諧波對(duì)電能表計(jì)量的影響與對(duì)策研究

黃帥 劉瑩

【摘 要】隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)電能的質(zhì)與量的要求越來越高，但在電荷和容量過載的條件下，諧波對(duì)電能的測(cè)量有很大的影響。本文分析了諧波產(chǎn)生的主要原因，簡(jiǎn)要總結(jié)了諧波對(duì)電能表計(jì)量的影響與對(duì)策研究。

【關(guān)鍵詞】諧波；電能表計(jì)量

在電力系統(tǒng)中，電能計(jì)量的準(zhǔn)確性會(huì)直接受到諧波的影響。在電網(wǎng)中，基波的電流和電網(wǎng)諧波功率都具有一定電流的方向，其中基波的功率是從發(fā)電機(jī)流向各種電力設(shè)備。而諧波功率潮流則與基波公路潮流正好相反，諧波功率電流走向是由非線性、變電設(shè)備流向其他線性的發(fā)電機(jī)或用電設(shè)備的。由于諧波源是電流源，在傳輸過程中諧波潮流的中間段的電阻要比末端電阻大。所以諧波功率的消耗主要在中間環(huán)節(jié)。下面對(duì)產(chǎn)生諧波的原因以及對(duì)計(jì)量的影響和措施進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和研究

一、產(chǎn)生諧波的原因

電能計(jì)量的準(zhǔn)確性與電力企業(yè)和用戶的切身利益有著直接的關(guān)系，因此對(duì)電能計(jì)量進(jìn)行研究是十分必要的。電能計(jì)量在工作中所產(chǎn)生的誤差大部分與諧波電流有著直接關(guān)系，由于當(dāng)今社會(huì)對(duì)電力的需求不斷增大，許多電流器件都有超負(fù)荷的現(xiàn)象，在器件內(nèi)部應(yīng)用非線性負(fù)載容易產(chǎn)生諧波，從而影響到了電能計(jì)量的準(zhǔn)確度。

雖然諧波產(chǎn)生各不相同，但是最主要的原因有三種。首先，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生諧波的原因。由于安裝發(fā)電機(jī)的繞組時(shí)沒有做到均勻和對(duì)稱，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)電能質(zhì)量發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象因而形成諧波。其次是輸電和配電系統(tǒng)的影響。在輸電配電系統(tǒng)中，變壓器鐵芯的飽和程度越高，產(chǎn)生諧波的概率越大，非線性的變壓器磁化曲線，變壓器的磁化電流也就越大，其產(chǎn)生諧波的可能性越大，變壓器的磁化電流就越不穩(wěn)定，產(chǎn)生諧波。最后，由于電力消耗的影響。如今，許多電力裝置，如電源開關(guān)或各種充電裝置，都在使用晶閘管材質(zhì)的材料，這種材料是很容易產(chǎn)生諧波的，特別是用晶閘管材料制成的整流設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生更多的諧波。

二、諧波對(duì)電能計(jì)量的影響

諧波的產(chǎn)生，電能計(jì)量必然會(huì)收到非常大的的影響，諧波對(duì)電能計(jì)量的影響和誤差主要是對(duì)互感器產(chǎn)生誤差和對(duì)電能表產(chǎn)生誤差兩個(gè)方面，測(cè)量誤差主要有變壓器誤差和功率表誤差兩個(gè)方面。

（一）諧波對(duì)互感器產(chǎn)生影響

互感器的種類繁多。本文主要分析電磁式互感器在諧波的影響下所產(chǎn)生的誤差。一方面，諧波是如何對(duì)電壓變壓器產(chǎn)生影響的。在電站或變電所中，電壓互感器通常安裝在遠(yuǎn)離計(jì)量計(jì)安裝點(diǎn)的地方，有許多電纜、隔離開關(guān)和終端。這些元件的存在將產(chǎn)生二次電路阻抗，包括接觸電阻、導(dǎo)體阻抗和元件的內(nèi)阻。這些二次電路阻抗將影響電壓變壓器，主要是由于兩端電壓不一致，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。另一方面，對(duì)電流互感器的影響。電流互感器工作時(shí)，可能產(chǎn)生勵(lì)磁電流。電流損失大，電磁電流互感器鐵芯磁化曲線非線性。鐵芯飽和度越高，產(chǎn)生的電流和額定電流的差幅越大。

（二）諧波對(duì)電能表產(chǎn)生誤差

電能表是一種重要的電能表，其中主要包括電磁感應(yīng)電能表、全電子電能表等。電磁感應(yīng)功率計(jì)內(nèi)部存在基波、諧波電壓和電流，引起電壓線阻抗、轉(zhuǎn)盤和電流電壓通量的變化，進(jìn)而引起電能測(cè)量誤差特別是當(dāng)基波和諧波波形畸變的時(shí)候，電壓和電流的鐵芯又不是線性的，不能與電磁矩陣重疊，使電能測(cè)量會(huì)產(chǎn)生的誤差會(huì)比較大，它主要與計(jì)算方法有關(guān)。在進(jìn)行計(jì)量時(shí)，全電子電能表會(huì)首先記錄不同頻率下產(chǎn)生的電流數(shù)值，然后選取一些數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和計(jì)算。但在計(jì)算功率時(shí)，這種方法將所有的波功率相加，而諧波流向則不被考慮。因此，對(duì)于非線性用戶，非線性負(fù)載的誤差是負(fù)的，也就是說電能計(jì)量會(huì)減少；對(duì)于線性用戶，由于線性負(fù)載的誤差是正的，會(huì)多計(jì)量電能，因此線性負(fù)荷的誤差就是則為正總之，電能表的計(jì)算方法對(duì)電能測(cè)量的精度會(huì)造成很大的影響，特別是當(dāng)諧波功率增大的時(shí)候，誤差也會(huì)變得更大。此外，電壓電路的外部溫度、頻率和交換元件會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。

