非線性負(fù)荷諧波對計(jì)量裝置的影響

王鱺

摘? 要：現(xiàn)代電子技術(shù)的大量應(yīng)用，致使電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷日益提升。非線性負(fù)荷的不斷增加，對電力系統(tǒng)中的電壓和電流造成了嚴(yán)重影響，一旦這種情況出現(xiàn)，則會對計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性造成影響，促使電力計(jì)量誤差擴(kuò)大。該文首先闡述了非線性負(fù)荷諧波產(chǎn)生的原因，然后分析非線性負(fù)荷諧波對計(jì)量裝置的影響，希望對提高計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性有所幫助。

關(guān)鍵詞：非線性負(fù)荷? 諧波? 計(jì)量裝置

中圖分類號：TM93? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0035-02

計(jì)量裝置作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，但是在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，計(jì)量裝置很容易受到非線性負(fù)荷諧波的影響，其準(zhǔn)確性無法得到保證。因此，研究非線性負(fù)荷諧波對計(jì)量裝置的影響，具有十分重要的意義。

1? 非線性負(fù)荷諧波產(chǎn)生的原因

1.1 諧波產(chǎn)生原因

要對諧波產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。首先是電源部分，如果電力系統(tǒng)中的電源質(zhì)量較差，則容易產(chǎn)生諧波[1]。其次，電力變壓器在運(yùn)行過程中也會產(chǎn)生諧波。最后，其他電氣設(shè)備在運(yùn)行時，同樣會產(chǎn)生諧波。這種諧波的產(chǎn)生原理為：電力系統(tǒng)中晶體閘管整流設(shè)備的作用。在電力系統(tǒng)處在負(fù)載狀態(tài)時，電容大小會影響諧波的大小。一般情況下，二者呈正相關(guān)，簡言之，電力系統(tǒng)中的電容越大，諧波就越大，反之則亦然。通過實(shí)驗(yàn)分析表明，變壓器運(yùn)行產(chǎn)生的諧波較為常見。但隨著電氣設(shè)備的更新?lián)Q代，系統(tǒng)中諧波形式也發(fā)生了改變，形式更加豐富。這些諧波的存在，嚴(yán)重影響了計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性，因此對電力諧波進(jìn)行分析。

1.2 諧波分析

電能在消耗過程中會轉(zhuǎn)化為多種能源，電能在轉(zhuǎn)化的同時，會在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波。通過對電能與諧波的關(guān)系進(jìn)行研究，可以對電壓和諧波之間的關(guān)系進(jìn)行明確，不同電壓下母線諧波畸變率有以下幾種情況：如果電壓為10kV，則最大畸變率為7.7%，平均畸變率為4.1%，最小畸變率為0.48%;如果電流為10kW，則最大畸變率為14.7%，平均畸變率為3.4%，最小畸變率為0.67%;如果電壓為35 kV，則最大畸變率為4.1%，平均畸變率為2.3%，最小畸變率為0.67%;如果電流為35 kW，則最大畸變率為19.4%，平均畸變率為6.94%，最小畸變率為2.1%;

如果電壓為110kV，則最大畸變率為3.8%，平均畸變率為0.78%，最小畸變率為0.18%;如果電流為110kW，則最大畸變率為17.5%，平均畸變率為1.58%，最小畸變率為0.69%。

2? 諧波的不良影響

諧波一旦出現(xiàn)就會造成多方面影響，例如：導(dǎo)致電力系統(tǒng)中電壓發(fā)生變形、電線受熱與可承受范圍相背離，致使線路出現(xiàn)短路故障，嚴(yán)重時甚至?xí)龤щ姎庠O(shè)備，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。但是諧波最為重要的影響是導(dǎo)致電能計(jì)量誤差發(fā)生，非線性負(fù)載諧波電力用戶電能計(jì)量經(jīng)常會小于正常值，會少繳納電費(fèi)，而他們少繳納的電費(fèi)，可能會轉(zhuǎn)嫁到正常用戶頭上，這對于正常用戶來說，顯然是不公平的。

3? 非線性負(fù)荷諧波對計(jì)量裝置的影響分析

3.1 電能計(jì)量裝置的分類

電能表有以下幾種：一是按照結(jié)構(gòu)原理可分為，感應(yīng)式和電子式電能表;二是按照測量電源可分為，直流式和交流式電能表;三是按照被測量的電能可分為，有功和無功電能表;四是按照接入線路可分為，直接接入和互感器接入式電能表。

該文主要將感應(yīng)式和電子式電能表作為研究對象。感應(yīng)式電能表與電子式電能表在準(zhǔn)確等級上差距較為明顯，其中感應(yīng)式電能表準(zhǔn)確等級為0.49～2.9;而電子式電能表為0.01～2.1。感應(yīng)式電能表的頻率范圍是4Hz，而電子式電能表為41～1001Hz，并且電子式電能表在啟動電流、過載能力和功能損耗等方面的性能上均優(yōu)于感應(yīng)式電能表。

