諧波對(duì)電能計(jì)量的影響分析

呂云現(xiàn) 侯新成 王桂娥

國(guó)網(wǎng)山東鄆城縣供電公司 山東鄆城 274700

摘要：電網(wǎng)中大量的電力諧波使得電能表電能計(jì)量的合理性和準(zhǔn)確性受到很大干擾，損害電力企業(yè)和電力用戶的緊急利益，因此必須采取有效的解決方法，不斷提高電能表電能計(jì)量的準(zhǔn)確性。本文首先分析了諧波產(chǎn)生原因及危害，然后闡述了諧波對(duì)電能計(jì)量的影響，最后探討了降低諧波對(duì)電能計(jì)量影響的措施。

關(guān)鍵詞：諧波；電能計(jì)量；互感器；電能表

一、諧波產(chǎn)生原因及危害

諧波產(chǎn)生的根源在于諧波電流源，傳統(tǒng)電網(wǎng)中諧波源為變壓器和發(fā)電機(jī)，現(xiàn)階段多為電網(wǎng)用電子元件設(shè)備。由于非線性電子設(shè)備中正弦電壓的使用，設(shè)備電流與電壓存在波動(dòng)類型差異，電流波形發(fā)生變化，諧波聯(lián)通入電網(wǎng)中，形成諧波源。諧波對(duì)與電動(dòng)機(jī)、變壓器及其他電子元器件的影響巨大，其具體危害如下：

（一）影響旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)工作

由于旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)基波頻率低于諧波頻率，在諧波入侵的情況下所引起的電動(dòng)機(jī)渦流作用等，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)能耗的增加，同時(shí)造成鐵損等不良現(xiàn)象。

（二）危害電力變壓器安全

變壓器正常工作時(shí)產(chǎn)生的諧波極小，對(duì)于儀器的正常運(yùn)行無(wú)太大影響。但當(dāng)變壓器啟動(dòng)瞬間，其設(shè)備中的諧波瞬時(shí)量巨大，可能為額定電流的數(shù)倍，雖然持續(xù)時(shí)間較短，但過(guò)大的電流會(huì)降低設(shè)備使用壽命，甚至造成設(shè)備的損壞。

（三）影響電力電容器工作

作為常用電子元器件，電容器由于結(jié)構(gòu)的特殊性，極易受到諧波的影響。電容器設(shè)備運(yùn)行主要依靠元件的充電、放電，該過(guò)程中諧波產(chǎn)生的可能性很大，影響電容器的正常工作。

（四）干擾通信線路的使用

諧波對(duì)于通信線路的干擾主要表現(xiàn)在電磁感性、電氣傳導(dǎo)等現(xiàn)象中。在載波通信時(shí)，諧波混入通信線路，會(huì)影響通信聲音的清晰程度，影響通信質(zhì)量。

二、諧波對(duì)電能計(jì)量的影響

（一）對(duì)電能計(jì)量裝置的影響

1、諧波對(duì)互感器的影響

根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)證明，互感器的頻響特性和互感器的精確等級(jí)有關(guān)。電流互感器（TA）在1kHz的范圍內(nèi)幅頻特性是平坦的，當(dāng)頻率低于20kHz時(shí)，TA的幅度誤差小于3%。但對(duì)電壓互感器（TV）測(cè)試表明，當(dāng)互感器的負(fù)載電阻為100時(shí)，各類電壓互感器幅值誤差達(dá)到3%的頻率為1～6kHz。而且對(duì)奇次諧波而言，TV變比誤差隨諧波次數(shù)增加而非線性地增大，TV的負(fù)載對(duì)其頻響特性的影響無(wú)明顯規(guī)律；對(duì)偶次諧波而言，TV變比誤差的非線性增加比奇次諧波時(shí)更快。

