諧波背景下的電能計(jì)量誤差分析

張英

摘 要：隨著人民生活水平的提高，人們對用電的質(zhì)量要求越來越高，但是在電荷以及電容量超載的情況下，諧波的產(chǎn)生必然會對電能計(jì)量產(chǎn)生極大的影響。本文主要分析了產(chǎn)生諧波的原因，然后簡要概述在諧波背景下電能計(jì)量的誤差，以及解決這些誤差的措施。

關(guān)鍵詞：諧波；電能計(jì)量；誤差

中圖分類號：TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、產(chǎn)生諧波的原因

電能計(jì)量的精確與否直接關(guān)系著電力企業(yè)以及用電用戶的利益，所以對電能計(jì)量進(jìn)行研究十分必要。電能計(jì)量在工作的時(shí)候產(chǎn)生誤差很大程度上和諧波電流有關(guān)，因?yàn)楫?dāng)今社會對用電的需求量很大，所以很多電流裝置超負(fù)荷運(yùn)載，加上裝置內(nèi)部是非線性的負(fù)荷應(yīng)用，很容易產(chǎn)生諧波，從而對電能計(jì)量造成影響。

諧波產(chǎn)生的原因各異，但主要有以下3種。第一，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生諧波。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)中的繞組在安裝的時(shí)候既不是對稱的也不均勻，發(fā)電機(jī)在發(fā)電運(yùn)作的時(shí)候便會產(chǎn)生不穩(wěn)定的電源質(zhì)量，形成諧波。第二，輸配電系統(tǒng)的影響。在輸配電系統(tǒng)中，變壓器的鐵心越是呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，產(chǎn)生諧波的幾率就越大，加上變壓器的磁化曲線是非線性的，變壓器的磁化電流便會變得不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生諧波。第三，是因?yàn)橛秒姇r(shí)候的影響。現(xiàn)在很多電力設(shè)備比如電源開關(guān)或者各種充電設(shè)備都應(yīng)用了晶閘管材質(zhì)，這種材質(zhì)非常容易產(chǎn)生諧波，尤其是用晶閘管材質(zhì)制作的整流設(shè)備，產(chǎn)生的諧波更多。

二、諧波對電能計(jì)量的影響

諧波的產(chǎn)生，必然會對電能計(jì)量產(chǎn)生很大的影響，造成電能計(jì)量誤差。諧波對電能計(jì)量的誤差主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)是對互感器產(chǎn)生誤差，另一個(gè)是對電能表產(chǎn)生誤差。

1.諧波對互感器產(chǎn)生誤差

互感器的類型有很多，本文主要分析的是諧波對電磁式互感器產(chǎn)生的誤差。一方面是諧波對電壓互感器的影響。在發(fā)電站或者變電站中，電壓互感器一般安裝在距離計(jì)量表安裝點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方，兩者之間還存在著許多電纜、隔離開關(guān)以及接線端子等元件。這些元件的存在會產(chǎn)生二次回路阻抗，包括接觸電阻、導(dǎo)線阻抗以及元件內(nèi)阻。這些二次回路阻抗會對電壓互感器造成影響，主要是兩端的電壓不一致，從而引起計(jì)量的誤差。另一方面是對電流互感器的影響。電流互感器在工作的時(shí)候，可能會產(chǎn)生勵(lì)磁電流，電流的損耗量較大，加上電磁式電流互感器中的鐵心磁化曲線是非線性的，鐵心飽和度越高，使得產(chǎn)生的電流和額定電流之間的差值變大，主磁通差距變大了以后就會對計(jì)量產(chǎn)生影響，使得誤差變大。

2.諧波對電能表產(chǎn)生誤差

電能表是重要的電能計(jì)量儀表，包括電磁感應(yīng)電能表、全電子電能表等。對于電磁感應(yīng)電能表來說，其內(nèi)部存在基波和諧波電壓和電流，導(dǎo)致電壓線阻抗、旋轉(zhuǎn)圓盤以及電流電壓的磁通等發(fā)生變化，然后使得電能計(jì)量產(chǎn)生誤差。尤其是在基波和諧波發(fā)生波形畸變的時(shí)候，電壓和電流又不是線性的鐵芯，所以會無法和電磁矩陣相疊，使得電能計(jì)量的誤差更大。對于全電子電能表來說，主要是和其計(jì)算方法有關(guān)。全電子電能表在進(jìn)行計(jì)量的時(shí)候先對不同頻率下產(chǎn)生的電壓電流的數(shù)值進(jìn)行記錄，然后選取一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行采樣計(jì)算。但是這種計(jì)量方法在計(jì)算功率的時(shí)候是將各個(gè)波次功率相加，并沒有將諧波的方向考慮在內(nèi)。所以對于非線性用戶來說，他們在電能計(jì)量時(shí)，非線性負(fù)荷的誤差為負(fù)，也就是會少計(jì)量了電能，而對于線性用戶來說，他們在電能計(jì)量的時(shí)候，線性負(fù)荷的誤差為正，也就是會多計(jì)量了電能。總之，電能表計(jì)量時(shí)的計(jì)算方法會對電能計(jì)量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大的影響，尤其是在諧波功率變大的情況下，誤差會更大。另外，外界的溫度、頻率以及電壓電路的交換組件等都會對電能計(jì)量的準(zhǔn)確性造成影響。

