现在的电力产生及传送是透过三相交流电来完成。要了解电力品质监视及电力测量，首先必须对于三相电力的基本知识有所认识。

电力基本概念

身为一个机械工程师，常做的一个比喻就​​是将供电系统比喻成供水系统。在供水系统中，有输送水的水管。水管越大，它能够输送的水量就越多。要让水在水管中移动，就必须将水加压，当水有能力从高压地区移到低压地区时（例如当打开水龙头的时候），就会出现水流。反观我们的供电系统，便是以电线来取代水管。电线输送的不是水，而是电力。电线越粗，它能输送的电力越高。当施加电压时，便是为电子加压。当电路完成时，电子会从高电压流向低电压，也因此而得到电流。

在直流电路中，电压和电流是常数（负载恒定）。但是在交流电路中，电压和电流会以正弦曲线的方式改变。同时间点上的电压和电流值会根据其相位（phase）而随着时间而变化。

《图一 在单正弦波中，电压和电流值会根据相位而改变》

在交流电路中的相位指的是以角度来测量的电压值或电流值，360度构成一个完整的循环。相位角的正弦值与电压高低成正比。三相电力指的是三道彼此相距120度或三分之一圆的电压。这些电压（以及电流）通常使用三条电线来传输。

《图二 在三相电力中，正弦波相距120度》

三相电力是世界标准，因为在提供同样的电力时，它使用的导体材料比采用多部单相系统来得少，也来得小。三相电力也有能力以稳定的扭力来驱动马达，而不是单相马达那种震动式的扭力。由于每个相位以120度的差距携带相同的电压（并以平衡的负载携带电流），因此三个相位所提供的总电力是持续稳定的。

当使用电力时，就必须连接至负载。在交流电的情况下，理想的组态是在这三个相位都连接至一个相等的负载时，亦称为「平衡负载」（balanced load）。由于三个相位是以120度的差距来进行同步，因此可以将这三条电线以相同的负载一起连接到第四条电线，称为中性导体（neutral）。这称为wye形连接，原因是它出现在相量流程图中的样子。

《图三 显示wye形连接的相量流程图》

这三个相位也可以将之连接成三角形。虽然wye形连接可以透过将电流传送到中性电线上的方式来承受不平衡负载，三角​​形连接则没有中性电线，因此必须将负载平衡。

电力以瓦或千瓦（kw）为计算单位，当电流伴随着电压出现时即产生电力。一瓦相当于1伏特电压和1安培电流。使用电力一段时间之后，即完成「功」。功是以套用的电量乘以时间长度来计算，通常以千瓦小时（kwh）来表示。当检视交流电力系统时，可以看见当电压和电流的相位完全相符时，就可以完成最大的功，电压和电流的相位差越大，做的功越小。当信号的相位差为15度时，可以做成97％的功，60度时可以做成50％的功，而相差90％时，则做成0％的功。电压和电流的同相程度以功率因数（power factor）表示。

《图四 15度相位延迟的单相电力》

了解功率因数的方法之一，是想像一匹马沿着河道拖拉一辆平底货船。马必须从岸上拖拉货船，因此它拖拉货船的方向和船行进的方向构成一个角度。由于马以一个角度来进行拖拉的动作，因此并非马的所有力量都用来让货船沿着河道行进。马的力量就是总功率，或视在功率（apparent power）（kVA），用来移动货船的力量则是工作功率，或实功率（real power）（kW），而试图将货船拉向河道侧的力量则是无效功率，或称无功功率（reactive power）（kVAr）。实功率与视在功率的比例亦称之为功率因数。如果马贴进河道的边缘,绳索的角度就会减少,会有较多的视在功率做为实功率之用,提高功率因数。

《图五 了解功率因子的方法之一，是想象一匹马沿着河道拖拉一辆平底货船。只有拖拉角度的余弦值乘以马的总拉力的力量被用来移动货船。 》

在电力的情况下，功率因数是根据电流和电压正弦波之间的相位差来决定。如果相位为零，那么所有的视在功率都可以用做实功率，功率因数为1。这也称为整功率因数（unity power factor）。当相位差提高时，功率因数会降低，就需要供应更多电流，才能提供同样数量的实功率。