2、諧波對(duì)感應(yīng)式電能表的影響

感應(yīng)式電能表是針對(duì)非常狹窄頻率范圍的正弦電流和電壓波形而設(shè)計(jì)的。當(dāng)頻率與額定頻率不同時(shí)，會(huì)引起電流、電壓工作磁通幅值及它們之間相位角的改變，使驅(qū)動(dòng)力矩、抑制力矩、補(bǔ)償力矩及鐵芯損耗發(fā)生相對(duì)變化，從而引起感應(yīng)式電能表計(jì)數(shù)誤差的變化。感應(yīng)式電能表頻響曲線的平坦與否，對(duì)它在諧波功率下的計(jì)數(shù)影響甚大。頻響特性曲線下降的原因是感應(yīng)式電能表轉(zhuǎn)盤渦流路徑的等效轉(zhuǎn)盤阻抗及其阻抗角隨頻率增高而增大所致。當(dāng)電壓和電流均發(fā)生畸變時(shí)產(chǎn)生了諧波功率，感應(yīng)式電能表基本上忽略了5次以上的高次諧波功率。感應(yīng)式電能表少計(jì)量3次諧波功率5%～30%、5次諧波功率80%～95%。值得注意的是，諧波功率的潮流對(duì)感應(yīng)式電能表的計(jì)量有很大影響。感應(yīng)式電能表計(jì)量的電能值為：

（1）

式中：E1、Eh的符號(hào)可正可負(fù)，由實(shí)際潮流方向確定，c1、ch為相應(yīng)的基波、諧波的系數(shù)。c1=1、ch≤1，且隨諧波次數(shù)的增加而減小。由式（1）可見(jiàn)，對(duì)于線性用戶，基波和諧波潮流一致，感應(yīng)式電能表少計(jì)量了用戶消耗的電能，但計(jì)量的電能仍大于基波電能；對(duì)于非線性用戶，用戶自身向電網(wǎng)輸送諧波分量，諧波潮流與基波潮流相反，感應(yīng)式電能表計(jì)量的值大于用戶消耗的電能而小于用戶所消耗的基波電能。

3、諧波對(duì)全電子式電能表的影響

目前所采用的全電子式電能表，其計(jì)量原理都是對(duì)電壓、電流瞬時(shí)值進(jìn)行采集積分。因此，當(dāng)諧波存在時(shí)，只要測(cè)得的讀數(shù)在誤差允許范圍內(nèi)，可認(rèn)為是基波和諧波有功電能的代數(shù)和。全電子式電能表的頻響特性曲線相對(duì)平坦，可近似認(rèn)為無(wú)衰減，其對(duì)諧波功率的響應(yīng)和對(duì)基波功率的響應(yīng)基本相同。分析表明，全電子式電能表把基波功率和諧波功率一同計(jì)量，在諧波存在情況下其計(jì)量誤差比感應(yīng)式電能表的誤差要大。

（二）諧波對(duì)電能計(jì)量方式的影響

傳統(tǒng)電能計(jì)量時(shí)包含了基波和諧波二者消耗的總電能，因此在當(dāng)前復(fù)雜電網(wǎng)條件下局限性很大：

1、線性負(fù)荷時(shí)，供電基波非正弦波形，計(jì)量的電能表讀數(shù)為諧波和基波電能總和，導(dǎo)致計(jì)量示數(shù)過(guò)大，用戶承擔(dān)費(fèi)用增加，同時(shí)諧波會(huì)影響相關(guān)電力設(shè)備的正常運(yùn)行。

2、非線性負(fù)荷時(shí)，諧波的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致部分電能回流至電網(wǎng)中，造成電能表計(jì)量示數(shù)的減小，這樣不僅使用戶應(yīng)交費(fèi)用減少，影響電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且電能的回流會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成持續(xù)損害，影響電網(wǎng)壽命。

3、當(dāng)負(fù)載電源畸變情況發(fā)生時(shí)，會(huì)同時(shí)引發(fā)上述兩種情況，進(jìn)一步影響電影能計(jì)量，危害電網(wǎng)。綜上所述，諧波的存在對(duì)于電能計(jì)量方式的影響很大，無(wú)論是損害用戶利益還是影響電力企業(yè)效益，都會(huì)影響電力行業(yè)的進(jìn)步。因此必須改進(jìn)全能量電能計(jì)量方式，充分考慮到諧波對(duì)其造成的不良影響，從技術(shù)和管理雙層面上進(jìn)行調(diào)整，保證電能計(jì)量的準(zhǔn)確性。