三、解決電能計(jì)量誤差的措施

針對上述產(chǎn)生電能誤差的分析，想要解決或者降低電能計(jì)量誤差，必須要采取優(yōu)化改進(jìn)的措施，包括互感器的改進(jìn)和電能表的改進(jìn)，見表1。

1.互感器改進(jìn)

上文中提到互感器對電能計(jì)量誤差的影響主要表現(xiàn)在電壓互感器和電流互感器兩種。針對這些誤差，分別可以從以下幾個(gè)角度進(jìn)行考慮。

1.1電壓互感器改進(jìn)

在改進(jìn)電壓互感器的時(shí)候，首先可以從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來優(yōu)化，因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)中鐵芯是產(chǎn)生電能計(jì)量誤差的重要因素，所以在安裝鐵芯的時(shí)候要注意材質(zhì)的選擇，最好選用高導(dǎo)磁率的材質(zhì)，然后鐵芯的磁密要均勻而且盡量要降低磁密，鐵芯的長度也要適度地減短。另外，可以通過減少繞組的匝數(shù)和改進(jìn)繞組的耦合狀態(tài)來降低電能計(jì)量的誤差。其次是要減少二次回路的電流。比如選擇專用的電線路和計(jì)量線路，在電能表和互感器之間應(yīng)用專用路線。比如經(jīng)常要檢查和維修導(dǎo)線和元件的接頭，減去不必要的接觸電阻。另外，還可以采用多繞組的電壓互感器，或者采用補(bǔ)償性儀器來補(bǔ)償在二次回路中產(chǎn)生的誤差。

1.2電流互感器改進(jìn)

電流互感器產(chǎn)生電能計(jì)量的誤差，主要是因?yàn)閯?lì)磁磁動勢造成的，所以在改進(jìn)電流互感器來減少誤差的過程中，可以采用補(bǔ)償法來補(bǔ)償勵(lì)磁磁動勢。補(bǔ)償法有無源補(bǔ)償法和有源補(bǔ)償法。無源補(bǔ)償法是在二次側(cè)設(shè)置固定電容，不過這種方法對于提高電能計(jì)量的精確度比較緩慢，所以還可以采用有源補(bǔ)償法進(jìn)行自動跟蹤補(bǔ)償。

2.電能表改進(jìn)

上文中提到的幾種電能表，在改進(jìn)的時(shí)候主要可以對電子式電能表進(jìn)行優(yōu)化。電子式電能表的缺陷是其計(jì)量計(jì)算方法，所以在改進(jìn)的時(shí)候主要針對計(jì)量方法進(jìn)行方案的優(yōu)化。在原先的計(jì)算方法上，因?yàn)橹C波的存在，線性用戶多計(jì)量了電能，而非線性用戶少計(jì)量了電能，這對于線性用戶來說自然是非常不公平的，所以在優(yōu)化計(jì)算方案的時(shí)候，首先要采取懲戒措施對那些諧波源用戶進(jìn)行懲罰，補(bǔ)償給受他們諧波影響的其他用戶和供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在計(jì)量方案方面，可以以基波電能計(jì)量為基礎(chǔ)，然后把諧波電能作為獎(jiǎng)懲的依據(jù)，也就是說以基波電能產(chǎn)生的費(fèi)用作為基礎(chǔ)費(fèi)用，然后再對那些產(chǎn)生諧波的用戶收取補(bǔ)償費(fèi)，不僅降低了對其他用戶的影響，而且也督促這些產(chǎn)生諧波的用戶自覺處理諧波，減少諧波帶來的誤差影響。

結(jié)語

綜上，在諧波背景下，電能計(jì)量產(chǎn)生誤差是必然的，但也不是不能避免的。所以需要認(rèn)真分析產(chǎn)生諧波的原因，并且針對諧波產(chǎn)生的主要誤差影響，采取相應(yīng)的措施來降低或者消除諧波誤差。

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