谐波对电能计量的影响

浅析谐波对电能计量的影响

摘要：本文从电力谐波对电网的危害及其对电力企业经营效益的影响入手，通过电力谐波对普通电子式电能表和感应式电能表电能计量的对比，分析了电力谐波对电能计量的影响，推广电力谐波电能计量的必要性，并提出改造对策和展望。

关键词：谐波电能计量

中图分类号：tm933.4

随着非线性电力负荷的日益增多，特别是大功率交直流换流设备、电弧炉、感应炉等非线性负荷的大量应用，由于这些非线性负荷产生的大量谐波电流，使电网供电电压和电能计量处电流的正弦波形发生了严重的畸变，造成电能计量不准确。另一方面，电力系统谐波不仅对供电系统造成污染，对电力设备构成危害，而且产生谐波的非线性用户将其吸收的一部分基波电能转化为谐波电能，并反送给电网，造成供电企业线损增加，电力营运企业非经营性成本增加。为此有必要研究在谐波影响下的电能计量，使电能计量管理更加合理，保障电力营运企业的经营效益。

一、谐波的来源

所谓谐波，就是由用户的设备所产生的频率在100hz及以上所形成的功率。产生谐波的设备主要有铁磁饱和型、电子开关型和电弧型三类。铁磁饱和型主要是各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，铁芯饱和会呈现非线性功率；电子开关型主要是各种交直流设备，如整流器、逆变器、双向晶闸管和可控开关设备等，它们普遍用于

冶金、化工、电气化铁路、计算机等；电弧型主要是各种炼钢炉、电焊机和弧焊机等设备。

二、谐波的危害

谐波对电网的污染主要会影响电力系统的稳定运行、继电保护的误动作、增加电网线损，缩短电气设备寿命、降低发电、输电及用电设备的效率、引起公用电网中局部并联谐振和串联谐振而使谐波放大、对邻近的通信系统产生干扰等。

1.电压的变化范围过大

电网供电不足，供电部门采取降压供电，或地处偏远地带，损耗过多，导致电压偏低。电网用电太少，导致电压偏高。

电压低负载不能正常工作，电压太高，负载使用寿命缩短，或将负载烧毁。

2.波形失真（或称谐波waveform distortion）

普遍的波形失真指标准电源波形的多种谐波。电网谐波产生的原因是整流器、ups电源、电子调速装备、荧光灯系统、计算机、微波炉、节能灯、调光器等电力电子设备和电器设备中开关电源的使用或二次电源本身自身产生。

谐波对公用电网的危害主要包括：

1）使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输变电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时，会引起线路过热甚至发生火灾；

2）影响各种电气设备的正常工作，除了引起附加损耗外，还可

使电机产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏；

3）会引起公用电网中局部并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使前述的危害大大增加，甚至引起严重事故；

4）会导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确；

5）会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

6）产生突波（或称电涌power surges）

指在瞬间内（数毫秒间）输出电压有效值高于额定值110%，持续时间达一个或数个周期。是破坏精密电子设备的主要元凶。除受到雷击产生外另外主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机开机时，电网因突然卸载而产生的高压。

电涌对敏感电子电器设备的影响有以下类型：

破坏电压击穿半导体器件，破坏元器件金属化表层等；干扰数据处理程序出错

接收、传输数据的错误和失败等；使得电气零部件提前老化、电器寿命大大缩短.

电涌会毁坏哪些电气设备：

含有微处理器的电气设备极易受到电涌的毁坏，这包括计算机及辅助设备、程序控制器、plc、传真机、电话机、留言机等；程控交换机、广播电视发送机、影视设备、微波中继设备；家电行业的

产品包括电视机、音响、微波炉、录象机、洗衣机、烘干机、电冰箱等。调查数据表明：在保修期出现问题的电气设备中，有63%是由于电涌造成的。

三、谐波功率的潮流方向

为了便于说明谐波的潮流方向。图1给出了简化电网中的谐波有功潮流分布图，该图包括了基波p1功率源、谐波源pg用户以及非谐波源用户的基波与谐波功率潮流方向。谐波源用户和非谐波源用户不但消耗掉发电机发出的基波功率，发电机、谐波源用户和非谐波源用户同时分别消耗掉谐波源用户产生的谐波功率pg。谐波源用户和非谐波源用户各自消耗掉多少谐波功率，是有各自负载阻抗决定的。

四、电力谐波对感应式电能表和电子式多功能电能表计量的影响如果在发电机、谐波源用户和非谐波源用户各自安装电能计量装置进行计量，则谐波源用户电能计量装置实际计量所消耗的功率为p1- pg；非谐波源用户电能计量装置实际计量所消耗的功率为p1+ pg；发电机的电能计量装置实际计量所消耗功率为p1- pg，这就导致非谐波源用户吸收了对自己没有丝毫用处的、甚至还有危害的谐波电能，同时还要为谐波电能支付电费；相反的，谐波源用户不但消耗基波电能，同时还将部分基波电能转化为谐波电能污染电网，而且还少支付输出谐波电能所产生的电费；当发电机消耗较多的谐波电能时，不仅会降低发电出力，影响经济效益，同时还影响电网的安全运行，这显然是不合理的。为了研究解决这种不合理的电能

计量方式，我们在阜阳电网电气化铁路牵引站电能计量装置上，同时按装了一只三相四线0.2s级电子式电能表和一只三相四线0.5s 级电子式多功能电能表（计量基波和谐波）作为研究对象。其测量数据如下：

从上表中我们可以发现，电子式电能表与电子式多功能电能表（基波和谐波）的电能计量是存在差异的，这是因为它们的计量方式不相同所造成的。

我们下面分别对以下两种电能表的测量方式进行分析：现在普遍使用的电能计量表主要有电磁感应式电能表和电子式电能表：

电磁感应式电能表（包括机电一体式感应式电能表）是通过电流和电压电磁感应组件驱动转盘转动，进而驱动计数装置记录电能量。它产生误差的原因很多，与电力谐波相关的体现在两个方面。其一：感应式电能表是针对非常狭窄频率范围（工频）的正弦电流和电压波形而设计制造的。负载中基波电流电压不变而又含有谐波时，电能表电压线圈和电流线圈的阻抗都会发生变化，会引起电流、电压磁通幅值以及它们间相位角的改变，导致电压工作磁通和对应的电流磁通变化，使驱动力矩、抑制力矩、补偿力矩以及铁芯损耗的大小发生相对变化，从而引起电能计量附加误差。

其二：当存在谐波电压与电流时，由谐波和基波叠加而成的电压与电流波形发生畸变，但由于对应的铁芯导磁率的非线性，磁通并不能相应成线性变化，根据感应式电能表的工作原理，只有同频率的电压和电流产生的磁通相互作用才能产生转矩。畸变的波形通过