配电系统电能质量测量与分析

丁荣

摘 要：文章首先介绍了电能质量的一些基本概念，其后描述了使用电能质量分析仪对空管台站配电系统进行电能质量测量的方法、基本步骤和测量思路。对所测电能质量数据如稳态电压、谐波电流进行了初步分析，为可能出现的电能质量问题进行了探讨。

关键词：电能质量；台站配电系统；电压暂降；谐波电流

中图分类号：TM764 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）26-0097-03

随着空管通信导航监视设备的大量扩容，综合性台站及其他空管大型台站中电子设备在供电系统中所占负载比例也大幅提高，负载类型的变化会带来供电质量的变化，例如负载对电压骤降更加敏感，电子设备供电系统中的谐波含量会有比较大的提升等，因此供电质量的测量与分析不仅在保障供电能力和提高供电可靠性上提供技术支持，也会在配电系统设备选型和设计上发挥重要的参考作用。

1 电能质量的概念

对一般用户而言，电能质量是一个全新的概念，其实电能质量的概念非常广泛，如一般人印象中的断电，只是电压长期变动中的一个持续中断的特殊情况，另外还有因电压低导致供电设备无法正常使用及因电压闪变造成灯光闪烁的例子，它包括了所有电力问题。

2 电能质量参数与国家标准

电能质量指标包括多个方面，从电力参数上有电压偏差、电压暂降、频率偏差、三相电压不平衡度、谐波等，从过程上讲可分为稳态和暂态。针对台站（建筑）内的低压配电系统，本文主要选择了电压偏差、电压暂降、谐波这三项指标，其中电压偏差和谐波是稳态数据，电压暂降是暂态数据。电压偏差指的是实际电压与标准线电压380 V和标准相电压220 V之间的偏差值与标准电压之比，属于电能质量参数中电压长时间变动的范围，除了国家标准外，还有其他一些国家的标准，对电压偏差的规定更加细致，例如美国对照明用电的电压偏差允许值为±5%，动力设备为±10%，国际电工委员会则将电压偏差允许值规定为±10%，德国照明用电电压偏差为±3%，动力用电为±5%。

根据国家技术监督局发布的电能质量供电电压允许偏差（GB 12325-90），10 kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%，220 V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%～10%，电压偏差根据与供电公司的供电协议，供电公司供电电压必须达到该标准。

谐波的定义为对系统中的周期性非正弦分量进行傅里叶分解后，得到一系列分量，这些分量是若干纯正弦波形，频率为该周期性非正弦分量基波频率的倍数，这些分量即可称之为谐波，谐波的分解方法也称傅里叶级数法，该方法也用于谐波的分析，谐波包括谐波电压和谐波电流，谐波频率与基波频率之比称之为谐波次数n（n=fN / f1），谐波的傅里叶分解如下：

式中：U1，I1，电压，电流的基波有效值（方均根）；？棕1：基波角频率，？棕1=2？装f1，其中f1为基波频率；Uh，Ih：（h≥2）第h次谐波电压和谐波电流的有效值（方均根值）；M：电压和电流截取的谐波最高次数，由波形畸变程度和分析的准确度的要求来决定，通常取M≤50；ah、？茁h：h次谐波电压，谐波电流的相位，取决于分析的起点位置。

电压暂降是短时间电压变动中的典型电能质量故障类型，造成这种问题的原因在于系统故障，根据系统条件不同，可能引起暂时电压跌落。暂降的原因主要由于大启动电流的大容量负载投入，由电压暂降持续时间来分析，当电压暂降持续时间小于1/2周波时，不能用基波方均根值的变动来描述，所以应当可以看成是暂降，如果持续时间超过1 min，则应该归结为长时间变动类型。

3 配电系统测量方法简述

3.1 电能质量测试仪的配置

对空管台站供电系统进行测量主要在低压侧进行，测量设备为Dranetz的PX5便携式电能质量测试仪，测量内容包括电压有效值、电流有效值、电压波形、电流波形、谐波比例、谐波电流总畸变率、电压总畸变率、各次谐波值等，需要说明的是，因为时间所限，目前所测量的数据均为稳态电能质量数据，而类似电压暂降，中断，瞬态等暂态电能质量数据则因为测量时间不够长而暂不列入测量范围，测量点主要包括四个市电输入测量点，UPS输入测量点，UPS输出测量点，用户电能质量测试仪接线方式根据配电系统接线均为星形接线如图2所示。

如图2所示，红色为A相，黄色为B相，蓝色为C相，三色电压钳钳于三相开关进线或出线侧，三相零线短接后接于零排，地线单独接地，三相电流钳夹于三相相线，注意接线方向为电流流向方向，该测试仪另配220 V市电电源供自身供电，连接完成后开机即可测量。

3.2 测试基本方法

测试方案与步骤：

首先将测试仪接于供电系统节点，将测试仪开机，在设置中的谐波选项中勾选三次谐波、五次谐波、七次谐波（即谐波频率设置为150 Hz，250 Hz，350 Hz），在参数中可看到三相电压，三相电流、三相电压总畸变率、三相电流总畸变率、三相基波电流值、三相各次谐波电流值，测试时间约为5～10 min。

