諧波對電流互感器的傳變特性及電能計量影響研究

朱 斌

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瓊海供電局）

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諧波對電流互感器的傳變特性及電能計量影響研究

朱 斌

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瓊海供電局）

摘要：隨著社會的不斷進(jìn)步，電子科學(xué)技術(shù)也日趨成熟，并且推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，提高了居民生活的用電質(zhì)量。但是隨之而來的是用電負(fù)荷的不斷增加，引起了很多相關(guān)的用電安全問題。諧波是其中危害最為嚴(yán)重的問題，并且日趨嚴(yán)重，是急需要解決的問題。本文將諧波對于電流互感器的轉(zhuǎn)變特性進(jìn)行了研究，并且研究對諧波電能計量影響。

關(guān)鍵詞：諧波；電流互感器；諧波源；電能計量

0 引言

1 諧波問題的現(xiàn)狀

諧波對于電力系統(tǒng)來說，危害性相當(dāng)大。在公共用電時產(chǎn)生的諧波，可以降低發(fā)電、送電輸電及其相關(guān)設(shè)備的工作效率。而且會產(chǎn)生電氣設(shè)備過熱，損壞設(shè)備的現(xiàn)象，也會引發(fā)電網(wǎng)局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，這都有可能引發(fā)嚴(yán)重的事故。由于諧波在電力系統(tǒng)中普遍存在，所以還會經(jīng)常造成干擾移動通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行，破壞無限信號的傳遞，甚至是破壞通信設(shè)備。

從諧波的性質(zhì)上來說，在電網(wǎng)的整體體統(tǒng)中有時可能還會存在一些頻率不是基波頻率整數(shù)倍的正弦分量,這些都被稱之為間諧波。把這些頻率分量稱為間諧波的主要原因是，在進(jìn)行波形的頻譜分析時,習(xí)慣于把工頻作為基頻。

2 電流互感器的現(xiàn)狀

目前國外，正在運(yùn)用的新型電流互感器，一種是基于 Rogowski 線圈的電流互感器，另外一種是基于磁光效應(yīng)的電流互感器。這兩種新型電流互感器的主要優(yōu)勢有：運(yùn)用原理簡單、結(jié)構(gòu)簡單、總體體積相對較小、并且性能穩(wěn)定、造價成本低。但目前還沒有廣泛地使用，可以預(yù)測在將來進(jìn)行普遍的推廣使用后，會對整體的電力系統(tǒng)的發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用[1]。

在我國，關(guān)于新型電流互感器的使用和研究雖然比較落后，但經(jīng)過研究后也獲得了一些進(jìn)展。我國所研究的新型電流互感器相對于傳統(tǒng)的電磁式電流互感器，優(yōu)點(diǎn)比較多。比如：新型電流互感器可以在大電流的測量環(huán)境中，并且不會產(chǎn)生鐵磁共振現(xiàn)象，特別適用于高電壓、大電流環(huán)境下的故障診斷，可以滿足高壓工作環(huán)境下的絕緣要求。此外，采用這種新型電流互感器比較適用于繼電保護(hù)，與此同時還可以對諧波實(shí)施監(jiān)測[2]。

3 諧波對電流互感器的傳變特性研究

目前，電流互感器國家標(biāo)準(zhǔn) GB1208—2006只是在正弦信號條件下，對電流互感器做出了相關(guān)的規(guī)定并且提出了具體要求。而對于在非正弦信號下，還沒有作出任何規(guī)定和說明。電能質(zhì)量測量標(biāo)準(zhǔn)所采用的方法是用頻率響應(yīng)來測試CT在非正弦信號條件時的響應(yīng)特性。但是在實(shí)際工作和運(yùn)用的效果上來說，效果不佳。這是由于電流互感器的一次側(cè)電流信號是由基波和諧波組成，而鐵心是具有非線性特性的，所以單純地只憑借依靠頻率響應(yīng)方法來進(jìn)行測量，可能還是達(dá)不到令人滿意的結(jié)果[3]。

