電力諧波對電能計量影響的分析

鄒永久

(貴州黔東電廠生產(chǎn)技術(shù)部，貴州黔東南州 557702)

電力諧波會造成電能在生產(chǎn)、輸送和應(yīng)用過程中效率下降，從而使家用電器產(chǎn)熱過多、噪音過大、振動過頻并促使電器老化，降低使用年限，有時甚至發(fā)生燒毀現(xiàn)象。同時還將引起并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，引起繼電器失靈乃至電能計量設(shè)備的準確度下降等。進而導(dǎo)致電力公司或用戶的電能損耗增加，費用增大。文中在分析電能表計量的基礎(chǔ)上，分析了諧波對電子式與電磁感應(yīng)式電能表的計量影響，提出了諧波影響下電能計量裝置的采用［1］。

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種電器在家庭生活中應(yīng)用，而這些電器有多數(shù)是導(dǎo)致非線性用電負荷的電器，這些電器在使用過程中引起用電系統(tǒng)中諧波的電壓和電流發(fā)生變化。電力諧波會造成電能在生產(chǎn)、輸送和應(yīng)用過程中效率下降。此外，有些用戶在受到影響后也產(chǎn)生諧波電能，從而導(dǎo)致大量的電能損耗在線路當中，造成電力營運企業(yè)非經(jīng)營性成本增加。

1 諧波的產(chǎn)生原因及危害

1.1 諧波的產(chǎn)生

在電能應(yīng)用未普及之前，諧波主要產(chǎn)生于變壓器的勵磁電流和發(fā)電機中。隨著電子設(shè)備的大量應(yīng)用，電子元器件和設(shè)備成為諧波源。諧波主要由諧波電流源產(chǎn)生。通常情況下，正弦基波的電壓用在非線性設(shè)備中時，設(shè)備中電流和通過的電壓波形存在差別，從而使電流的波形產(chǎn)生變形，由于電網(wǎng)的聯(lián)通性，諧波也隨之加入到線路網(wǎng)絡(luò)中，從而造成諧波源的產(chǎn)生。目前，根據(jù)類型可將諧波源為兩類:(1)含半導(dǎo)體的非線性元件，如變流器、各種整流設(shè)備、交直流換流設(shè)備、PWM變頻器等。(2)含電弧和鐵磁等非線性設(shè)備的諧波源，如交流電弧爐及日光燈等［2－3］。

1.2 諧波的危害

(1)對旋轉(zhuǎn)電動機的影響。基波的頻率比諧波要低，使電動機在磁滯、渦流和集膚效應(yīng)下，能量的消耗增加。此外諧波電流還將使電動機產(chǎn)生額外損耗、鐵損等。

(2)對電力變壓器的影響。通常，變壓器中也有諧波，但該諧波電流較小，一般不會使變壓器出現(xiàn)發(fā)熱和鐵損。但在起初接通電源的瞬間，變壓器中諧波電流是巨大的，可能要超過額定電流數(shù)倍，但時間較短。變壓器正常情況不會造成危害，但在諧波的諧振下，將會放大電流影響變壓器壽命。

(3)對電力電容器的影響。電容器是常用的電子元器件。由于電容器的特殊性質(zhì)，使其比其他電子產(chǎn)品更容易受到諧波的毀壞。諧波是電容器安全運行的主要威脅。

(4)對通信線路的干擾。諧波的存在會對通信線路造成干擾，主要通過電磁感應(yīng)、電容耦合、電氣傳導(dǎo)來影響通信線路。在通話過程中，諧波會降低通話聲音的清晰度，還會在基波的共同作用下多次發(fā)出電話鈴聲的狀況，對通訊產(chǎn)生不良影響。更為嚴重的是，在特殊情況下諧波還有可能造成通信設(shè)備受損甚至危害人身安全。

(5)對家用電器的影響。家用電器的放置會引起諧波的影響。因為，一方面家用電器會產(chǎn)生對供電網(wǎng)絡(luò)的諧波電壓影響;另一方面，家用電器還會自身產(chǎn)生諧波影響。

2 諧波對電能計量裝置的誤差影響

諧波會引起電能計量儀表產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，進而引起誤差，使電能計量失準［4］。

2.1 電磁感應(yīng)式電能表

通常感應(yīng)式電能表是按照基波來設(shè)計的。但電流中除了基波還有諧波，在諧波的影響下，電能表電壓線圈的阻抗和旋轉(zhuǎn)圓盤阻抗發(fā)生變化，致使磁通量發(fā)生改變，進而導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤驅(qū)動力變化，從而產(chǎn)生誤差。與此同時，電流傳輸中，基波和諧波是相互疊加存在于線路中，從而使得波形發(fā)生變化，而電能表的鐵芯和線圈是非線性的，磁通量不能隨波形的變化相應(yīng)成線性變化。電路理論指出，平均功率只能在相同頻率的電壓和電流中產(chǎn)生。而諧波是屬于非線性頻率，經(jīng)過電能表使磁通量變化不均，導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動無法和平均功率成一定比例。因此，電能表不能計量諧波的有功電能，從而產(chǎn)生誤差。

