諧波對電能計量的影響分析

呂云現 侯新成 王桂娥

國網山東鄆城縣供電公司 山東鄆城 274700

摘要：電網中大量的電力諧波使得電能表電能計量的合理性和準確性受到很大干擾，損害電力企業和電力用戶的緊急利益，因此必須采取有效的解決方法，不斷提高電能表電能計量的準確性。本文首先分析了諧波產生原因及危害，然后闡述了諧波對電能計量的影響，最后探討了降低諧波對電能計量影響的措施。

關鍵詞：諧波；電能計量；互感器；電能表

一、諧波產生原因及危害

諧波產生的根源在于諧波電流源，傳統電網中諧波源為變壓器和發電機，現階段多為電網用電子元件設備。由于非線性電子設備中正弦電壓的使用，設備電流與電壓存在波動類型差異，電流波形發生變化，諧波聯通入電網中，形成諧波源。諧波對與電動機、變壓器及其他電子元器件的影響巨大，其具體危害如下：

（一）影響旋轉式電動機工作

由于旋轉式電動機基波頻率低于諧波頻率，在諧波入侵的情況下所引起的電動機渦流作用等，會導致電動機能耗的增加，同時造成鐵損等不良現象。

（二）危害電力變壓器安全

變壓器正常工作時產生的諧波極小，對于儀器的正常運行無太大影響。但當變壓器啟動瞬間，其設備中的諧波瞬時量巨大，可能為額定電流的數倍，雖然持續時間較短，但過大的電流會降低設備使用壽命，甚至造成設備的損壞。

（三）影響電力電容器工作

作為常用電子元器件，電容器由于結構的特殊性，極易受到諧波的影響。電容器設備運行主要依靠元件的充電、放電，該過程中諧波產生的可能性很大，影響電容器的正常工作。

（四）干擾通信線路的使用

諧波對于通信線路的干擾主要表現在電磁感性、電氣傳導等現象中。在載波通信時，諧波混入通信線路，會影響通信聲音的清晰程度，影響通信質量。

二、諧波對電能計量的影響

（一）對電能計量裝置的影響

1、諧波對互感器的影響

根據理論分析與實驗證明，互感器的頻響特性和互感器的精確等級有關。電流互感器（TA）在1kHz的范圍內幅頻特性是平坦的，當頻率低于20kHz時，TA的幅度誤差小于3%。但對電壓互感器（TV）測試表明，當互感器的負載電阻為100時，各類電壓互感器幅值誤差達到3%的頻率為1～6kHz。而且對奇次諧波而言，TV變比誤差隨諧波次數增加而非線性地增大，TV的負載對其頻響特性的影響無明顯規律；對偶次諧波而言，TV變比誤差的非線性增加比奇次諧波時更快。

2、諧波對感應式電能表的影響

感應式電能表是針對非常狹窄頻率范圍的正弦電流和電壓波形而設計的。當頻率與額定頻率不同時，會引起電流、電壓工作磁通幅值及它們之間相位角的改變，使驅動力矩、抑制力矩、補償力矩及鐵芯損耗發生相對變化，從而引起感應式電能表計數誤差的變化。感應式電能表頻響曲線的平坦與否，對它在諧波功率下的計數影響甚大。頻響特性曲線下降的原因是感應式電能表轉盤渦流路徑的等效轉盤阻抗及其阻抗角隨頻率增高而增大所致。當電壓和電流均發生畸變時產生了諧波功率，感應式電能表基本上忽略了5次以上的高次諧波功率。感應式電能表少計量3次諧波功率5%～30%、5次諧波功率80%～95%。值得注意的是，諧波功率的潮流對感應式電能表的計量有很大影響。感應式電能表計量的電能值為：

（1）

式中：E1、Eh的符號可正可負，由實際潮流方向確定，c1、ch為相應的基波、諧波的系數。c1=1、ch≤1，且隨諧波次數的增加而減小。由式（1）可見，對于線性用戶，基波和諧波潮流一致，感應式電能表少計量了用戶消耗的電能，但計量的電能仍大于基波電能；對于非線性用戶，用戶自身向電網輸送諧波分量，諧波潮流與基波潮流相反，感應式電能表計量的值大于用戶消耗的電能而小于用戶所消耗的基波電能。

