谐波在电能计量装置中的影响

青青

1.谐波的概念 谐波一般采用IEEE标准中(标准519－1981)进行的定义：一个周期性电气量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍。主要分为高次谐波(频率是基波频率的整数倍数)、间谐波(频率不为基波频率整数倍的正弦分量，也叫分数次谐波)、次谐波(低于工频的间谐波)、旁频(在整数次谐波附近的非整数次谐波)四类。 2.谐波的起因分析
　　谐波的起因－－谐波源，通常由非线性设备引起，包括传统非线性设备如：变压器、电弧炉、旋转电机等；现代电力电子非线性设备如：荧光灯、静止无功补偿器、变频器、三相电力变流器、电气化铁道等。举例分析：
2.1变压器
　　由于经济原因，变压器所使用的磁性材料通常在接近非线性区域运行。在这种情况下，即使所加的电压是正弦的，变压器的励磁电流也是非正弦的，因而包含谐波(主要是3次谐波)。同样，如果励磁电流是正弦的，则电压就是非正弦的。在三相变压器中，三角形联结或不接地星形联结使得零序的3倍数次谐波电流不能流通。
2.3荧光灯
　　在荧光灯中，每隔半个周波电压被建立起来直到荧光灯被点亮，点亮状态下荧光灯呈负电阻特性，其电流由感性的非线性镇流器来限制，因此电流是畸变的。
3.谐波的危害
　　电力系统谐波造成电网污染，正弦电压畸变，影响线路的稳定运行，电网的质量；使电容器的总运行电流变大、温度增高、寿命缩短；使变压器的铜耗增大、铁耗增大、噪声增大；增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热并使出力减少；因谐波而引起继电保护和自动装置误动和拒动, 如相差高频保护频繁启动发信号或误切线路、行波保护误跳闸、零序保护误跳变压器、后备过流保护误跳变压器等。最多的事例是电气化铁道谐波引起110kV供电系统以及有关发变电站的保护和自动装置工作失误，尤其是负序闭锁或负序启动元件，有的日误动百次以上，引起保护误动致使大面积停电的事故也屡见不鲜。
4.电能计量表的频率特性
　　一般的电能计量表包括电磁式电能表和电子式电能表。
4.1电磁式电能表
　　当无谐波(基波频率50Hz)时，电磁式电能表的误差很小，而当存在谐波时，随着频率的增长，电磁式电能表的测量误差呈非线性负向增长。
　　图2：电磁式电能表频率特性

4.2电子式电能表
　　电子式电能表基于时分割原理来设计，使得电子式电能表的计量随频率的变化误差较小。电子式电能表由于频带较宽，对基波电能和谐波电能都能较准确计量，但由于其将谐波功率和基波功率同等对待，计量误差将会增大。
　　图3：电子式电能表频率特性

　　P*为全能量 PF为基波能量
5.谐波对计量的误差影响及结果分析
5.1 计量值的理论分析
　　理论上，电子式电能表电能计量值PD约等于基[论文网 www.ap5u.com]波电能与各谐波电能矢量之和；而感应式电能表所计量的电能值PC是基波电能与各次谐波电能的“部分”矢量之和(考虑谐波电能系数)，比电子式电能表更接近基波电能，而一般也可认为电磁式表记的读数是基波量。

　　在谐波量较小的情况下，上述误差可以忽略不计；但当谐波量较大时，这两种表就不能适应要求了。
5.2 谐波的流向分析
　　线性负荷不是谐波源，不发出谐波，但系统中存在谐波源时会吸收部分谐波功率；非线性负荷是谐波源，一般是将系统的部分基波功率转变成为谐波功率发送到“系统”中。由于谐波功率是有方向的，谐波功率是不能相互抵消的，基波功率总是由系统注入负荷的(除了发电机等电力能源生产设备外)，故上述两种电能表在具体计量时会存在不同程度的误差。(如图示)
　　图4：谐波流向图(P1*为基波功率，Ph*为谐波功率)

5.3 电子计量表的误差分析
　　1)系统无谐波源，线性负荷的电量计量：

　　2)系统无谐波源，非线性负荷的电量计量：


　　但从按能量计费的角度来看，应该需要得到如下的计算结果：


　　3)系统存在谐波源，线性用户的电量计量：


　　4)系统存在谐波源，非线性用户的电量计量：

5.4 计量结果分析
　　当谐波存在且用电量较大时，采用基波电能或“全能量”计量电能都是不全面的，计量误差所导致的经济损失也是不容忽视的。
(1)对于线性负载，用户多交电费(相比基波功率)，当电能表计量少于全能量(基波＋谐波功率)，供电方少计电费。
(2)对于非线性负荷，谐波功率的值需考虑相位情况，计量比较复杂。一般地，谐波源以发出谐波功率为主，则用户少交电费，而电能表计量少于基波功率，供电方也少计费。
(3)电能表准确反映实际功率，即基波和谐波的综合功率，称为全能量方式，也是目前国内的电能计量方式，使得在谐波下电能计量的准确性与合理性之间产生了矛盾。综合考虑对基波电能与谐波电能分别进行计量，如实反应电能计量的真实性和科学性，称为谐波电能计量方式。目前国内有多家公司生产出了专门针对谐波计量的电能表，在一些工业发达的地区已经尝试使用。
6.结束语
　　谐波治理需要长期的、统计性的监测工作，不仅考虑引入谐波计量型电能计量方式和设备，还需要综合考虑各种补偿装置的投入、产出和性能，同时通过修改和增加相关法规来处理谐波情况下的电能计量问题，达到公平和节能的双重目的。
参考文献：
[1] 罗安.电网谐波治理与无功补偿技术.中国电力出版社,2006.
[2] 欧阳森.配电网谐波检测、治理方案及其节能分析.2006.
[3] 杨啸天.电力系统谐波分析、测量、评估、计算与抑制及滤波新技术实务全书.中国电力科技出版社，2006.                [/td][/tr]        [/table]