3.2 諧波對感應(yīng)式電能表準(zhǔn)確度的影響

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)電力系統(tǒng)中電壓和電流受到內(nèi)外部因素影響，繼而偏離正弦時會發(fā)生畸變，繼而會對感應(yīng)式電能表的準(zhǔn)確性造成不利影響，究其原因，主要是負(fù)載上電流電壓不變且存在諧波時，會導(dǎo)致電能表線圈和轉(zhuǎn)盤阻抗發(fā)生變化，繼而引發(fā)電壓工作磁通的變化，電能表的測量精度也會因此受到影響[2]。同樣，結(jié)合感應(yīng)式電能表的工作原理，可以知道只有在頻率相同的電壓和電流條件下，轉(zhuǎn)矩才會通過電流的磁通相互作用而產(chǎn)生，非線性負(fù)荷諧波在經(jīng)過電磁組件后，磁通無法與諧波產(chǎn)生反應(yīng)，會影響轉(zhuǎn)矩和平均功率間的正比關(guān)系，繼而會導(dǎo)致附加誤差的產(chǎn)生。

在利用諧波疊加至電流基波情況下，對電壓、電流中所含直流分量對電表的影響程度進(jìn)行檢測。在電能表中存在諧波功率時，可以用以下公式對電能表反映的電能進(jìn)行判定。E=C1E1+∑ChEh;.在該公式中：E代表基波，而Eh代表h次諧波，其符號可以為正也可以為負(fù)。

3.3 諧波對電子式電能表準(zhǔn)確度的影響

3.3.1 電子式電能表的頻率特性

當(dāng)電壓和電流都受到了諧波影響時，電能表的實(shí)際電能值與理論值大致相等。此時導(dǎo)致電子式電能表頻帶窄的主要原因是輸入器件的原因，輸入器件對信號成分產(chǎn)生的相移存在差異。如果對50HZ的頻率進(jìn)行補(bǔ)償，則無法對其他頻率的相位移進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)量誤差也會因此而發(fā)生。

3.3.2 測量諧波的方法

采用模擬濾波器測量諧波，得到的結(jié)果較為準(zhǔn)確。目前常用的模擬濾波器主要有兩種，一種是利用濾波器對基波電流分量進(jìn)行過濾，繼而得到諧波的電流分量;二是使用帶通濾波器，對基波分量進(jìn)行測量，但這種濾波器存在一定的誤差，對電路元件的敏感程度較高，應(yīng)用效果并不顯著。

3.3.3 諧波對于電子式電能表的影響

電子式電能表在測量不同信號時，所產(chǎn)生的波形存在差異，誤差也會出現(xiàn)差別，大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)電流信號產(chǎn)生諧波時，隨著諧波大小的不同，電子式電能表測量的準(zhǔn)確性會受到影響，但是誤差在允許范圍內(nèi)，可以忽略不計(jì)。

電子式電能表在測量電流量時，電網(wǎng)中的電壓和電流需要經(jīng)過互感器轉(zhuǎn)化為弱電信號，才能被輸入至電能表中，因此，互感器是否準(zhǔn)確對于電能表的準(zhǔn)確性具有重要的影響，如果采用的是非線性互感器，那么諧波在通過非線性互感器時，會導(dǎo)致互感器無法按照統(tǒng)一的比例對諧波成分進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而會引發(fā)信號變形的問題[3]。這種情況一旦出現(xiàn)，將會加大測量的誤差。研究表明，在波形畸形時，諧波次數(shù)越多，互感器的波形變換誤差越大。

4? 感應(yīng)式電能表與電子式電能表電能計(jì)量特性的對比

由上述分析得知，感應(yīng)式電能表的誤差頻率特性為迅速下降，這也導(dǎo)致感應(yīng)式電能表在計(jì)量過程中，只能對諧波部分進(jìn)行計(jì)量。如果將W1比作基波電能，Wn表示諧波電能，W表示計(jì)量電能，則可以通過下述公式對感應(yīng)式電能表反映的電能值進(jìn)行計(jì)算。W=W1+∑K.Wn;

在該公式中，K代表的是諧波電能系數(shù)，象征著諧波的被計(jì)量程度。K值不會大于1，且會隨著諧波頻率的不斷增加而進(jìn)一步縮小。

通過對電子式電能表進(jìn)行分析得知，電子式電能表與感知式電能表相比，計(jì)量基波和諧波部分存在差別，電子式電能表的誤差頻率特性曲線不會發(fā)生過大的波動，簡言之，電子式電能表會對全部的基波和諧波進(jìn)行計(jì)量，因此可以使用下述公式對電子式電能表的電能計(jì)量進(jìn)行表示：W=W1+∑W;

如果將全能量作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，那么電子式電能表的計(jì)量準(zhǔn)確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于感應(yīng)式電能表，但是如果僅將基波作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，感應(yīng)式電能表的誤差則相對較小。

5? 結(jié)語

綜上所述，該文對電力系統(tǒng)的諧波，及對電能計(jì)量裝置的影響進(jìn)行了分析，先對導(dǎo)致諧波出現(xiàn)的原因展開了探討，并對諧波與電流和電壓之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，然后從電能裝置頻率特性著手，闡述了諧波對于感應(yīng)式電能表和電子式電能表的影響。諧波的出現(xiàn)會引發(fā)嚴(yán)重的后果。為此，電力企業(yè)維修人員應(yīng)加強(qiáng)對諧波的研究力度，并追本溯源，找出諧波產(chǎn)生的主要原因，采取針對性的解決方法，從源頭上解決諧波問題。

參考文獻(xiàn)

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