裘星

【摘要】當(dāng)前，隨著電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及接入的非線性用戶增多，從而產(chǎn)生了大量的電力諧波，對(duì)電能計(jì)量帶來(lái)了較大的影響。因此，本文首先分析了電力諧波產(chǎn)生的主要原因和危害，在此基礎(chǔ)上對(duì)電力諧波對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生的主要影響及有效的防治對(duì)策進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】電力諧波；電能表；電能計(jì)量；影響；對(duì)策

一、引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，同時(shí)接入的非線性用戶也在不斷增多，從而產(chǎn)生了大量的電力諧波。電力諧波的產(chǎn)生不僅會(huì)對(duì)電能的計(jì)量產(chǎn)生較大的影響，而且還會(huì)造成計(jì)量泄漏的現(xiàn)象，從而對(duì)電力的安全帶來(lái)了較大的威脅。諧波是一個(gè)周期性電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。由于頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，我們也常稱諧波為高次諧波，對(duì)諧波次數(shù)的定義為以諧波頻率和基波頻率之比表達(dá)的整數(shù)。習(xí)慣上，規(guī)定電力系統(tǒng)工頻為基波頻。因此，本文對(duì)相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行了探討。

二、電力諧波產(chǎn)生的主要原因及危害

（1）電力諧波產(chǎn)生的原因

當(dāng)前電力諧波產(chǎn)生的主要原因有以下三個(gè)：

1）用電設(shè)備中采用的整流晶閘管。應(yīng)用整流晶閘管的主要是開關(guān)電源、電力機(jī)車、充電裝置以及鋁電解槽等等，都得到了非常廣泛的應(yīng)用，而在使用過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量的電力諧波。同時(shí)，對(duì)于電弧爐、電石爐等，會(huì)因?yàn)槿嘭?fù)荷的不平衡而產(chǎn)生電力諧波，從經(jīng)變壓器注入電網(wǎng)。

2）輸電系統(tǒng)。在我國(guó)的電網(wǎng)中，其輸電系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電力諧波，究其原因主要是由于在輸電系統(tǒng)中的變壓器里面，會(huì)因?yàn)樽儔浩麒F心的飽和，使得磁化電流呈現(xiàn)出尖頂波形，從而產(chǎn)生電力諧波。

3）發(fā)電機(jī)的電源質(zhì)量。如果發(fā)電機(jī)的電源質(zhì)量不高時(shí)，也會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生電力諧波，主要是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)主要是因?yàn)槿嗬@組而成的，這在制作上是很難絕對(duì)對(duì)稱的，因此，其發(fā)電機(jī)的鐵心也難做到均勻一致。因此，其產(chǎn)生的電源多少也會(huì)帶有少量的諧波。

（2）電力諧波的危害

一般情況下，產(chǎn)生的電力諧波不僅可以對(duì)電磁環(huán)境產(chǎn)生影響，而且還可以對(duì)電氣設(shè)備和用電效率產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生極大的影響。電力諧波產(chǎn)生的危害主要有，首先，會(huì)在諧波電流和電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲、過(guò)電壓。在該種情況下，就會(huì)使得電氣設(shè)備產(chǎn)生過(guò)熱和絕緣老化的現(xiàn)象，從而對(duì)電氣設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響；其次，電力諧波會(huì)對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生干擾，從而使得傳輸?shù)耐ㄐ判盘?hào)質(zhì)量降低，對(duì)信號(hào)的正常傳輸產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)通信設(shè)備帶來(lái)較大的損害；第三，諧波電流比例較小，但是有效電阻能夠使諧波增大，特別是有鐵心的電氣設(shè)備中鐵心磁滯損耗和渦流損耗也會(huì)增大，而且能夠使得設(shè)備的溫度升高，降低其使用壽命。

三、電力諧波對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生的主要影響

（1）對(duì)感應(yīng)式電能表計(jì)量的影響

為了保證電能表能夠有準(zhǔn)確的計(jì)量，電能表需要工作在三相平衡、電壓、電流為純正弦波而且頻率在工頻附近很窄的范圍內(nèi)。當(dāng)前，我國(guó)電力建設(shè)速度明顯加快，供電系統(tǒng)中的電流、電壓都發(fā)生了不同程度的畸變，其中尤以電力諧波對(duì)感應(yīng)式電能表產(chǎn)生的影響最大。根據(jù)實(shí)踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果感應(yīng)式電能表的安裝點(diǎn)存在著電力諧波的時(shí)候，其基本忽略 5 次以上的高次諧波功率， 一般少計(jì)量 3 次諧波功率 5%～30%，5 次諧波功率80%～95%。究其原因，主要是因?yàn)楦袘?yīng)式電能表的轉(zhuǎn)盤渦流路徑的等效阻抗及其阻抗角隨頻率的增高而增大。當(dāng)線圈電流一定時(shí)，電流工作磁通隨頻率增加而減小，存在諧波功角偏移；當(dāng)線圈端電壓一定時(shí)，電壓工作磁通和頻率的乘積隨頻率的增加而減小。同時(shí)，還需要注意的是，由于磁化曲線的非線性特點(diǎn)，將會(huì)產(chǎn)生高次諧波，從而使得問(wèn)題將會(huì)發(fā)生更加嚴(yán)重的局面。

