現在的電力產生及傳送是透過三相交流電來完成。要了解電力品質監視及電力測量，首先必須對於三相電力的基本知識有所認識。

電力基本概念

身為一個機械工程師，常做的一個比喻就是將供電系統比喻成供水系統。在供水系統中，有輸送水的水管。水管越大，它能夠輸送的水量就越多。要讓水在水管中移動，就必須將水加壓，當水有能力從高壓地區移到低壓地區時（例如當打開水龍頭的時候），就會出現水流。反觀我們的供電系統，便是以電線來取代水管。電線輸送的不是水，而是電力。電線越粗，它能輸送的電力越高。當施加電壓時，便是為電子加壓。當電路完成時，電子會從高電壓流向低電壓，也因此而得到電流。

在直流電路中，電壓和電流是常數（負載恆定）。但是在交流電路中，電壓和電流會以正弦曲線的方式改變。同時間點上的電壓和電流值會根據其相位（phase）而隨著時間而變化。

《圖一　在單正弦波中，電壓和電流值會根據相位而改變》

在交流電路中的相位指的是以角度來測量的電壓值或電流值，360度構成一個完整的循環。相位角的正弦值與電壓高低成正比。三相電力指的是三道彼此相距120度或三分之一圓的電壓。這些電壓（以及電流）通常使用三條電線來傳輸。

《圖二　在三相電力中，正弦波相距120度》

三相電力是世界標準，因為在提供同樣的電力時，它使用的導體材料比採用多部單相系統來得少，也來得小。三相電力也有能力以穩定的扭力來驅動馬達，而不是單相馬達那種震動式的扭力。由於每個相位以120度的差距攜帶相同的電壓（並以平衡的負載攜帶電流），因此三個相位所提供的總電力是持續穩定的。

當使用電力時，就必須連接至負載。在交流電的情況下，理想的組態是在這三個相位都連接至一個相等的負載時，亦稱為「平衡負載」（balanced load）。由於三個相位是以120度的差距來進行同步，因此可以將這三條電線以相同的負載一起連接到第四條電線，稱為中性導體（neutral）。這稱為wye形連接，原因是它出現在相量流程圖中的樣子。

《圖三　顯示wye形連接的相量流程圖》

這三個相位也可以將之連接成三角形。雖然wye形連接可以透過將電流傳送到中性電線上的方式來承受不平衡負載，三角形連接則沒有中性電線，因此必須將負載平衡。

電力以瓦或千瓦（kw）為計算單位，當電流伴隨著電壓出現時即產生電力。一瓦相當於1伏特電壓和1安培電流。使用電力一段時間之後，即完成「功」。功是以套用的電量乘以時間長度來計算，通常以千瓦小時（kwh）來表示。當檢視交流電力系統時，可以看見當電壓和電流的相位完全相符時，就可以完成最大的功，電壓和電流的相位差越大，做的功越小。當信號的相位差為15度時，可以做成97％的功，60度時可以做成50％的功，而相差90％時，則做成0％的功。電壓和電流的同相程度以功率因數（power factor）表示。

《圖四　15度相位延遲的單相電力》

了解功率因數的方法之一，是想像一匹馬沿著河道拖拉一輛平底貨船。馬必須從岸上拖拉貨船，因此它拖拉貨船的方向和船行進的方向構成一個角度。由於馬以一個角度來進行拖拉的動作，因此並非馬的所有力量都用來讓貨船沿著河道行進。馬的力量就是總功率，或視在功率（apparent power）（kVA），用來移動貨船的力量則是工作功率，或實功率（real power）（kW），而試圖將貨船拉向河道側的力量則是無效功率，或稱無功功率（reactive power）（kVAr）。實功率與視在功率的比率亦稱之為功率因數。如果馬貼進河道的邊緣，繩索的角度就會減少，會有較多的視在功率做為實功率之用，提高功率因數。

《圖五　了解功率因數的方法之一，是想像一匹馬沿著河道拖拉一輛平底貨船。只有拖拉角度的餘弦值乘以馬的總拉力的力量被用來移動貨船。 》

在電力的情況下，功率因數是根據電流和電壓正弦波之間的相位差來決定。如果相位為零，那麼所有的視在功率都可以用做實功率，功率因數為1。這也稱為整功率因數（unity power factor）。當相位差提高時，功率因數會降低，就需要供應更多電流，才能提供同樣數量的實功率。

