諧波對(duì)平均值原理儀表測(cè)量的影響分析

鐘曉珊

【摘 要】諧波在電力系統(tǒng)中的問(wèn)題日趨嚴(yán)重，目前電力系統(tǒng)中大多采用的是整流式儀的交流電壓表與電流表， 這種儀表的工作原理是首先獲取電網(wǎng)中電壓以及電流的平均值， 利用平均值和與有效值之間的比例關(guān)系獲得信號(hào)的有效值。因?yàn)樵O(shè)計(jì)是按照50 Hz的正弦波標(biāo)準(zhǔn)，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓與負(fù)荷電流中產(chǎn)生高次諧波時(shí)，此類儀表的正常工作便會(huì)受到影響。可見(jiàn)諧波對(duì)平均值原理儀表的測(cè)量結(jié)果存在著原理性的誤差。

【關(guān)鍵詞】諧波；平均值；誤差

我國(guó)電力電子技術(shù)不斷發(fā)展，如今在在各行各業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用。但是整流裝置的應(yīng)用卻為電力系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的畸變波形， 使我國(guó)供電質(zhì)量有所下降。在眾多的交流測(cè)量?jī)x表中， 之前一般使用的是電磁式儀表。但是，近些年整流式的交流電壓表與電流表相繼出現(xiàn)在了電網(wǎng)中。整流式儀表是由整流電路以及磁電式儀表兩部分組合而成的。之所以整流式儀表會(huì)得到廣泛的應(yīng)用是因?yàn)槠淇潭仁蔷€性的。整流式儀表在正弦波時(shí)不會(huì)產(chǎn)生附加的誤差，但是在非正弦波的情況下測(cè)量結(jié)果便會(huì)受到很大的影響。

一、諧波的產(chǎn)生原因以及危害

在理想的供電系統(tǒng)中，電流與電壓都是正弦波。在只含有線性原件的簡(jiǎn)單電路里，流過(guò)的電流與施加的電壓將成正比。但是在實(shí)際電力系統(tǒng)中的負(fù)載往往是非線性的。當(dāng)電流流經(jīng)這樣的負(fù)載時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生與所加電壓不呈線性關(guān)系的非正弦電流，也就是諧波。

理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備環(huán)境惡化，并干擾其他設(shè)備。

電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用以前，人們對(duì)諧波及其危害就進(jìn)行過(guò)一些研究，并有一定認(rèn)識(shí)，但還沒(méi)有引起足夠的重視。近三四十年來(lái)，各種電力電子裝置的迅速發(fā)展使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴(yán)重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生，引起人們高度的關(guān)注。

諧波的危害十分嚴(yán)重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對(duì)于電力系統(tǒng)外部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害：

1、加大企業(yè)的電力運(yùn)行成本

由于諧波不經(jīng)治理是無(wú)法自然消除的，因此大量諧波電壓電流在電網(wǎng)中游蕩并積累疊加導(dǎo)致線路損耗增加、電力設(shè)備過(guò)熱，加大了電力運(yùn)行成本，電費(fèi)支出。

2、降低了供電的可靠性

諧波電壓在許多情況下能使正弦波變得更尖，不僅導(dǎo)致變壓器、電容器等電氣設(shè)備的磁滯及渦流損耗增加，而且使絕緣材料承受的電應(yīng)力增大。諧波電流能使變壓器的銅耗增加，所以變壓器在嚴(yán)重的諧波負(fù)荷下將產(chǎn)生局部過(guò)熱，噪聲增大，從而加速絕緣老化，縮短了變壓器、電動(dòng)機(jī)的使用壽命，降低供電可靠性，造成斷電的嚴(yán)重后果。

3、引發(fā)供電事故的發(fā)生

電網(wǎng)中含有大量的諧波源（變頻或整流設(shè)備）以及電力電容器、變壓器、電纜、電動(dòng)機(jī)等負(fù)荷，這些電氣設(shè)備處于經(jīng)常的變動(dòng)之中，極易構(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)的諧振條件。當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)配合不利時(shí)，在一定的頻率下，形成諧波振蕩，產(chǎn)生過(guò)電壓或過(guò)電流，危及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，如不加以治理極易引發(fā)輸配電事故的發(fā)生。

4、導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作

對(duì)旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)，由于諧波電流或諧波電壓在定子繞組、轉(zhuǎn)子回路及鐵芯中產(chǎn)生附加損耗，從而降低發(fā)輸電及用電設(shè)備的效率，更為嚴(yán)重的是諧波振蕩容易使汽輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生震蕩力矩，可能引起機(jī)械共振，造成汽輪機(jī)葉片扭曲及產(chǎn)生疲勞循環(huán)，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作。

二、諧波對(duì)平均值原理儀表測(cè)量誤差分析

當(dāng)信號(hào)為正弦波時(shí)， 有效值與平均值的關(guān)系為：A1=1.11A2（其中A1是電流或者電壓的有效值；A2表示電流或者電壓的平均值）。此時(shí)，波形系數(shù)為kf = A1/ A2= 1. 11。按照這個(gè)關(guān)系獲取交流電壓或者電流的有效值的時(shí)候，如果被測(cè)的信號(hào)不是正弦波，則會(huì)產(chǎn)生極大的測(cè)量偏差。

