如同购买商品要关注产品质量一样，电力作为人类制造的产品同样有质量优劣之分。大而言之，电能质量涉及能源与节能;小而言之，与每个用电者的金钱付出都息息相关。“电能质量”，国之大事，民之大事，不可不察也。
不过，一提到电能质量的测量与治理，人们往往会与昂贵的测量仪表与治理设备联系在一起。诚然，改善供电环境需要必不可少的投入，但只要合理选用测量仪表与方法、正确采取整改措施，是可以有效控制治理成本的。
本文通过几款电能质量测量器具在实际中的应用，希望为诊断和改善供电环境提供一些新思路。
一、电能质量评判标准
国家相关标准是评判电能质量优劣的基本依据。我国现行涉及电能质量的国家标准有以下6部：
1.《GB/T14549-1993|电能质量公用电网谐波》
2.《GB/T15945-1995|电能质量电力系统频率允许偏差》
3.《GB/T15543-1995|电能质量三相电压允许不平衡度》
4.《GB/T12325-2003|电能质量供电电压允许偏差》
5.《GB12326-2000|电能质量电压波动和闪变》
6.《GB/T18481-2001|电能质量暂时过电压和瞬态过电压》
我国还为此颁布了《GB/T19862-2005|电能质量监测设备通用要求》和《DL/T1028-2006|电能质量测试分析仪检定规程》，对“电能质量”测量设备的“质量”予以规定。
全面、准确、定量测量上述所有电能质量参数，并能自动分析获得数据或将数据提供专业人员进行人工分析，是对“电能质量分析仪”的基本要求。满足这样要求的测量器具(图1.2)，由于设计、制造、用量等原因，其价格与功能必然成正比。对于发电、供电企业及大中型工业用户，将功能强大的电能质量分析仪表作为电能质量的监管控制手段是绝对必要的，也能承担得起所需费用。
而与发、供、用电大户相比，普通工商业和居民都直接使用民用供电，每户用电量相对较小，但用户数量巨大，用电设备复杂，用电环境极易受污染，电能质量一旦出现问题，就会涉及千家万户，不仅涉及经济损失，还有可能导致人身伤害。某种意义上，对民用供电环境进行诊断与治理更加必要和急切。然而，测量成本似乎成为了突出矛盾。
是否有操作简单、测量准确、无需很多专业知识就能了解电能质量、能快速解决实际问题、一般用户又能用得起的电能测量工具呢?
二、测量器具的选用与测量方法
选择测量器具要根据测量者对测量参数的需求而定。根据上面提到的国标，大体可将电能质量测试项目分为两大类：“稳态渐变指标”和“暂态瞬变指标”。国标中涉及的：谐波、频率、电压不平衡度、电压偏差属“稳态渐变指标”;电压波动和闪变、暂时过电压和瞬态过电压属“暂态瞬变指标”。实际工程应用中，对于一般用户来说并不一定关心所有电能质量参数，掌握某个或几个指标就足够揭示和衡量电能质量问题了，利用所获得的相对简单的数据，同样能解决电能治理问题。
1、测量谐波、频率
供电系统中的非线性负载，使电压发生畸变而偏离正弦波形，即形成谐波污染。图1.1所示的开关电源输入端电流波形，是典型的非线性负载的情形。
开关电源输入电流的谐波分析
谐波与频率(高次谐波)是紧密相关的，因此能测量谐波的仪表都能对交流电频率进行计量。根据统计数据，我国各跨省电力系统频率的允许偏差都保持在±0.1Hz内，在所有电能质量参数中，电压频率是最有保障的。
标准电能分析仪
测量工频电网中的谐波即可用普通示波器观察波形(时域分析，一般只能得到基波频率，不能测量谐波成分的频率。)，也可用频谱分析仪观察频谱(频域分析)，当然专业电能分析仪能方便快捷地实现这两种仪表的功能。
美国理想61-805电能分析仪波形与频谱测量结果
谐波监测仪
国标规定低压供电系统“总谐波含量(THD)”应低于5%。对于只需要THD数据，不要求知道每个高次谐波含量的用户，完全可以使用带THD测试功能，而又不那么昂贵的仪表获得谐波THD数据。这种仪表不仅能实时显示总谐波含量和基波频率，还能自动记录线路上大于标准规定值的谐波发生的时间和数值，为分析故障提供历史数据。
美国理想61-830电压/谐波监测仪与实际使用
峰值估算