受電力品質影響的項目（Power Quality Events）

今天，有許多設備使用敏感的電腦化設備或電信設備，以地面做為所有內部作業及全機構連線的參考點。這種情形使它們容易受到地面差異和電力品質問題的影響。雖然許多人認為大部份的電力品質問題來自於電力供應者，但是大部份的電力品質問題都是在機構內部產生的。

額外/損耗功率

由於電力公司必須提供額外的電流，以補償較低的功率因數，因此他們必須提高其基礎設施，以產生及處理較大的電流。他們以功率因素為根據，將這個額外的費用轉嫁給消費者。在一座工廠裡，功率因數（或電壓和電流波的相位差）是由電感負載（inductive load）和電容負載（capacitive load）造成的。電感負載（例如馬達）會導致電流落後於電壓。電容器則會造成相反的效果，導致電流先於電壓。由於一般的工廠用80％的電力來驅動馬達，因此大部份工廠擁有的是「延遲功率因數」。為了補償這一點，許多工廠會裝設電容貯電模組，協助糾正功率因數，並節省電費。

《圖六　單相120A正弦波，具備35安培的第三階諧波》

RMS電壓變數

RMS（均方根）是測量正弦曲線波的標準方法。如果波型是正弦波的RMS值相當於直流電信號波型的當量值。就電力而言，電壓（以及電流）高低是以RMS來測量。RMS電壓變數有三種類型：sag、swell以及interruption。

Sag是指當RMS電壓降低到標準RMS的90％以下，但是大於正常電壓的10％時。Swell則是指電壓提高到標準RMS的110％時。Interruption是指RMS電壓降低到低於正常電壓的10％時。

Sag是最常見的電力品質干擾因素，通常是由工廠內部的問題造成，而非電力設施的供電問題。由電力設施導致的Sag通常是因為負載變化或接線不正確所導致的。導致sag的常見原因之一，是啟動電力馬達。當馬達啟動時，會產生非常高的流入電流（有時候比正常的操作電流高了6～10倍）。

電力公司中的Interuptions通常是因為電路中斷器或保險絲未能提供保護所造成的。有時候則是因為線路鬆脫導致。

Swell通常是因為負載迅速減少所造成的，例如關閉電熱器。

持續時間超過三分鐘的Sag和swell稱為持續電壓不足（sustained undervoltage）或電壓過高狀況。持續電壓不足（亦稱欠壓）是由於不正確的變電器接點設定或供電公司之供電問題所造成的。Sag和interruption會導致設施的問題，諸如關閉敏感的電路、電腦或處理設備。

波形諧波（Waveform Harmonics）

雖然我們把電力想像成乾淨的60 Hz正弦波，實際上真正的波形中可能包含其它的諧波。諧波發生的時機是在基本頻率的整數倍時（60Hz、120Hz、180 Hz. . .）。波形諧波造成的電力品質問題通常是由具備非線性電流的設備造成的。現代的電力設備（例如電腦化的設備及電信設備）往往使用切換型電源供應器讓電力「逐步」上升或下降。這樣會產生非正弦負載，在每次循環中以短暫脈波拉扯電流。其它的非線性設備（例如數位/電子元件及日光燈之類的設備）可能會導致不正常的波型，使電力品質大幅下降。以非線性方式拉扯電流，會在電力系統中產生諧波，可能令工廠配電變壓器過熱。在wye型電力系統中，這些諧波可能導致電流透過中性導體（neutral conductor）中傳輸。在一個理想的平衡三相電力系統中，沒有更高階數的諧波，中性導體中並沒有電流傳輸。當非線性設備產生諧波時，來自三個相位的電流不再抵銷，電流被迫經過中性導體。電力系統尤其容易受到三次諧波序列（第三、第六、第九等等）的影響，因為在三相系統中，三次諧波序列是相加的。

《圖七　三相120A正弦波，具備35安培的第三階諧波。中性線路的180A波峰上有電波突波。》

這道高電流會令電路、斷路器及變電器過載。在某些狀況下，工廠被迫安裝電力調節設備，或是第二個中性導體。

結語

一個基本的電力品質系統能夠監督來自各相的電壓和電流。如果懷疑有不平衡負載或諧波產生，也可能監督中性線路上的電壓和電流。基本的電力測量系統會監督來自三個相位的RMS電壓及電流，並監督功率因數。

電力品質監視和電力測量可以讓工廠進行可預期的維護、能源管理、成本管理，以及品質控制。

（作者任職於NI美商國家儀器）

延 伸 閱 讀

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