（2）對(duì)電子式電能表計(jì)量的影響

電子式電能表的兩個(gè)基本要素分別電壓和電流，通過(guò)對(duì)它們進(jìn)行一定周期的采樣，并輸入到集成電路中進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，從而有效實(shí)現(xiàn)計(jì)量功能。電子式電能表的主要原理圖如下所示：

圖1 電子式電能表的原理結(jié)構(gòu)圖

可見，在電子式電能表的原理中，乘法器是其主要的核心部件，能夠有效實(shí)現(xiàn)電壓與電流的相乘運(yùn)算，其準(zhǔn)確度如何將會(huì)對(duì)整個(gè)電能表的測(cè)量精度產(chǎn)生較大的影響。時(shí)間分割乘法器是目前最為常用的乘法器。然后從乘法器輸出的電壓模擬量將會(huì)送到數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換電路中，轉(zhuǎn)換成與其成正比的脈沖數(shù)字量，最后輸入到計(jì)數(shù)電路和驅(qū)動(dòng)電路，完成功率測(cè)量。

和感應(yīng)式電能表相比，其在精度、功能和應(yīng)用方面都有著明顯的優(yōu)勢(shì)。電子式電能表的曲線平坦，基本沒有衰減，說(shuō)明它具有寬頻帶響應(yīng)，對(duì)基波的響應(yīng)和高次諧波功率的響應(yīng)是相同的。而且電子式電能表的頻帶較寬，可以同時(shí)準(zhǔn)確計(jì)量基波與諧波的電能，在實(shí)踐中，其能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波和基波功率的同時(shí)計(jì)量，在這種情況下，就會(huì)帶來(lái)畸變諧波的計(jì)量誤差的增大。

四、降低電力諧波對(duì)電能計(jì)量的有效對(duì)策

（1）加強(qiáng)對(duì)諧波的監(jiān)測(cè)和治理

針對(duì)電力諧波對(duì)電能計(jì)量帶來(lái)的影響，首先應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)電力諧波的監(jiān)測(cè)和治理力度，尤其要加強(qiáng)電力諧波產(chǎn)生源的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，可以采用在有諧波源接入的變電站安裝電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，組建諧波監(jiān)控系統(tǒng)，以達(dá)到實(shí)時(shí)掌握電網(wǎng)諧波狀況。在充分掌握了電力諧波產(chǎn)生源的情況后，要充分進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，堅(jiān)決禁止想經(jīng)高壓接入電網(wǎng)的電力諧波含量超標(biāo)的用戶。而且還要加強(qiáng)對(duì)用戶的負(fù)荷特征進(jìn)行審核，如果用戶為非線性的用戶，必須提供明確的諧波抑制措施，而且在驗(yàn)收合格后才予以通電。

（2）確定科學(xué)的諧波解決方案

針對(duì)諧波源用戶來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)離諧波源設(shè)置計(jì)量點(diǎn)，對(duì)于產(chǎn)生諧波較重的電廠或用戶，盡量選擇諧波小的線路端作為關(guān)口計(jì)量點(diǎn)，降低諧波對(duì)計(jì)量裝置的影響；同時(shí)還要選用高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的多功能電能表作為關(guān)口計(jì)量表。而且隨著當(dāng)前電氣化鐵路建設(shè)、光伏發(fā)電和風(fēng)電等相關(guān)項(xiàng)目的進(jìn)一步建設(shè)和發(fā)展，確定科學(xué)的諧波解決方案顯得尤為必要。筆者相信，未來(lái)電能計(jì)量裝置尤其電能表在合理計(jì)量諧波電量和抗諧波計(jì)量方面畢竟會(huì)有更大的突破。

五、結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)中電力設(shè)備產(chǎn)生的電力諧波問(wèn)題并不容易避免，也是一個(gè)不可完全消除的因素，會(huì)對(duì)電能計(jì)量帶來(lái)較大的不良影響。因此，針對(duì)該種背景，供用電雙方均應(yīng)該提起對(duì)電力諧波抑制的重視，不斷加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研究和共管，以盡最大可能降低電力諧波給電能計(jì)量造成的不良影響。

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