通过测量将几个典型台站的市电输入电压偏差进行罗列，其中包括北二次雷达站市电总输入和虹桥西区综合业务楼UPS输入两个类型，市电总输入表明该路市电后端不仅带有UPS负载，还带有诸如空调，照明，插座等其他负载，UPS输入则是就检测UPS负载的前端，一般来说因为市电总输入还带有其他负载，有可能带来一些压降，但由于空管负载量并不大，所以在此表中并不明显，见表3（a）、（b）。

在表中我们可以看到，北二次雷达站电压偏差较高，均高于标准相线电压值，等同于国标三相供电电压偏差，为标称电压的±7%的标准，根据调查可得知，北二次雷达站并未采用10 kV高压进线的方式，而是从很近的机场灯光站接入双路400 V进线，一路箱变提供的400 V进线为了应对线路损耗在变压器分接头电压调节时稍高，而北二次雷达站距离供电站又比较近，电压较标称值为高，所以该雷达站减少了高压供电设备的投资，但带来了电压偏高的问题，而带有高压进线设备与变压器的台站供电电压普遍较好，虹桥西区综合业务楼的电压偏差基本在标准范围，符合国家标准，从表中可以看到，具备高压进线的台站通常具有比较标准的电压有效值，高压设备的调压能力与设备投资和设计标准息息相关，在设计时需要根据台站重要性和设备投资考虑电压偏差的影响，过高的电压可能对照明系统和空调系统产生影响，在设备侧，如果能够配备调压器或UPS，则可以比较好地解决电压偏差的问题。

谐波的测量主要关注谐波电流值，见表2两个站台的各次谐波电流值统计表，谐波电流值相比总畸变率更能很好的看出谐波电流注入电网的情况，在这里主要测量了三次五次和七次谐波，都是非线性负载产生谐波电流量比例较高的谐波，根据0.38 kV侧的各次谐波电流注入量来看，因为空管负载量普遍较轻，所以谐波电流普遍较小，对电网并不构成污染。

从数据上来看，可以发现一个值得关注的地方，那就是浦东航管楼UPS1、2输出配电柜中产生了较高的三次谐波，分布于A，B，C三相，达到了基波电流的1/3多，而在零线上则产生了高达50 A的三次谐波电流，见表4。

通过对这种谐波电流过高的原因分析可知，三次谐波的主要来源就是各种电力电子整流设备、计算机、变频器等，这也证明了空管设备的非线性属性，在空管输出配电柜系统中普遍采用三相五线制的接线方式，正常三相线性负载运行时，中性线（零线）电流应该为零，但当负载中的非线性负载比较多时，三相矢量和不为零，其电流会流过中性线，如果线径不足，会造成线径发热，造成安全隐患。

4 电能质量问题发生的原因和危害

电能质量问题发生的原因是多种多样的，稳态电压通常由上级变压器容量、线路走向，和绝缘情况而定，通常而言，在距离不超过300 m的情况下，400 V低压可以有较少的压降，而距离过长就会造成输出点与输入点之间的压降过大，此时采用10 kV的线路入户就会降低压降，同时也可减少损耗，提高经济效益。

电压暂降的原因通常来自于同一公共接入点（属于同一变压器输出范围内）的各种动作，例如大型电容器的投切操作，断路器的带载合闸，电动机和发电机启动等，这些都会造成电压的暂降，主要是因为这些操作的启动电流通常达到额定电流的3～5倍，电流过大会造成公共点电压瞬间降低，影响公共点上的其他负载。谐波的产生原因通常来自于非线性负载，例如电力机车、电子设备整流电路和电磁炉等。

谐波的危害在于向电网注入有污染性的谐波电流，谐波电流不能被利用，但会加大线路损耗，在变压器造成涡流损耗，使设备过热，降低设备的使用寿命，谐波，特别是三次和五次谐波会让对谐波敏感的用电设备出现各种不正常的情况和故障。

5 电能质量控制装置

消除谐波，有多种办法，第一种办法从用户设备方看，可以重组电网结构，分离或隔离可产生谐波的设备；第二种办法是增大零线截面面积和变压器容量，这种方法主要是降低谐波产生的发热，是一种被动的手段。第三种办法就是采用滤波器这样的主动手段，对于较大的产生谐波的电气设备可选用无源并联滤波器，对于三相非线性负载产生的谐波可采用PQFA，PQFL及PQFT等动态滤波器，对于单相非线性负载而言，可以安装三次谐波滤波器THF。

6 结 语

电能质量是一个综合性的概念，它的理念和标准也在不停地变化当中，但电能质量通常也被认为代表着电力科学的前沿，本文介绍了一些基本概念和初步的测量，虽仍然不够，但希望能够及时引起对电能质量的发展和变化的关注，使相关工作员能够采取措施，提高供电质量和保障能力。

参考文献：

[1] 林海雪.现代电能质量基本问题[J].电网技术，2001，（10）.

[2] GB 50052-95，供配电系统设计规范[S].

[3] 朱桂萍，王树民.电能质量控制技术综述[J].电力系统自动化，2002，（19）.