1、單一諧波

經(jīng)計(jì)算得出單一偶次、3次以及5次諧波在不同諧波含量、不同相位角時(shí)的誤差值分別如表1-1、表1-2、表1-3 所示。

綜表1-1、表1-2、表1-3可看出：

（1）單一偶次諧波產(chǎn)生的誤差與諧波的次數(shù)沒(méi)有關(guān)系，并且都是負(fù)誤差；相對(duì)奇次諧波而言，偶次諧波引起的誤差相對(duì)較少；

（2）奇次諧波的誤差比較大， 其中3次諧波最大， Kn= 0. 03時(shí)， 誤差值最大分別為0. 956%和-1. 045% ， Kn= 0. 10時(shí)， 誤差值最大分別為2. 821%和-3.813%。

2、多次諧波

實(shí)際系統(tǒng)中的波形是多次諧波的疊加， 且諧波頻次越高， 含量越小。根據(jù)長(zhǎng)期理論和實(shí)際研究， 將2、3、4、5、6、7 次諧波分別按照40%、25%、15% 、10%、6%、4%比例混合， 諧波總量以畸變率表示分析計(jì)算，如圖1 所示。

表1-1 偶次諧波對(duì)平均值原理儀表的誤差

表1-2 3次諧波對(duì)平均值原理儀表的誤差（%）

表1-3 5次諧波對(duì)平均值原理儀表的誤差（%）

圖1 諧波對(duì)平均值原理儀表的誤差分析

圖1描述的是不同相位角、多次諧波下，平均值原理儀表的誤差結(jié)果。由圖可知，在同一個(gè)的諧波含量下，相位角從0°～180°，誤差值由正逐漸變成負(fù)， 并且負(fù)誤差值更大。

3、實(shí)際分析

然而電力系統(tǒng)中的波形是多種多樣且不斷變化的，實(shí)際的誤差只有根據(jù)實(shí)際的波形方能準(zhǔn)確地計(jì)算出來(lái)。為了說(shuō)明情況，此處將選擇實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的波形、數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。對(duì)普通的日常用電， 利用平均值原理儀表測(cè)量，盡管各次諧波會(huì)產(chǎn)生正負(fù)不同的誤差， 但是大部分的誤差之間可以相互抵消， 誤差僅為0. 2%左右。然而，對(duì)其它高畸變率的線路，由于各次諧波相位方向接近，測(cè)量的誤差則會(huì)更大。高壓電網(wǎng)對(duì)電壓諧波畸變率的要求不高于3%， 事實(shí)上，隨著非線性設(shè)備的增多與 電氣化的鐵路發(fā)展， 許多的線路早已超過(guò)了其規(guī)定值范圍。此時(shí)仍然采用平均值原理儀表， 便會(huì)產(chǎn)生原理性的誤差，并且極有可能超過(guò)系統(tǒng)里規(guī)定的誤差范圍。

4、結(jié)論

依照上述分析， 諧波對(duì)平均值原理儀表的影響是不容小覷的， 特別是3次諧波的影響，在電網(wǎng)中要格外重視。

（1）平均值原理儀表測(cè)量時(shí)，對(duì)正弦波信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生附加誤差，而對(duì)非正弦波的信號(hào)則會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差；

（2）單一偶次諧波不會(huì)引起很大的誤差。其誤差值比較小，誤差值不受諧波次數(shù)影響并且均為負(fù)誤差；

（3）奇次諧波的誤差通常是很大的。最大的誤差往往是由3次諧波引起的；

（4）由各次諧波引起的誤差在實(shí)際的電路中大多可相互抵消。但隨著非線性負(fù)載的增加與電氣化鐵路的快速發(fā)展，由諧波分量導(dǎo)致的測(cè)量誤差是不容忽略的。所以，在測(cè)量電網(wǎng)電壓、電流有效值的時(shí)候。建議盡量避免采用平均值原理儀表，從而減小非正弦波形測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的原理性誤差。

三、總結(jié)

隨著對(duì)非線性電力設(shè)備應(yīng)用的增加，電系統(tǒng)中的諧波問(wèn)題亦越來(lái)越嚴(yán)重。諧波問(wèn)題不僅可造成電力設(shè)備的損壞，使線路絕緣老化，還會(huì)給計(jì)算機(jī)、電視系統(tǒng)等電子設(shè)備的正常工作帶來(lái)影響，從而擾亂人們的正常生活。根據(jù)諧波產(chǎn)生的原因和諧波的特性，利用相應(yīng)的手段進(jìn)行抑制，既可以使諧波對(duì)設(shè)備的影響減小，延長(zhǎng)設(shè)備的使用年限，還能夠使配電系統(tǒng)的波動(dòng)有所降低，從而提高供電質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]葛毅，廖瑞金，解兵，張一軍.諧波對(duì)平均值原理儀表測(cè)量的影響分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào).2004（5）

[2]李漢偉.諧波對(duì)電氣系統(tǒng)的影響及其抑制方法[J]. 鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì).2008（3）

[3]王靜.電壓有效值測(cè)量[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào).2011（11）