針對這項問題，提出了一種有效的新方法來研究，那就是在諧波條件下電流互感器的傳變特性。本文所提出的方法中，使得一次電流信號是由基波疊加諧波而構(gòu)成的，諧波的幅值和相角可以變化。需要注意的是，電流互感器是采用非線性裝置的，因此當(dāng)發(fā)射的一次電流是由兩種或著更多種的頻率信號所組成時，疊加諧波不可以用來分析諧波狀態(tài)時的電流互感器傳變特性。而兩個完全相同的電流信號可以存在完全不同的諧波頻譜，當(dāng)這兩種有效信號分別作用于 CT時，二次電流的差異性很大。相比較采用頻率響應(yīng)方法所得結(jié)果不如用這種方法得出的結(jié)果令人滿意。所以，討論諧波對電流互感器傳變特性產(chǎn)生的影響，有非常重要的意義[4]。

4 諧波對電能計量影響的探討

（1）關(guān)于諧波對電能計量影響的概述

對于諧波對電能計量影響的研究，普遍都更偏向于諧波對電能表計量的準(zhǔn)確度的探討，這可能會忽略掉計量裝置中的電流互感器帶來的影響。而諧波對電能計量的影響主要就體現(xiàn)在電流互感器上。在實(shí)際的電能計量操作上主要是針對電流互感器轉(zhuǎn)換的弱信號進(jìn)行的。一旦被計量的電信號波形在轉(zhuǎn)換中發(fā)生了變化，那么即使后續(xù)的計量再準(zhǔn)確和認(rèn)真也都是徒勞的。綜上，諧波的誤差可能對諧波功率產(chǎn)生很大影響，從而導(dǎo)致電能計量不準(zhǔn)確。

1993年，國望集團(tuán)的前身瑞安市國望機(jī)械廠注冊成立，以切紙機(jī)為主要產(chǎn)品開始發(fā)展的旅程；2006年，公司研發(fā)的包括數(shù)顯切紙機(jī)、程控切紙機(jī)在內(nèi)的切紙機(jī)產(chǎn)品，產(chǎn)銷量攀升至中國首位；2013年，其與德國Baumann集團(tuán)成立沃倫貝格國望(上海)機(jī)械有限公司； 2014年，與日本小森合作，結(jié)成戰(zhàn)略性合作伙伴關(guān)系……從當(dāng)年名不見經(jīng)傳的代工小廠，到如今印后機(jī)械市場的領(lǐng)跑者，國望集團(tuán)的每一步似都是對于“一流”產(chǎn)品的追逐，對于“一流”企業(yè)的詮釋，其確實(shí)在用實(shí)際行動為“一流”下定義。

（2）諧波源的類型

電力系統(tǒng)中的非線性設(shè)備和負(fù)荷都屬于諧波源，它們的類型也不一樣。首先，是工作處于飽和區(qū)域附近的變壓器，定子或轉(zhuǎn)子線槽有一些不對稱的纏繞方式，或是不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)電機(jī)等。超負(fù)荷用電時，需要將某種形式的功率進(jìn)行調(diào)整。其次，是電弧設(shè)備，它屬于非常特殊的一類諧波源，它產(chǎn)生的諧波頻率可能低于基頻。當(dāng)電弧型設(shè)備的電源來自于自身調(diào)節(jié)功能比較差的輸配電系統(tǒng)時，通常都會產(chǎn)生次諧波。再次，當(dāng)電容器組或旋轉(zhuǎn)電機(jī)的開關(guān)啟動時產(chǎn)生的沖擊電流涌入到配電系統(tǒng)中時，將會產(chǎn)生諧波源。

現(xiàn)階段，供電公司或工業(yè)用電的電氣系統(tǒng)設(shè)計人員所面臨的挑戰(zhàn)越來越大。這主要是因為，國家對于電力系統(tǒng)的要求越來越高，要在諧波不斷增大的電氣系統(tǒng)環(huán)境中安全有效地運(yùn)行。此外，電力系統(tǒng)中的諧波源的種類多種多樣，呈現(xiàn)多樣化趨勢，使得諧波問題現(xiàn)如今已經(jīng)變成了一個復(fù)雜問題[5]。

（3）諧波功率對電能表計量的影響

當(dāng)電力系統(tǒng)中的電壓或電流波形，由于各種原因?qū)е缕x正弦時,對于電能表計量的測量準(zhǔn)確度將明顯下降。這是因為，當(dāng)基波電壓或者是電流在不變的情況下而又含有諧波時,電能表的電壓線圈阻抗能力以及轉(zhuǎn)盤阻抗能力都會發(fā)生變化,都會影響電能表的計量準(zhǔn)確性。

