浅谈谐波对电能表计量的影响

浅谈谐波对电能表计量的影响

摘要：文章主要分析了谐波对电能表计量的影响，谐波产生的根本原因是电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压和所产生的电流不成线性关系。这些非线性负荷在工作时间向电网反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电能质量变坏，因此分析电能表的工作原因及谐波对电能表计量的影响具有重要意义。

关键词：谐波; 电能表; 计量

0引言

随着我国工业化进程的迅猛发展，电网装机容量不断加大，电网中电力电子元件的使用越来越多，致使大量的谐波电流注入电网，造成正弦波畸变，引起电能质量下降。这不仅对电力系统的用电设备产生重大影响，危害用户的用电安全，甚至对供电企业安装的电能计量装置产生影响，造成计量失准，给供用电双方带来损失。

目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低被列为电力系统的三大公害，本文主要分析了谐波产生的机理，着重探讨供配电系统中的高次谐波，这对于改善供电质量、准确计量、保护电力系统安全、经济运行都有着十分重要的意义。

1电力系统谐波问题

1.1 谐波的定义

在国际电工标准中定义：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。由于频率是基波频率的整数倍数，我们也常称谐波为高次谐波，对谐波次数的定义为：“以谐波频率和基波频率之比表达的整数”。习惯上，规定电力系统工频为基波频率。

1.2 谐波的产生和主要谐波源

在理想的情况下，优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压（线性系统输入正弦波，输出为同一频率的正弦波），如图1-1。但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率为基波频率（工频50Hz）整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波。在供电系统中，谐波产生的根本原因是电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压和所产生的电流不成线性关系。这些非线性负荷在工作时间向电网反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电能质量变坏。

图1-1线性系统

电力系统中的非线性设备和负荷都是谐波源，按其非线性特性主要有三大类：

（1）电磁饱和型：各种铁芯设备变压器、电抗器等，其铁芯饱和特性为非线性。

（2）电子开关型：主要是各种交直流换流装置（整流器、逆变器）以及双向晶闸管可控开关设备等，它们在冶金、矿山、电气铁道等大量工矿企业中被广泛使用，晶闸适宜于整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波，经统计，由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%。

（3）电弧型：各种炼钢设备、电弧焊机等，如在电弧炉中由于加热原料时三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而流入电网。

1.3 谐波的危害

（1）谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，严重的甚至可能引发火灾。

（2）谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等故障，变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘部分老化、变质，设备寿命缩减，直至最终损坏。

（3）谐波会引起电网谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振常会使之烧毁。

（4）谐波会影响继电保护和自动装置的工作和可靠性，谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸，则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严

重威胁电力系统的安全运行。

（5）谐波会使测量和计量仪器的指示和计量不准确，由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能，从而谐波源虽然污染了电网，却反而少交电费；而与此同时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。

（6）谐波会对设备附近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

（7）谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作，造成数据丢失或死机。

（8）谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能，造成噪声干扰和图像紊乱。

2电能表的结构和计量原理

2.1 电能表的分类

目前电能表的分类大致如下：

（1）按结构和工作原因分：感应式（机械式）、静止式（电子式）和机电一体式（混合式）；

（2）按接入电源性质分：交流电能表和直流电能表；

（3）按准确度等级分：普通级和标准级，普通级电能表一般用于测量电能，常见等级有0.5、1.0、2.0级；标准电能表一般用于检验不同电能表，常见等级有0.01、0.5、0.2级等；

（4）按用途分：工业与民用电能表、电子标准电能表和特殊用途电能表等。

本论文中，将按照第一类分法即分为感应式和电子式两种来分析谐波对电能表的影响。

2.2 电能表的结构和工作原理

2.2.1 感应式电能表结构

感应式电能表分为测量机构和辅助部件两部分，测量机构由驱动元件、转动元件、制动元件、上轴承、下轴承、计度器组成，是感应式电能表的核心部分。