对于只想知道供电系统如是否有谐波，而不要求量化数据的用户，也可以用带有峰值和有效值测量功能的万用表，进行简单评估。由于谐波使交流电波形发生畸变(图1.4)，已不再是标准的正弦或余弦波，电压(流)峰值与有效值间不再有√2倍的关系，通过测量并比对电压峰值和有效值，也能对电源是否含有谐波成分了解一二——比值偏差越大，说明谐波含量越多。普通万用表的频率测试也能测量基波频率。
含有谐波的交流电波形
1.4测量平衡负载下中性线电流
平衡负载情况下，三相四线或三相五线线路中的中性线电流等于0。系统中一旦含有3倍次谐波(3、9、15…等奇次谐波)，谐波电流不但不会互相抵消，反而会叠加在一起(图1.5)，甚至超过相线电流，造成中性线过载，引起跳闸。
三次谐波在中性线上叠加
出现这种情况时，很容易用普通钳形电流表测到谐波电流，而无需使用昂贵的专业仪表。图1.6所示双显示钳形电流表，充分考虑了现场复杂恶劣的测量环境，无论测量位置如何变化，测量者总能从两个显示器之一看到读数，而且是实时数据，克服了“数据保持按钮”的缺点。
美国理想61-770系列双显示钳形电流表
1.5谐波提示
电工师傅们几乎人手一支的试电笔，之所以没有被五花八门的万用表所淘汰，就是因为它的简单、实用、有效。谐波测量工具中也有类似情况。图1.7所示钳形电流表就有这样的谐波提示功能，当仪表靠近被测电源时，如果总谐波含量小于5%时，则绿色CP(ClearPower)指示灯亮;反之，指示灯熄灭提示谐波超标。
图1.7美国理想61-700系列带谐波提示功能的钳形电流表
测量结果如此明确、简单，无需过多测量与计算，更不要求操作者掌握任何谐波判别知识就能完成测量任务。
2.测量电压偏差与不平衡度
顾名思义，这些指标都是通过测量电压数据再经计算得到的。专业电能质量分析仪能自动完成采集与计算任务，直接给出结果。用最普通的万用表测量数据，经人工计算同样能得到准确数据。这里需强调的并不是仪表测试能力，而是测试指标时必须符合标准要求的测试条件。
以“电压偏差”测试为例，标准《GB/T12325-2003供电电压允许偏差》的4.2、4.3规定：电力系统正常运行条件下，10kV及以下三相供电电压允许偏差为标称系统电压的±7%;220V单相供电电压允许偏差为标称系统电压的+7%～-10%;《GB50052供配电系统设计规范》4.0.4规定：正常运行情况下，用电设备端子处电压允许值在+5%～-10%之间，一般为±5%;《JGJ/T16-92民用建筑电气设计规范》3.3.3也有类似规定。
可见，所有涉及电压参数的测量，都要满足用电设备“正常运行情况下”这一条件。换言之，电压测量应在有额定负载的情况下进行。当然，如果空载状态下就能测量到明显电压偏差或不平衡，则说明供电系统已经存在严重故障，需立即排除。但大多少情况下，必须带载测量才能发现问题所在，否则精度再高的仪表也无法真实准确地得到数据。
原则上，当需对空载交流供电系统进行此类参数测量，或在调试过程中考虑设备安全不能直接接入真实负载时，必须使用足够功率的假负载。图2.1是使用常规仪表与假负载(电吹风机)，测量民用供电电压的情形。虽然测试本身并不复杂，但假负载使用起来毕竟不很方便。
现场带载测量电压降
为简化此类测试的操作，美国理想工业公司(IDEAL)推出了一款名为SureTest®(型号：61-164CN交流电路分析仪，能仿真负载快速测量线路电压降，使低压配电线路电压测量变得简单、快速、安全、有效。
使用美国理想61-164CN测试线路电压和带载能力
仪表还提供电源极性(零、火、地)辨别和导体阻抗测试功能，能发现零/地接反、零线过长等干扰引入因素，及时发现故障隐患(详见3.5中论述)。
3.测量电压波动和闪变、暂时过电压和瞬态过电压
由于这些项目都属于暂态瞬变指标，对测试仪表的功能和性能要求较高，即便对于专业电能质量分析仪，也需启动相应的测量程序逐一记录分析。不同用户有可能对不同指标是关心程度不同，应根据实际需要选择测量仪表。
