電力諧波對電能計量的影響研究

【摘要】非線性電力設(shè)備使電網(wǎng)受到了極大的諧波污染。諧波污染不僅影響電能質(zhì)量，還使電力部門電能計量表漏計，嚴重影響了供電企業(yè)的供電安全性和可靠性本文將根據(jù)諧波污染來源和原理對非線性負載用戶的諧波進行綜合治理，同時分析諧波對兩種常用電能計量表的影響特征，減少電力諧波的污染。

【關(guān)鍵詞】電力諧波；電能計量；電子式電能表；感應(yīng)式電能表

1、前言

電能計量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)發(fā)電量、線損、煤耗、廠用電、供電量、用電量等各項技術(shù)指標的計算，也是電力系統(tǒng)收費的依據(jù)，不僅涉及到電力公司的經(jīng)濟效益，還關(guān)系到電力用戶的直接利益。新型用電設(shè)備隨著科技的發(fā)展越來越多，大功率整流設(shè)備、電弧爐等非線性負荷日益增多，造成電壓、電流畸形變化，產(chǎn)生了大量的高次諧波。電力諧波會對電能計量的準確性和合理性產(chǎn)生非常大的影響，直接影響了電力供需雙方的經(jīng)濟效益，還間接影響了社會經(jīng)濟效益。本文將采取理論分析結(jié)合仿真實現(xiàn)的方法來研究電力諧波對電能計量產(chǎn)生的影響。使電能計量恢復(fù)安全、有效、合理的工作狀態(tài)。為了計算產(chǎn)、供、銷各個環(huán)節(jié)中流通的電能數(shù)量，讓經(jīng)濟核算更加準確，生產(chǎn)調(diào)度更加合理，在線路中裝設(shè)大量的電能計量裝置。電能計量的準確度直接影響著電能管理的效率和科學(xué)化水平，電能計量的準確度是由電能表誤差、所連接的電壓互感器誤差和電流互感器誤差加上電能表到互感器的二次回路連線壓降誤差等諸項誤差的綜合。

2、電力諧波類型和諧波源

產(chǎn)生電力諧波的原因眾多，但是常見的幾個方面是：

2.1電源質(zhì)量不高容易產(chǎn)生諧波。發(fā)電機三相繞組在制作上很難達到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻。所以發(fā)電源也會產(chǎn)生一些諧波。輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波。輸配電系統(tǒng)中的諧波主要有變壓器產(chǎn)生。變壓器諧波源是以前主要的諧波源，只不過它是以3次諧波為主的奇次諧波，量值小，是有限的諧波源。直到電力電子裝備出現(xiàn)后，變壓器諧波已經(jīng)不再屬于重要諧波源。

2.2用電設(shè)備產(chǎn)生諧波。電子開關(guān)型。各種整流設(shè)備、逆變設(shè)備、交流調(diào)壓設(shè)備、變頻設(shè)備。這些裝置優(yōu)先采用橋式整流器和大電容器濾波作為AC/DC變換器，大量濾波電容器使二級管的通角變小，因而導(dǎo)致直流輸入電流波形變化畸形。電氣化機車、靜止補償裝置中的可控電抗器和飽和電抗器、高新技術(shù)產(chǎn)品中的元件，如敏感電子器件等都容易產(chǎn)生電力諧波。

2.3鐵磁飽和型。電網(wǎng)中的變壓器群，其鐵心飽和特性呈非線性。在冶金、化工等企業(yè)和家庭用電中的電力系統(tǒng)直流電中容易產(chǎn)生諧波。

2.4電弧爐。工業(yè)用電弧爐，比如煉鋼爐

3、電力諧波的危害

電力諧波不僅污染電磁環(huán)境，還影響電氣設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)和用電效率，嚴重時還危害電力系統(tǒng)的安全運行。

3.1產(chǎn)生附加損耗，使設(shè)備溫度升高 諧波電流比例較小，但是有效電阻能夠使諧波增大，特別是有鐵心的電氣設(shè)備中鐵心磁滯損耗和渦流損耗也會增大。降低了發(fā)電、輸電、用電設(shè)備的效率。損耗增大致使設(shè)備溫度升高，加速局部部位發(fā)熱，使設(shè)備加速老化。

3.2影響電氣設(shè)備正常工作 諧波電流和電機旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩使電機產(chǎn)生機械振動、噪聲、過電壓。容易使設(shè)備過熱、絕緣老化。

