電氣化鐵路供電諧波對電能計量的影響研究

唐水蓮

摘 要：現階段，隨著經濟的發展，各項基礎設施的完善，電氣化鐵路設施的建設也獲得了長足的發展。在電氣化鐵路的日常運行中，單相負荷是主要的牽引負荷。在運行過程中，供電諧波對電能計量的準確度產生了影響。文章對電氣化鐵路供電諧波對電能計量的影響進行了研究，通過理論分析、試驗驗證等方式，對電能計量影響的實際情況進行分析，為電氣化鐵路運輸的完善奠定堅實的基礎。

關鍵詞：電氣化鐵路；諧波；電能計量；基波電能表

眾所周知，在現階段電氣化鐵路的運行過程中，電力牽引的電源由110kV或220kV的雙電壓電源提供，當電流經過牽引變壓器后，變為27.5kV供電力機車直接使用，從而驅動直流電動機，實現交直牽引供電制式。在電力機車的運行過程中，諧波的產生直接與機車的整流裝置和方式密切相關，此外，電氣化牽引變電所的類型、主變結線方式、接入電網電壓等因素也是諧波產生的重要因素。

1 鐵路電氣牽引用電負荷的特點

其一，單相移動負荷。由于鐵路以及供電臂的不同相之間，電能的供應特點具有滑動性，再加上運行過程中換相的隨機性，回流線功能由大地和鋼軌共同承擔。其二，單相沖擊負荷。現階段，鐵路運輸不斷提速，日趨現代化，對于列車質量和運行速度提出了更高的要求，列車運行中的速度、加速度，列車途經線路的坡度、曲率半徑以及列車的牽引、制動方式都在發生變化，負荷波動幅度不斷增大，牽引用電負荷所承受的瞬時沖擊或短時沖擊更是不斷增加。其三，單相無功負荷。電氣化鐵路供電運行過程中，整流消耗的無功功率較大，機車變壓器存在消耗，接觸網消耗嚴重，大量的無功電流在牽引負荷中產生，導致功率因數不能得到有效提高。其四，單相整流負荷。在電氣化鐵路的供電運行過程中，由于機車變壓器和整流設備的使用，電力才得以在機車多臺直流電動機中傳遞，但是由于整流，產生大量基波電流供給的同時，也造成大量諧波電流的產生，從而產生諧波電壓，影響鐵路電氣牽引的用電負荷。

2 電力系統中諧波問題分析

在電網中，由于整流器、變頻調速裝置、電弧爐以及其他電子裝置的存在，會對供電負荷產生重要影響：如果在電網中正弦電壓作用于非線性負荷，電流便會以非正弦波的方式呈現。大量的非正弦波存在于電網中，從而導致電網阻抗，進而導致電網降壓，電壓波形在被逼迫的情況下發生畸變，產生大量的諧波，進而威脅整個供電網絡。首先，諧波的存在，會增加電網系統中元件的損耗，尤其是由于諧波所導致的額外損耗，從而也有損于元件工作效率、輸電效率和用電設備效率；其次，由于諧波的存在，電網中的電器設備無法擁有良好的工作環境，無法正常發揮功能，從而導致電機過電壓現象的產生，不良機械振動、噪音等問題也是諧波的主要不良影響之一。與此同時，諧波的存在，容易誘發變壓器局部過熱問題，從而引起電纜、電容器等設備的過熱問題，加速設備的絕緣老化，縮短設備的使用壽命；再次，由于諧波的存在，電網中局部并聯諧振、局部串聯諧振現象長期存在，并進一步擴大諧波的威力，諧波的危害成倍增加，誘發事故的發生。第四，在系統中，由于諧波的存在，通信系統信號質量難以提高，信號不能正常傳遞，甚至導致通信設備的損壞。

3 電氣化鐵路供電諧波對電能計量的影響

3.1 電能計量的重要性

電能由于其方便和清潔的原因，已成為人們賴以生活的重要部分，就同其他商品會經歷生產、銷售和消費三個階段一樣，電能也是一種商品，它同樣也會涉及到發電、供電和用電三個階段，所以也會牽扯到銷售和購買的結算問題，此時就需要將電能計量數據作為考量的依據，而且它的準確與合理會關系到相關者的利益和交易的公平。除了相關的經濟問題之外，電能計量還會涉及到技術和生產的問題，比如發電量、供電量、用電量以及線損和煤耗的問題。