受电力品质影响的项目（Power Quality Events）

今天，有许多设备使用敏感的电脑化设备或电信设备，以地面做为所有内部作业及全机构连线的参考点。这种情形使它们容易受到地面差异和电力品质问题的影响。虽然许多人认为大部份的电力品质问题来自于电力供应者，但是大部份的电力品质问题都是在机构内部产生的。

额外/损耗功率

由于电力公司必须提供额外的电流，以补偿较低的功率因数，因此他们必须提高其基础设施，以产生及处理较大的电流。他们以功率因素为根据，将这个额外的费用转嫁给消费者。在一座工厂里，功率因数（或电压和电流波的相位差）是由电感负载（inductive load）和电容负载（capacitive load）造成的。电感负载（例如马达）会导致电流落后于电压。电容器则会造成相反的效果，导致电流先于电压。由于一般的工厂用80％的电力来驱动马达，因此大部份工厂拥有的是「延迟功率因数」。为了补偿这一点，许多工厂会装设电容贮电模组，协助纠正功率因数，并节省电费。

《图六 单相120A正弦波，具备35安培的第三阶谐波》

RMS电压变数

RMS（均方根）是测量正弦曲线波的标准方法。如果波型是正弦波的RMS值相当于直流电信号波型的当量值。就电力而言，电压（以及电流）高低是以RMS来测量。 RMS电压变数有三种类型：sag、swell以及interruption。

Sag是指当RMS电压降低到标准RMS的90％以下，但是大于正常电压的10％时。 Swell则是指电压提高到标准RMS的110％时。 Interruption是指RMS电压降低到低于正常电压的10％时。

Sag是最常见的电力品质干扰因素，通常是由工厂内部的问题造成，而非电力设施的供电问题。由电力设施导致的Sag通常是因为负载变化或接线不正确所导致的。导致sag的常见原因之一，是启动电力马达。当马达启动时，会产生非常高的流入电流（有时候比正常的操作电流高了6～10倍）。

电力公司中的Interuptions通常是因为电路中断器或保险丝未能提供保护所造成的。有时候则是因为线路松脱导致。

Swell通常是因为负载迅速减少所造成的，例如关闭电热器。

持续时间超过三分钟的Sag和swell称为持续电压不足（sustained undervoltage）或电压过高状况。持续电压不足（亦称欠压）是由于不正确的变电器接点设定或供电公司之供电问题所造成的。 Sag和interruption会导致设施的问题，诸如关闭敏感的电路、电脑或处理设备。

波型谐波(Waveform Harmonics)

虽然我们把电力想像成干净的60 Hz正弦波，实际上真正的波形中可能包含其它的谐波。谐波发生的时机是在基本频率的整数倍时（60Hz、120Hz、180 Hz. . .）。波形谐波造成的电力品质问题通常是由具备非线性电流的设备造成的。现代的电力设备（例如电脑化的设备及电信设备）往往使用切换型电源供应器让电力「逐步」上升或下降。这样会产生非正弦负载，在每次循环中以短暂脉波拉扯电流。其它的非线性设备（例如数位/电子元件及日光灯之类的设备）可能会导致不正常的波型，使电力品质大幅下降。以非线性方式拉扯电流，会在电力系统中产生谐波，可能令工厂配电变压器过热。在wye型电力系统中，这些谐波可能导致电流透过中性导体（neutral conductor）中传输。在一个理想的平衡三相电力系统中，没有更高阶数的谐波，中性导体中并没有电流传输。当非线性设备产生谐波时，来自三个相位的电流不再抵销，电流被迫经过中性导体。电力系统尤其容易受到三次谐波序列（第三、第六、第九等等）的影响，因为在三相系统中，三次谐波序列是相加的。

《图七 三相120A正弦波，具备35安培的第三阶谐波。中性线路的180A波峰上有电波突波。》

这道高电流会令电路、断路器及变电器过载。在某些状况下，工厂被迫安装电力调节设备，或是第二个中性导体。

结语

一个基本的电力品质系统能够监督来自各相的电压和电流。如果怀疑有不平衡负载或谐波产生，也可能监督中性线路上的电压和电流。基本的电力测量系统会监督来自三个相位的RMS电压及电流，并监督功率因数。

电力品质监视和电力测量可以让工厂进行可预期的维护、能源管理、成本管理，以及品质控制。

（作者任职于NI美商国家仪器）

延 伸 阅 读

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