三、降低諧波對(duì)電能計(jì)量影響措施

（一）改進(jìn)計(jì)量方式

現(xiàn)現(xiàn)階段電力行業(yè)系統(tǒng)中主要計(jì)量方式為全能量計(jì)量方式，這種方式存在較大的弊端，因此首先要對(duì)該計(jì)量方式進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)采取對(duì)基波電能和用戶吸收、發(fā)出諧波電能分別計(jì)量的方式。這樣不僅考慮到了線性負(fù)荷時(shí)，諧波吸收電能造成用戶費(fèi)用增加的現(xiàn)象，而且消除了非線性負(fù)荷時(shí)，諧波產(chǎn)出電能引起電力企業(yè)利益受損的現(xiàn)象，雙方面保障了電能計(jì)量結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，提升了用戶的信任度和電力行業(yè)的潛力。

（二）基波電能計(jì)量法

通過(guò)上述電力諧波對(duì)于電能表電能計(jì)量的影響分析，電力用戶終端主要是線性負(fù)荷，采用基波電能計(jì)量法，可有效提高電力用戶終端的電能計(jì)量準(zhǔn)確性，避免電力用戶繳納過(guò)多的電費(fèi)。同時(shí)，對(duì)于電流用戶或者受電力諧波影響比較廣泛的電網(wǎng)線路來(lái)說(shuō)，電力諧波對(duì)于感應(yīng)式電能表和電子式電能表的電流和電壓回路產(chǎn)生大量濾波，這時(shí)大部分有功功率是基波電流的有功功率，可極大地提高電能表電能計(jì)量的準(zhǔn)確性。

（三）全能量電能計(jì)量法

電力系統(tǒng)中電能表電能計(jì)量數(shù)量是有功功率，采用全能量電能計(jì)量法，配合電子式電能表，可極大地降低電子式電能表的電能計(jì)量誤差。但是需要注意的是電子式電能表同時(shí)計(jì)量電力用戶終端的電流諧波有功電能，使得非線性電力用戶的電能計(jì)量數(shù)據(jù)減少，因此這種全能量電能計(jì)量法只適用于影響力小、電力諧波小的電力系統(tǒng)。

（四）帶加權(quán)系數(shù)計(jì)量法

帶加權(quán)系數(shù)計(jì)量法是一種基于基波電能計(jì)量的方法，結(jié)合帶加權(quán)數(shù)據(jù)進(jìn)行電能計(jì)量。當(dāng)前，帶加權(quán)系數(shù)計(jì)量法還處于研究階段，而采用這種方法可得出更加真實(shí)準(zhǔn)確的電能數(shù)據(jù)，可全面反映出諧波電能和基波電能，因此帶加權(quán)系數(shù)計(jì)量法適用于電力諧波分布廣泛或者包含大中型電力用戶的電力系統(tǒng)。隨著我國(guó)現(xiàn)代化信息技術(shù)的快速發(fā)展，相信帶加權(quán)系統(tǒng)計(jì)量法的應(yīng)用范圍將越來(lái)越廣泛。

（五）選擇合適的電能表

在電能表電能計(jì)量中，對(duì)于電力系統(tǒng)中的同一個(gè)計(jì)量點(diǎn)，如果電力諧波超過(guò)我國(guó)電網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可采用準(zhǔn)確級(jí)相同的電磁感應(yīng)式電能表或者全電子式電能表，也可采用多功能電能表，準(zhǔn)確計(jì)量諧波分量。當(dāng)大功率變流設(shè)備向電力系統(tǒng)注入大量電力諧波時(shí)，感應(yīng)式電能表可準(zhǔn)確記錄基波消耗的有功電能；當(dāng)電力系統(tǒng)自身產(chǎn)生大量電力諧波時(shí)，可應(yīng)用全電子式電能表，準(zhǔn)確、真實(shí)地進(jìn)行電能計(jì)量。

結(jié)語(yǔ)

綜上，電能計(jì)量受諧波影響，給供用電雙方帶來(lái)了巨大的影響和損失。由于諧波造成了供電企業(yè)線損和電力營(yíng)運(yùn)企業(yè)非經(jīng)營(yíng)性成本的增加，所以加強(qiáng)諧波治理刻不容緩，供電企業(yè)和電力客戶都應(yīng)積極想方設(shè)法改善電網(wǎng)諧波狀況。

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