3.3干擾信號 諧波會干擾通信系統(tǒng)、降低信號傳播質(zhì)量、破壞信號正常傳遞，甚至損壞通信設(shè)備。

3.4降低經(jīng)濟效益 諧波能夠直接對經(jīng)濟效益產(chǎn)生影響。比如廣東省某電氣鐵路牽引站。變壓器總?cè)萘繛?1.5MWA，諧波負荷總和為0.88MWA，基波負荷為11.481MWA，諧波符合和和基波負荷的比值為0.768%。牽引站年用電量為96GWh，一年損失的電量為737MWh。如果電費按照0.5元/kWh計算，將損失36.85萬元。所以諧波污染嚴重影響著電力公司的成本。

4、電力諧波的測量

解決諧波污染必須依賴于諧波測量，諧波測量可以實地檢測電網(wǎng)中諧波含量和潮流方向，由此分析正反諧波電量、各次諧波含有率、諧波電壓電流幅值、相位等參數(shù)。但是諧波具有非線性、隨機性、分布性、不平穩(wěn)性等特征，很難對其進行準確測量。諧波源檢測辨識方法有：有功功率方向法、臨界阻抗法、最小二乘狀態(tài)估計法、負荷分離法等相關(guān)算法。電磁感應(yīng)式電能表隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷改革。傅立葉變換法可以計算各次諧波分量，分析電力系統(tǒng)中的諧波。理論上，傅立葉可以進行諧波分析，但是被變換的波形必須是周期性和不變的。只有在畸形持續(xù)保持無限周期性變化時才能使用這種測量方式。而實際上電力系統(tǒng)負荷是隨時變動的，電力諧波也是隨時變動的，只有在被分析現(xiàn)象持續(xù)一段時間的周期性就可以采用傅立葉變換法。用MATLAB仿真工具，分析了兩類計量裝置的誤差頻率特性，并通過對諧波在線性負載和非線性負載下消耗電能情況的計算公式推導(dǎo)，指出現(xiàn)行計量方式存在的不合理性，并提出了一種新型的電能計量方式。

5、電磁感應(yīng)式電能表

從1880年愛迪生制作的世界上最早的電能表—直流電能表，到如今的感應(yīng)式電能表。電能表的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的演變。感應(yīng)式電能表克服了早期電能表的缺點，有制造簡單、運行可靠、價格便宜的優(yōu)點。電磁感應(yīng)式電能表工作原理是通過電磁感應(yīng)元件來驅(qū)動機械計數(shù)裝置，記錄電量值。傳統(tǒng)的電能表因為系統(tǒng)頻率和諧波容易產(chǎn)生很多誤差，它是按照基波來設(shè)計，但是還有高次諧波分量電壓和電流使電能表的電壓線圈的阻抗和旋轉(zhuǎn)圓盤阻抗發(fā)生變化，使工作電壓磁通和工作電流磁通發(fā)生變化，電磁轉(zhuǎn)盤驅(qū)動力也發(fā)生變化，因此電能表計量發(fā)生誤差。

6、電力諧波對感應(yīng)式電能表產(chǎn)生影響

電能質(zhì)量和電力諧波質(zhì)量標準三個參數(shù)是：電壓、頻率、波形。國家對電力供應(yīng)中的電壓、頻率和波形的質(zhì)量標準，在有關(guān)法規(guī)中已有明確規(guī)定：用戶受電端電壓變動幅度：35kV及以上電壓允許偏差±5%；10kV及低壓用戶允許偏差±7%；220V照明用戶電壓允許偏差+5%、-10%。電壓為純正弦，電流波形畸變時，由于磁路的非線性，電壓磁通并非隨正弦電壓作線性變化，如同在磁路中附加了諧波磁通相當于附加了諧波電壓，它們與同次的諧波電流作用，會產(chǎn)生附加驅(qū)動力矩。所以電力諧波對感應(yīng)式電能表也產(chǎn)生影響。

7、諧波抑制

換流裝置是供電系統(tǒng)主要諧波之一，所以增加換流裝置的相數(shù)能夠在一定程度上減少諧波。增加換流裝置的脈動數(shù)，裝置在其交流側(cè)與直流側(cè)產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)可以有效的清除幅值較大的低頻項，從而大大地降低了諧波電流的有效值。在諧波源附近采取各種措施防止諧波電流產(chǎn)生是減少諧波電流最直接方法。

8、結(jié)尾

電力諧波對電能計量的準確性和合理性有很大的影響。在電能計算過程中可以以基波電能為主，合理計算用戶電費。并且從諧波源和諧波特性著手，分析諧波對電能計量的重點影響部位，提出有效的諧波測量方法和諧波抑制措施，為電力系統(tǒng)電能計算的準確性提供解決方案。

參考文獻

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