3、諧波對全電子式電能表的影響

目前所采用的全電子式電能表，其計量原理都是對電壓、電流瞬時值進行采集積分。因此，當諧波存在時，只要測得的讀數在誤差允許范圍內，可認為是基波和諧波有功電能的代數和。全電子式電能表的頻響特性曲線相對平坦，可近似認為無衰減，其對諧波功率的響應和對基波功率的響應基本相同。分析表明，全電子式電能表把基波功率和諧波功率一同計量，在諧波存在情況下其計量誤差比感應式電能表的誤差要大。

（二）諧波對電能計量方式的影響

傳統電能計量時包含了基波和諧波二者消耗的總電能，因此在當前復雜電網條件下局限性很大：

1、線性負荷時，供電基波非正弦波形，計量的電能表讀數為諧波和基波電能總和，導致計量示數過大，用戶承擔費用增加，同時諧波會影響相關電力設備的正常運行。

2、非線性負荷時，諧波的產生會導致部分電能回流至電網中，造成電能表計量示數的減小，這樣不僅使用戶應交費用減少，影響電力企業的經濟效益，而且電能的回流會對電網造成持續損害，影響電網壽命。

3、當負載電源畸變情況發生時，會同時引發上述兩種情況，進一步影響電影能計量，危害電網。綜上所述，諧波的存在對于電能計量方式的影響很大，無論是損害用戶利益還是影響電力企業效益，都會影響電力行業的進步。因此必須改進全能量電能計量方式，充分考慮到諧波對其造成的不良影響，從技術和管理雙層面上進行調整，保證電能計量的準確性。

三、降低諧波對電能計量影響措施

（一）改進計量方式

現現階段電力行業系統中主要計量方式為全能量計量方式，這種方式存在較大的弊端，因此首先要對該計量方式進行改進，應采取對基波電能和用戶吸收、發出諧波電能分別計量的方式。這樣不僅考慮到了線性負荷時，諧波吸收電能造成用戶費用增加的現象，而且消除了非線性負荷時，諧波產出電能引起電力企業利益受損的現象，雙方面保障了電能計量結構的準確性，提升了用戶的信任度和電力行業的潛力。

（二）基波電能計量法

通過上述電力諧波對于電能表電能計量的影響分析，電力用戶終端主要是線性負荷，采用基波電能計量法，可有效提高電力用戶終端的電能計量準確性，避免電力用戶繳納過多的電費。同時，對于電流用戶或者受電力諧波影響比較廣泛的電網線路來說，電力諧波對于感應式電能表和電子式電能表的電流和電壓回路產生大量濾波，這時大部分有功功率是基波電流的有功功率，可極大地提高電能表電能計量的準確性。

（三）全能量電能計量法

電力系統中電能表電能計量數量是有功功率，采用全能量電能計量法，配合電子式電能表，可極大地降低電子式電能表的電能計量誤差。但是需要注意的是電子式電能表同時計量電力用戶終端的電流諧波有功電能，使得非線性電力用戶的電能計量數據減少，因此這種全能量電能計量法只適用于影響力小、電力諧波小的電力系統。

（四）帶加權系數計量法

帶加權系數計量法是一種基于基波電能計量的方法，結合帶加權數據進行電能計量。當前，帶加權系數計量法還處于研究階段，而采用這種方法可得出更加真實準確的電能數據，可全面反映出諧波電能和基波電能，因此帶加權系數計量法適用于電力諧波分布廣泛或者包含大中型電力用戶的電力系統。隨著我國現代化信息技術的快速發展，相信帶加權系統計量法的應用范圍將越來越廣泛。

（五）選擇合適的電能表

在電能表電能計量中，對于電力系統中的同一個計量點，如果電力諧波超過我國電網的相關標準，可采用準確級相同的電磁感應式電能表或者全電子式電能表，也可采用多功能電能表，準確計量諧波分量。當大功率變流設備向電力系統注入大量電力諧波時，感應式電能表可準確記錄基波消耗的有功電能；當電力系統自身產生大量電力諧波時，可應用全電子式電能表，準確、真實地進行電能計量。

結語

綜上，電能計量受諧波影響，給供用電雙方帶來了巨大的影響和損失。由于諧波造成了供電企業線損和電力營運企業非經營性成本的增加，所以加強諧波治理刻不容緩，供電企業和電力客戶都應積極想方設法改善電網諧波狀況。

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