三、解決電能計(jì)量誤差的措施

為了解決或減少電能測(cè)量的誤差，我們必須采取措施優(yōu)化和改進(jìn)發(fā)電誤差，包括

（一）互感器改進(jìn)改進(jìn)變壓器和電流表

變壓器對(duì)測(cè)量誤差的影響主要表現(xiàn)在電壓變壓器和電流變壓器。對(duì)于這些錯(cuò)誤，我們可以考慮以下幾點(diǎn)。

1.電壓互感器改進(jìn)

在改進(jìn)電壓互感器時(shí)，首先要優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因?yàn)殍F芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生電能測(cè)量誤差的重要因素，所以在安裝鐵芯時(shí)應(yīng)注意材料的選擇，最好地利用高磁導(dǎo)率的材料，然后鐵芯的磁密度應(yīng)盡可能均勻，盡量減少磁密度。鐵芯的長度應(yīng)適度減少。此外，通過減少繞組的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)和改善繞組的耦合狀態(tài)，可以減少功率測(cè)量的誤差。第二，減少二次電路中的電流。例如，選擇特殊電路和計(jì)量線路，并在功率表和變壓器之間設(shè)置專用線路。或者，經(jīng)常需要檢查和修理電線和部件之間的連接，減去不必要的接觸電阻。還可使用多繞組電壓變壓器或補(bǔ)償儀器來補(bǔ)償破損誤差，多繞組電壓互感器或補(bǔ)償儀器可用于補(bǔ)償二次電路的誤差。

2.電流互感器改進(jìn)

在改進(jìn)電流互感器以減少誤差的過程中，可以采用補(bǔ)償方法補(bǔ)償勵(lì)磁力。有被動(dòng)補(bǔ)償和主動(dòng)補(bǔ)償。被動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ嵌蝹?cè)的固定電容，但它可以自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償，因?yàn)樗岣吡斯β蕼y(cè)量的精度。

（二）電能表改進(jìn)

以上提到的一些能量表在改進(jìn)時(shí)主要是可以優(yōu)化的。電子電能表的缺陷是其測(cè)量方法，因此在改進(jìn)時(shí)主要是為了優(yōu)化測(cè)量方法。在原來的計(jì)算方法中，由于諧波的影響，線性用戶測(cè)量的電量較多，非線性用戶測(cè)量的電量較少，這對(duì)線性用戶是非常不公平的。因此，在優(yōu)化計(jì)算方案時(shí)，應(yīng)采取懲戒措施，懲罰諧波源的用戶，并補(bǔ)償其他用戶和電網(wǎng)系統(tǒng)受諧波影響的用戶。在測(cè)量方案方面，我們可以以基波電為基礎(chǔ)，然后以諧波電作為獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰的基礎(chǔ)，即基波電的基本成本，然后向產(chǎn)生諧波的用戶收取補(bǔ)償費(fèi)用，而不只是減少對(duì)其他用戶的影響。同時(shí)，產(chǎn)生諧波的用戶能夠有意識(shí)地處理諧波，減少誤差。

（三）計(jì)量方式的改進(jìn)

在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，電力供應(yīng)不可避免地會(huì)產(chǎn)生背景諧波，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的非線性負(fù)載。同時(shí)，電源背景的諧波特性也不是恒定的，即電源的諧波成分發(fā)生了變化。在這兩個(gè)因素的影響下，測(cè)量裝置的硬件和軟件要求都很高，因此測(cè)量裝置的成本增加了。背景諧波和非線性載荷對(duì)測(cè)量點(diǎn)的聯(lián)合作用是同一階諧波分量的矢量和，反映在諧波的總有源功率中。

根據(jù)供電質(zhì)量的有關(guān)規(guī)定，供電諧波分量不得超過限額。當(dāng)電網(wǎng)諧波含量在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，線性負(fù)荷消耗的諧波有源功率不到基波有源功率的0.1%。工作上的錯(cuò)誤，因此，提出了一種新的諧波功率測(cè)量方法，包括基本波功率因數(shù)、等效功率因數(shù)和總電流失真率。

四、結(jié)語

諧波對(duì)功率測(cè)量的精度和合理性有很大影響。根據(jù)電價(jià)制度的規(guī)定，在電價(jià)或耗電量方面，必須補(bǔ)償吸收諧波的用戶，分?jǐn)傁螂娋W(wǎng)注入諧波的用戶的電費(fèi)，并根據(jù)諧波的比例調(diào)整電價(jià)。但是，我國目前還沒有這方面的技術(shù)和業(yè)務(wù)運(yùn)行規(guī)則，因此分別使用基波和諧波電能的測(cè)量方法來記錄諧波電能方向是合理可行的。這可以提高測(cè)量精度，減少測(cè)量損失；同時(shí)，經(jīng)濟(jì)杠桿被用來減少諧波對(duì)電網(wǎng)的傳輸，從而減少諧波對(duì)其他用戶的影響和危害，并確保電網(wǎng)的電力質(zhì)量?？偟膩碚f，在諧波背景下，電能計(jì)量必然會(huì)產(chǎn)生誤差，但并非不可避免。因此，針對(duì)諧波產(chǎn)生的主要誤差效應(yīng)，有必要認(rèn)真分析諧波產(chǎn)生的原因，并采取相應(yīng)措施減少或消除諧波誤差。

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