式中，K是額定變化，Iph和Ish分別是一次側(cè)和二次側(cè)h次諧波電流的有效值。由此可以推出諧波的相位誤差為

εh=αsh-αph

其中αph和αsh分別是一次側(cè)和二次側(cè)h次諧波電流的相角。

另外，由諧波和基波h組成的電壓及其電流波形容易發(fā)生變化,但是由于鐵芯的非線性,磁通不能發(fā)生線性變化。只有在同頻率下的電壓和電流相互作用時，才有可能產(chǎn)生平均功率。那么也只有同頻率的電壓或電流產(chǎn)生的磁通，兩者之間相互作用時，才有可能使其畸變。

（4）改善諧波對電能表計量影響的對策

前文關(guān)于諧波對電能計量的影響的介紹，可以明確其影響作用?，F(xiàn)在主要是探討其存在的一些問題，并且將針對這些問題，推薦一些改善諧波對電表計量影響的對策。

對存在有大量諧波功率的電能計量，可以建議采用把基波功率和諧波功進(jìn)行分別計量的辦法，并且對產(chǎn)生諧波情況比較嚴(yán)重的用戶可以采取懲罰制度。這種方法是限制電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波負(fù)載的一項積極有效的措施，有利于對諧波源的限控。但這種方式本身也具有局限性，比如制造計量諧波電能表的費(fèi)用成本比較高，并且在技術(shù)上也有較高的難度。

另外，由于諧波流向的紛繁復(fù)雜性，諧波電能不能有效地反映諧波的實(shí)際影響，所以也達(dá)不到計量的目的。針對這樣的情況，要采取科學(xué)有效抑制諧波的措施，控制諧波源的用戶向用電中心系統(tǒng)注入的諧波量。根據(jù)實(shí)際情況，采取有針對性的措施。比如對非諧波源的用戶，可以采用傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表。而對于電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波源，或是諧波源附近的非諧波源用戶，要采用新型電能表，這種新型電能表要求一方面既能計量基波電能，另外一方面又能計量諧波電能。對于諧波源加大的用戶，需要采取合理地收費(fèi)的措施或?qū)ζ鋺土P的相關(guān)措施。這就需要查清楚，如果是對于諧波越限的責(zé)任用戶，要采用合理性懲罰的措施；而由于諧波源變化，或者是諧波阻抗變化而產(chǎn)生的諧波越限時，其用戶以及電力公司都應(yīng)該承擔(dān)相應(yīng)的的責(zé)任，對其進(jìn)行合理性公平收費(fèi)[6]。

5 結(jié)束語

電能既是一種能源被廣泛利用，也作為一種商品在用戶和電力公司之間進(jìn)行交換，而過程的公正合理性，直接關(guān)系到電力部門和用戶的經(jīng)濟(jì)利益。所以，這就要求電能計量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確合理。本文主要是分析了諧波對電流互感器的傳變特性，與此同時，也進(jìn)一步完善了諧波對電能計量影響的研究。在電能計量中，電流互感器在一般情況下總是與電能表相互配套使用，過去的一些研究項目經(jīng)常忽略電流互感器可能會產(chǎn)生的影響，由于電流互感器的非線性所導(dǎo)致的一些誤差，可能會影響諧波測量的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重影響電能計量。本文對諧波對電流互感器的傳變特性的影響做了一些分析，并且也總結(jié)出了一些較容易理解的諧波電能表計量表達(dá)式，完善了一些對策方面的探索，提出了新的電能表設(shè)計方案，并且可以通過利用廣泛使用的電能質(zhì)量監(jiān)視設(shè)備，將測量電能表的誤差降低，提高準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭捷.諧波對電流互感器的傳變特性及電能計量影響研究[D].重慶:重慶大學(xué),2014.

[2]田曉倩.直流偏磁對電流互感器及電能計量的影響研究[D].北京:華北電力大學(xué),2014.

[3]申路.直流偏磁對電流互感器影響及其補(bǔ)償措施的研究[D].北京:華北電力大學(xué),2014.

[4]韓東偉.計及直流偏磁影響的鐵磁元件建模及特性研究[D].北京:華北電力大學(xué),2013.

[5]許儀勛.諧波對電能計量的影響與對策[D].上海:上海交通大學(xué),2008.

[6]張靜.電力系統(tǒng)諧波分析與電能計量[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2006.

收稿日期：（2015-12-15）