量負載投入，由電壓暫降持續時間來分析，當電壓暫降持續時間小于1/2周波時，不能用基波方均根值的變動來描述，所以應當可以看成是暫降，如果持續時間超過1 min，則應該歸結為長時間變動類型。

3 配電系統測量方法簡述

3.1 電能質量測試儀的配置

對空管臺站供電系統進行測量主要在低壓側進行，測量設備為Dranetz的PX5便攜式電能質量測試儀，測量內容包括電壓有效值、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，需要說明的是，因為時間所限，目前所測量的數據均為穩態電能質量數據，而類似電壓暫降，中斷，瞬態等暫態電能質量數據則因為測量時間不夠長而暫不列入測量范圍，測量點主要包括四個市電輸入測量點，UPS輸入測量點，UPS輸出測量點，用戶電能質量測試儀接線方式根據配電系統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，藍色為C相，三色電壓鉗鉗于三相開關進線或出線側，三相零線短接后接于零排，地線單獨接地，三相電流鉗夾于三相相線，注意接線方向為電流流向方向，該測試儀另配220 V市電電源供自身供電，連接完成后開機即可測量。

3.2 測試基本方法

測試方案與步驟：

首先將測試儀接于供電系統節點，將測試儀開機，在設置中的諧波選項中勾選三次諧波、五次諧波、七次諧波（即諧波頻率設置為150 Hz，250 Hz，350 Hz），在參數中可看到三相電壓，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，測試時間約為5～10 min。

通過測量將幾個典型臺站的市電輸入電壓偏差進行羅列，其中包括北二次雷達站市電總輸入和虹橋西區綜合業務樓UPS輸入兩個類型，市電總輸入表明該路市電后端不僅帶有UPS負載，還帶有諸如空調，照明，插座等其他負載，UPS輸入則是就檢測UPS負載的前端，一般來說因為市電總輸入還帶有其他負載，有可能帶來一些壓降，但由于空管負載量并不大，所以在此表中并不明顯，見表3（a）、（b）。

在表中我們可以看到，北二次雷達站電壓偏差較高，均高于標準相線電壓值，等同于國標三相供電電壓偏差，為標稱電壓的±7%的標準，根據調查可得知，北二次雷達站并未采用10 kV高壓進線的方式，而是從很近的機場燈光站接入雙路400 V進線，一路箱變提供的400 V進線為了應對線路損耗在變壓器分接頭電壓調節時稍高，而北二次雷達站距離供電站又比較近，電壓較標稱值為高，所以該雷達站減少了高壓供電設備的投資，但帶來了電壓偏高的問題，而帶有高壓進線設備與變壓器的臺站供電電壓普遍較好，虹橋西區綜合業務樓的電壓偏差基本在標準范圍，符合國家標準，從表中可以看到，具備高壓進線的臺站通常具有比較標準的電壓有效值，高壓設備的調壓能力與設備投資和設計標準息息相關，在設計時需要根據臺站重要性和設備投資考慮電壓偏差的影響，過高的電壓可能對照明系統和空調系統產生影響，在設備側，如果能夠配備調壓器或UPS，則可以比較好地解決電壓偏差的問題。

諧波的測量主要關注諧波電流值，見表2兩個站臺的各次諧波電流值統計表，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的情況，在這里主要測量了三次五次和七次諧波，都是非線性負載產生諧波電流量比例較高的諧波，根據0.38 kV側的各次諧波電流注入量來看，因為空管負載量普遍較輕，所以諧波電流普遍較小，對電網并不構成污染。

從數據上來看，可以發現一個值得關注的地方，那就是浦東航管樓UPS1、2輸出配電柜中產生了較高的三次諧波，分布于A，B，C三相，達到了基波電流的1/3多，而在零線上則產生了高達50 A的三次諧波電流，見表4。

通過對這種諧波電流過高的原因分析可知，三次諧波的主要來源就是各種電力電子整流設備、計算機、變頻器等，這也證明了空管設備的非線性屬性，在空管輸出配電柜系統中普遍采用三相五線制的接線方式，正常三相線性負載運行時，中性線（零線）電流應該為零，但當負載中的非線性負載比較多時，三相矢量和不為零，其電流會流過中性線，如果線徑不足，會造成線徑發熱，造成安全隱患。

4 電能質量問題發生的原因和危害

電能質量問題發生的原因是多種多樣的，穩態電壓通常由上級變壓器容量、線路走向，和絕緣情況而定，通常而言，在距離不超過300 m的情況下，400 V低壓可以有較少的壓降，而距離過長就會造成輸出點與輸入點之間的壓降過大，此時采用10 kV的線路入戶就會降低壓降，同時也可減少損耗，提高經濟效益。

電壓暫降的原因通常來自于同一公共接入點（屬于同一變壓器輸出范圍內）的各種動作，例如大型電容器的投切操作，斷路器的帶載合閘，電動機和發電機啟動等，這些都會造成電壓的暫降，主要是因為這些操作的啟動電流通常達到額定電流的3～5倍，電流過大會造成公共點電壓瞬間降低，影響公共點上的其他負載。諧波的產生原因通常來自于非線性負載，例如電力機車、電子設備整流電路和電磁爐等。

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

5 電能質量控制裝置

消除諧波，有多種辦法，第一種辦法從用戶設備方看，可以重組電網結構，分離或隔離可產生諧波的設備；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生的發熱，是一種被動的手段。第三種辦法就是采用濾波器這樣的主動手段，對于較大的產生諧波的電氣設備可選用無源并聯濾波器，對于三相非線性負載產生的諧波可采用PQFA，PQFL及PQFT等動態濾波器，對于單相非線性負載而言，可以安裝三次諧波濾波器THF。

6 結 語

電能質量是一個綜合性的概念，它的理念和標準也在不停地變化當中，但電能質量通常也被認為代表著電力科學的前沿，本文介紹了一些基本概念和初步的測量，雖仍然不夠，但希望能夠及時引起對電能質量的發展和變化的關注，使相關工作員能夠采取措施，提高供電質量和保障能力。

參考文獻：

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