按照工作原理劃分，目前用于電能計量的電能表分為電子式電能表和感應式電能表兩類。其中，感應式電能表的準確度等級為0.5-3.0，頻率范圍為45-55Hz，啟動電源為0.003L，過載能力為4倍，功率消耗大，受外磁場的影響也大，而電子式電能表的準確度等級為0.001-2.0，頻率范圍為40-1000Hz，啟動電源為0.001L，過載能力為5-10倍，功率消耗小，受外磁場的影響也小，所以無論從功能還是性能，電子式功能表更加適應現代電力系統的發展和要求。

3.2 電能計量的準確性

諧波功率可分為無功功率和有功功率兩類，文章僅研究有功功率，無功功率不在研究范圍內，所以本章節的研究目標即為：電能表能否在諧波情況下對流經它的所有有功功率做出準確計量。眾所周知，電網負荷主要包括非線性負荷、線性負荷兩種[1]。電能表反應電能的公式如下所示：

E=E1+■K■E■

其中，E代表電能表的電能，E1代表電能表的基波電能；El代表電能表的諧波電能；Kl為響應系數。大量實踐表明，電子式電能表會受到乘法器時鐘與互感器頻帶的限制而呈現出寬帶響應的特性。對于線性負荷，感應式電能表計量的電能比基波電能大，比諧波和基波電能之和小，而電子式電能表所計量的電能等于諧波和基波電能之和；對于非線性負荷，感應式電能表所計量的電能比諧波和基波電能之和大，比基波電能小，而電子式電能表所計量的電能是基波和諧波之差，同樣也會比基波電能小。

3.3 電氣化鐵路諧波對電能計量誤差的影響

在我國的電氣化鐵路中，計量方式采用高供高計的方式。這種方式一改電氣化鐵路發展初期低壓側設置計量裝置的弊端，不合理現象也基本摒除。關于電氣化鐵路諧波對電能計量誤差的影響，文章主要通過試驗的方式進行研究。試驗中以0°和180°分別標記諧波功率角，以便增加試驗的真實性和可靠性，準確得出電能計量過程中的誤差情況[2]。在試驗過程中，其具體的接線如下圖1所示。

在本次試驗研究中，所需要的設備包括PQ102C諧波源發生裝置、SB2300電能表現場校驗儀、紅相、科陸基波電能表、FPA-1全功率測試儀、電能質量測試儀。諧波源發生裝置在試驗中，需要發出基波電壓和電流信號，并按照既定的要求釋放疊加諧波電壓和電流，并承擔著改變基波和諧波信號相位的任務。電能表現場校驗儀能夠對電能表功能、全波電能誤差、基波電能誤差進行測量。紅相和科陸基波電能表用于基波電能和全波電能的測量。全功率測試儀能夠精確地對諧波功率和方向進行測試。電能質量測試儀用于對電能質量的監測。通過試驗，能夠得出電氣化鐵路諧波對電能計量誤差的影響：一方面，基波電能表全波電能測量過程中，全波電能表產生的誤差，能夠符合國家要求。這樣的前提必須是諧波電壓和電流相位為0°和180°。另一方面，在這個前提下，基波電能表基波電能計量對基波電能標準表的影響誤差也在有效的范圍內。此外，關于回路疊加基波的電壓和電流信號測定，基波電能表的計量誤差為9%，試驗結果顯示與理論值吻合，也就是說，在諧波影響下，電量的計量要多于實際值。

4 結束語

諧波的存在，對于電網計量準確性和合理性有著重要影響。尤其是，不合理的電能計量對于系統中的線性負荷用戶和供電部門造成了巨大的經濟損失，為此，在電氣化鐵路供電系統中，應該對由于諧波造成的不合理計量進行規范，使供電和用電雙方達成合理、公平的協議。

參考文獻

[1]田華.試述電氣化鐵路供電諧波對電能計量的影響[J].城市建設理論研究（電子版），2013（23）.

[2]岳國義，段曉波，耿建坡，等.電氣化鐵路供電諧波對電能計量的影響研究[J].電測與儀表，2009，46（8）：39-43.