我国现行国标只规定了“暂时过电压和瞬态过电压”指标，没有涉及“暂时欠压(或称：电压骤降)”指标。这方面可以借鉴国外相关标准。例如：CBEMA(Computer&BusinessEquipmentandManufactureAssociation计算机商用设备制造协会)曲线(图2.3)和ITIC(InformationTechnologyIndustryCouncil信息技术工业协会)曲线(图2.4)。
CBEMA曲线
ITIC曲线
ITIC曲线是在CBEMA曲线的基础上发展起来的，用以判定供电短暂过/欠压对设备的影响与设备对供电的适应能力。国外标准中把供电电压出现的随机、短时间异常都称为“电压事件”，与标准曲线对比后就能判断设备损坏是由于供电质量差引起，还是设备本身耐受力差所致。上文中提到的电压/谐波监测仪，其主要功能就是依据ITIC等标准曲线，检测记录异常电压事件，评判供电环境质量。由于仪表简单、无需复杂操作、不用连接计算机就能读取事件记录，特别适合与敏感电子设备配套使用。
美国理想61-830电压/谐波监测仪与敏感电子设备配套使用
三、改善电能质量的经济方法
测量本身只能帮助用户确定电能质量问题的来源，并不能改善供电环境和提高电能质量。对电能环境的治理还需要具体有效的措施。
排除发电和输配电环节的原因外，电能质量主要受负载和自然环境因素影响。使用大功率非线性负载设备的工业用户，不仅是供电系统的污染者，同时也是受害者，首先应改造设备本身，并使用谐波抑制设备和功率因数补偿设备。改造和增加设备都要求有资金投入，对中小工商业用户和普通居民用户，需要更简单、更廉价，同时又要有效、可行的方法。这里仅就中性线(零线)对电能质量的影响给出一些建议。
3.1按标准要求选择中性线截面积，减少谐波影响
低压供电线路布线中，相线与中性线一般使用相同截面导线，但在敏感电子设备和非线性负载多的场合，为降低3倍次谐波在中性线叠加造成不利影响，加大中性线截面积，无疑是最经济、最有效的方法。
《GB50054低压配电设计规范》2.2.6规定：“三相四线制配电系统中，中性线的允许载流量不应小于线路中最大不平衡负荷电流，且应计入谐波电流的影响”;《DB11/065北京市电气防火检测技术规范》5.1.4.3进一步明确：“给可控硅调光或计算机供电的三相四线制配电线路，其N线或PEN线截面积不应小于相线截面的两倍。”
3.2为谐波污染大的负载单独布线
同一条单相配电线路上，如果必须同时为敏感电子设备和频繁启动的大功率负载，或非线性负载供电，则可考虑将供电线路由总线式布线，变为星形布线，将“干扰源”与“敏感负载”分线供电，虽然导线数量有所增加，但能最大限度地降低负载间干扰，能在一定程度上免去添加治理设备的花费。
3.3防止零线出现大包绕环
雷电和外界电磁场会在包绕环上产生感生电压，抬高中性线对地(PE)线差模电压，造成设备运行异常或损坏。使用钳形接地电阻仪能方便地检查出是否有包绕环，解决办法就是剪断中性线导体。
美国理想61-092钳形接地电阻测试仪
3.4防止中性线开路
“断零”事故是最常见多发的供电事故，用户电气设备内的中性线或四极开关的中性极开路，将导致三相电压严重不平衡，设备因过压瞬间损坏。
3.5严格区分中性线与保护地线
《GB50052供电系统涉及规范》和《50054低压配电设计规范中》都要求TN-S(三相五线制)系统中的中性线(N)与保护地线(PE)要严格分开。《GB50311综合布线系统工程设计规范》6.1.2指出：“工作区电源插座……保护接地与零线应严格分开”。之所以有如此规定，是因为这两根导体在电源侧虽为同一结点，同为0电位，但其功能不同。中性线承载负载电流(含谐波等干扰);保护地线在平时正常状态下没有电流，是电磁干扰、静电和事故电流的泄放通路。两者一旦接反或混接，必然引入干扰，影响敏感设备运行，人为造成设备供电环境劣化。
四、总结
改善电能环境是涉及供配电、线路施工、用电设备、治理手段多个环节的系统工程，而电能参数的测量无疑是最基本和首要环节。测量电能质量并不一定必须使用昂贵仪表，而应注重能否解决用户实际问题。使用某种级别的仪表过程中，还要注意选择适当的测量方法。治理手段简单与否也不能和治理效果优劣划等号。在各方努力下，供电环境必将如自然环境一样，倍受重视，不断向理想境界迈进。