电力系统谐波对电子式电能表计量的影响

李守公 呼和浩特供电局电能计量中心 内蒙古呼和浩特 010050

【文章摘要】

谐波不仅影响电子式电能表的计量准确度，还影响电力系统设备的运行安全。本文通过分开深入了解电力系统谐波的产生、危害和电子式电能表的工作原理及结构，分析了谐波对电子式电能表计量的影响。

【关键词】

谐波；电子式电能表；影响；措施

电力系统中谐波的存在，致使电子式电能表的计量失准，最终造成国家的经济损失。谐波的污染影响着电网电力的成本提高，损耗增加和设备使用寿命减少，谐波对计算电能的影响不容忽视。

1 电力系统谐波的根源和危害

1.1 电力系统谐波的概念

电力工程标准中对谐波定义为：谐波指周期的电气量正弦波的分量，其频率是基波频率的几倍，因此也称之为高次谐波，对谐波的次数定义：谐波和基波频率的整数倍称之为谐波次数。

1.2 电力系统谐波的产生和谐波源

在一般情况下，没有问题的电力系统供应的应该正弦波形电压，但实际情况中，电压的波形受到外界原因会偏离正弦波形，就是产生了谐波。我国工业中的谐波是指基波频率50Hz 整数倍的正弦波的分量，即高次谐波。在电力系统供电中， 产生谐波的主要原因是提供电力的某些设备达不到电压而产生的不成线性的电流。这些不成线性的非线性电流在反馈高次谐波给电网时，导致了电力供电系统电流和电压的波形畸形，从而破坏了电能质量。非线性的设备和负荷都是谐波的产生源，以非线性的特性可以分为三种：第一，电磁饱和非线性，指各种电力系统中的铁芯设备。第二，电子开关非线性，指广泛使用在矿山和电气等工矿业中控制各种交流装置和晶闸管的开关设备，晶闸管是移动整流装置控制，其谐波量达到40%。第三，电弧型，电弧焊机和炼钢的设备因为原料加热时的三相电极不能同时接触到炉料，燃烧不稳定，从而引起了负荷的不平衡，造成了谐波，谐波又经三角线圈的变压器注入电网。

1.3 谐波的危害性

谐波对电力系统的危害包括：第一， 增加了供电和用电设备的损耗。谐波电流是基波频率的数倍，当高频电流通过导体时，阻碍谐波电流的电阻成倍增加，使设备发热严重，加速设备损耗。第二，减少了自动保护装置的可靠性和动作性。保护装置是按负序量整定的，值数小，敏感强，在此基础上加上电弧炉和电气化引起的谐波源干扰，不仅会引发负序保护装置的误跳闸，还会使电压闭锁的元件误关，最终导致电力系统的安全运行受到影响。第三，干扰通信，谐波电流经过电力线路的磁场会和，对临近的通信线路产生电压干扰，影响其工作系统。第四，测量表的计量失准，谐波电流会影响电能计量装置投入，增加经济，提高电力系统的成本。

2 电子式电能表的结构和工作原理

2.1 电子式电能表的发展

电能表是专门测量电能的仪表，在管理电能仪器中电能表占比例较大，其性能对电能管理效率及科学化有直接的影响。19 世纪末期，感应式电能表诞生，它利用磁场中金属的感应电流和磁场构成力原理，促进了当时的电能商品化。为了符合电能的适用范围广、准确率高、功能齐全的要求，产生了电子式电能表。我国的电子式电能表是用分割模拟乘法器完成电功率的测量。

2.2 结构和工作原理

电子式电能表的结构原理如下图1。

它是通过采集电压和电流信号，将电压和电流信号功率传输给乘法器，乘法器功率通过V/F 转换器计数得到频率电能， 最后将电能值送入输出单元。电子式电子能表包含几个主要部分：第一，输入部分。电压信号的输入是通过电阻分压或者电压互感器转换为电压再输送给乘法器；电流信号是直接通过分流电阻转换为电压，或者通过互感器把大电流转换为小电流和电压以适应乘法器。第二，乘法器。模拟乘法器分为霍尔乘法器和分割乘法器。目前我国采用的是分割乘法器，它是把被测交电流分割成微小的时间间隔单位，把间隔时间段作为瞬间直流量计算。第三，积分部分。乘法器输出的是功率，不仅要把功率转换成电能，还要进行积分，通过V/ F 对功率信号进行变换再分频。第四，输出部分。输出就是显示，常用方法有：LED、LCD 和字轮计度器。

3 谐波对电子式电能表计量的影响

3.1 有功计量

有功计量是指用A/D 采样计算数值法，用户的负荷是波动的，无法准确测得每个周期电流、电压的有效值和相位差，就不能直接计算出功率。但功率可以由瞬间值得出，因此可以将电流电压的采样点相乘加后再乘以采样周期计算出电能。这个计算的关键是把电流和电压的模拟量转换成数字量。实践证明，电子式电能表的计算误差除了受采样次数和A/D 转换数影响，最主要是受电流电压互感器和元器件分散性形成的幅值和相位误差的影响。在测量电能时，电流电压因经互感器转换才能送入电能表，所以互感器的精准度直接影响结果，如果互感器有非线性，互感器对畸形的谐波信号转换比例就会不一致，使被测的信号变形，造成大误差。

3.2 电子式电能表的误差频率特性

电子式电能表频率的特性曲线比较平坦，因其有宽范围的频率效应，衰减率低。如果电网中的电流和电压信号仅一个发生畸变，另一个为正常的正弦波时，其误差性不会太大。

3.3 谐波对电子式电能表的影响

电子式电能表计算电能的基础是畸变波形，将基波功率和谐波功率一起计算的。对线性的用户来说，计算基础是基波和谐波电能的总和，谐波虽然对线性用户有害，但也共同被计量。对非线性而言，产生谐波后有一部分倒流回电网，电能表的计量基础就减少了，变成了基波减去谐波的值，计量就不准确。

4 提高谐波对电子式电能表计量影响精度的技术措施

4.1 数据采样的互感器

光纤和广电技术的进步，使互感器基于法拉第的具有磁光效应的OCT 和电光效应的OVT 发挥了巨大作用，克服了传统互感器的铁芯饱和并引起二次波形畸变、窄频的缺点。这两种光学互感器不仅体积小、轻便，还具有绝缘性好、测量范围广、抗干扰力强、精度高和安全性能高的特点，将其应用在电子式电能表的回路中，可以弥补频带窄的缺点。光学互感器是以数字量为传输信号，还可以节省模拟转换的环节，以提高电能测量的效率。

4.2 计算处理的芯片

电子式电能表计算处理的单元是计量的核心，采集的电流电压数据信号在此单元经预定的程序处理并计算，以得到测量的结果。我国目前这部分是由专用芯片或者不同功能的集成芯片组成。为提高测量精准度，对计算处理单元应周密的设计。现行的芯片种类丰富，根据功能的需求选择适合的高度集成芯片，加快计算处理的速度，还可以通过丰富的接口，满足谐波的计量要求，以极大的推动计算谐波的技术能力。

5 结束语

随着电力的发展，电子技术广泛运用在工业和用电设备上，电能计量是国家电网的核算依据，其准确度直接影响供需方的经济利益。电能计算的核心部分是电能表，是计量的手段，准确度影响计量的总量。所以必须深入研究谐波对电能表计量的影响，以减少误差和经济损失。

【参考文献】

[1] 邱陶歆. 电力谐波对电能计量的影响研究[D]. 华南理工大学,2012.

[2] 罗松涛. 谐波背景下电子式电能表计量误差量化分析[D]. 郑州大学,2012.

图1016

实验研究