2.2 全電子式電能表

全電子式電能表的CPU在進行數(shù)值計量時，能抓住不同頻率電流電壓的瞬間值進行計算，但這些電流電壓必須是按正弦規(guī)律變化的。這種計算方法在理論上講，可較準確地記錄由基波和諧波共同作用下的總平均功率所產(chǎn)生的功耗值以及電量。但由于諧波電流的方向和負載電流的方向相反，諧波是從負載流向電網(wǎng)，所以電能表記錄的數(shù)值是基波有功電能和諧波有功電能之和，如此記錄下的數(shù)值要比負載消耗的基波電能小，這是全電子電能表存在的最大缺陷。除此之外，影響全電子式電能表準確度的因素仍有很多種，比如外界的溫度、電壓、電流、頻率等，都會使全電子式電能表計算出的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，還有一些設(shè)計上的因素，比如電能表的計算方法和電壓電流交換組件的分散性等。

3 諧波對電能計量準確性的影響

3.1 諧波對感應(yīng)式電能表計量的影響

電能表計量常受波的畸變影響，這是電能表的頻率特性決定的。電能表頻響曲線是否平坦，對其在諧波功率下計數(shù)誤差影響較大。所以，分析諧波對電能表計量的影響程度，應(yīng)先進行頻響的研究。

感應(yīng)電能表在應(yīng)用中，如果電路中的電流的頻率發(fā)生變化，出現(xiàn)諧波等現(xiàn)象它就會產(chǎn)生誤差。產(chǎn)生誤差的原因主要有以下幾點［5］:(1)轉(zhuǎn)盤的影響。電能表的轉(zhuǎn)盤并不是純粹的電阻，在其內(nèi)部有感抗存在，頻率變化時，其等效阻抗及阻抗角會隨頻率的變化而變化，當頻率增大時，阻抗或阻抗角增大，電能表轉(zhuǎn)盤變慢，當頻率減小時，阻抗或阻抗角減小，電能表轉(zhuǎn)盤變快。(2)出現(xiàn)諧波后，頻率增大，磁通量反而減小，隨后導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤的力矩變小，從而使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動減慢，導(dǎo)致計量的失準。(3)出現(xiàn)諧波，電流頻率增大，電壓線圈磁通量隨之減小，減小后導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤的力矩變小，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動減慢，電能表計量誤差負向變化。電流和電壓磁通量變化給轉(zhuǎn)盤力矩帶來影響，使電能表產(chǎn)生誤差，但當頻率發(fā)生的變化較大時，該影響就會增高，占據(jù)更多的作用，因此諧波出現(xiàn)將對電能表產(chǎn)生一定的計量影響。

3.2 諧波對電子式電能表計量的影響

電子式電能表計量電能是按照總體進行計算的，而電流在線路中不僅有基波還有諧波，按照總體計量的標準將基波和諧波都計算在內(nèi)，但是諧波對于線性用戶是有害的，也被計入在內(nèi)，這就使電能表的電量計入增多。而非線性的用戶可產(chǎn)生諧波，并將產(chǎn)生的諧波反饋到電網(wǎng)中，污染電網(wǎng)，這樣電能表只是計量了基波，而來計入其產(chǎn)生的諧波，所以計量數(shù)據(jù)反而減?。?］。目前的情況是電子電能表存在計量誤差改進方法是:加前置低通濾波器，濾去諧波，只計量基波電能，對線性用戶而言，該方法是有效的。但是對于非線性用戶來說，卻沒有計量其產(chǎn)生的諧波電能，同樣存在誤差，應(yīng)用仍不理想。

4 結(jié)束語

在電力系統(tǒng)中，由于非線性用戶向電網(wǎng)注入大量的諧波，諧波不僅影響電能質(zhì)量，同時造成電力部門電能計量表漏計，論文從電能的計算原理和電能表的計費原理上探討諧波造成計量漏計的原因，建議對非線性負載用戶的諧波進行綜合治理，并采用高精度的電子式電能計費表，用戶和供電部門均能獲得更好的經(jīng)濟受益。諧波在一定程度上對電能表造成了計量誤差，非線性負荷不但將諧波引入電網(wǎng)，同時也給電網(wǎng)造成嚴重危害，而且對電力部門、線性用戶以及節(jié)能環(huán)保均不利，因此必須加強對電能計量的監(jiān)督和管理。

［1］張卓，駱盛軍.對諧波影響下的電能計量方式的探討［J］.廣東電力，2002，15(4):23 －24.

［2］唐福順，禹仲明.基于電力諧波的電能計量分析［J］.湖南電力，2007(12):10－11.

［3］吳竟昌.電力系統(tǒng)諧波［M］.北京:水利電力出版社，1998.

［4］韓如成，趙旭，王暢，等.諧波對電能計量影響的分析及對策研究［J］.太原重型機械學(xué)院學(xué)報，2002(3):216－220.

［5］席志紅，李婭，邊巒劍.基于混沌振子系統(tǒng)的電力諧波檢測研究［J］.電子科技，2010，23(7):78 －80.

［6］付麗君，曲宙強.電力通信的噪音仿真系統(tǒng)［J］.計算機仿真，2004(7):66－69.