簡析電力諧波對電能計量的影響

裘星

【摘要】當前，隨著電網建設規模的不斷擴大以及接入的非線性用戶增多，從而產生了大量的電力諧波，對電能計量帶來了較大的影響。因此，本文首先分析了電力諧波產生的主要原因和危害，在此基礎上對電力諧波對電能計量產生的主要影響及有效的防治對策進行了探討。

【關鍵詞】電力諧波；電能表；電能計量；影響；對策

一、引言

隨著我國經濟水平的不斷提升，電網建設規模也在不斷擴大，同時接入的非線性用戶也在不斷增多，從而產生了大量的電力諧波。電力諧波的產生不僅會對電能的計量產生較大的影響，而且還會造成計量泄漏的現象，從而對電力的安全帶來了較大的威脅。諧波是一個周期性電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。由于頻率是基波頻率的整數倍數，我們也常稱諧波為高次諧波，對諧波次數的定義為以諧波頻率和基波頻率之比表達的整數。習慣上，規定電力系統工頻為基波頻。因此，本文對相關的內容進行了探討。

二、電力諧波產生的主要原因及危害

（1）電力諧波產生的原因

當前電力諧波產生的主要原因有以下三個：

1）用電設備中采用的整流晶閘管。應用整流晶閘管的主要是開關電源、電力機車、充電裝置以及鋁電解槽等等，都得到了非常廣泛的應用，而在使用過程中都會產生大量的電力諧波。同時，對于電弧爐、電石爐等，會因為三相負荷的不平衡而產生電力諧波，從經變壓器注入電網。

2）輸電系統。在我國的電網中，其輸電系統也會產生相應的電力諧波，究其原因主要是由于在輸電系統中的變壓器里面，會因為變壓器鐵心的飽和，使得磁化電流呈現出尖頂波形，從而產生電力諧波。

3）發電機的電源質量。如果發電機的電源質量不高時，也會相應地產生電力諧波，主要是因為發電機主要是因為三相繞組而成的，這在制作上是很難絕對對稱的，因此，其發電機的鐵心也難做到均勻一致。因此，其產生的電源多少也會帶有少量的諧波。

（2）電力諧波的危害

一般情況下，產生的電力諧波不僅可以對電磁環境產生影響，而且還可以對電氣設備和用電效率產生較大的影響，嚴重時還會對電力系統的安全運行產生極大的影響。電力諧波產生的危害主要有，首先，會在諧波電流和電機旋轉磁場相互作用產生脈動轉矩使電機產生機械振動、噪聲、過電壓。在該種情況下，就會使得電氣設備產生過熱和絕緣老化的現象，從而對電氣設備的正常工作產生影響；其次，電力諧波會對傳輸的信號產生干擾，從而使得傳輸的通信信號質量降低，對信號的正常傳輸產生較大的影響，嚴重時還會對通信設備帶來較大的損害；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備中鐵心磁滯損耗和渦流損耗也會增大，而且能夠使得設備的溫度升高，降低其使用壽命。

三、電力諧波對電能計量產生的主要影響

（1）對感應式電能表計量的影響

為了保證電能表能夠有準確的計量，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。當前，我國電力建設速度明顯加快，供電系統中的電流、電壓都發生了不同程度的畸變，其中尤以電力諧波對感應式電能表產生的影響最大。根據實踐數據統計，如果感應式電能表的安裝點存在著電力諧波的時候，其基本忽略 5 次以上的高次諧波功率， 一般少計量 3 次諧波功率 5%～30%，5 次諧波功率80%～95%。究其原因，主要是因為感應式電能表的轉盤渦流路徑的等效阻抗及其阻抗角隨頻率的增高而增大。當線圈電流一定時，電流工作磁通隨頻率增加而減小，存在諧波功角偏移；當線圈端電壓一定時，電壓工作磁通和頻率的乘積隨頻率的增加而減小。同時，還需要注意的是，由于磁化曲線的非線性特點，將會產生高次諧波，從而使得問題將會發生更加嚴重的局面。

（2）對電子式電能表計量的影響

電子式電能表的兩個基本要素分別電壓和電流，通過對它們進行一定周期的采樣，并輸入到集成電路中進行相應的計算，從而有效實現計量功能。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構圖

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，能夠有效實現電壓與電流的相乘運算，其準確度如何將會對整個電能表的測量精度產生較大的影響。時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送到數字頻率轉換電路中，轉換成與其成正比的脈沖數字量，最后輸入到計數電路和驅動電路，完成功率測量。

和感應式電能表相比，其在精度、功能和應用方面都有著明顯的優勢。電子式電能表的曲線平坦，基本沒有衰減，說明它具有寬頻帶響應，對基波的響應和高次諧波功率的響應是相同的。而且電子式電能表的頻帶較寬，可以同時準確計量基波與諧波的電能，在實踐中，其能夠同時實現對諧波和基波功率的同時計量，在這種情況下，就會帶來畸變諧波的計量誤差的增大。

四、降低電力諧波對電能計量的有效對策

（1）加強對諧波的監測和治理

針對電力諧波對電能計量帶來的影響，首先應該加強對電力諧波的監測和治理力度，尤其要加強電力諧波產生源的重點監測，可以采用在有諧波源接入的變電站安裝電能質量實時監測裝置，組建諧波監控系統，以達到實時掌握電網諧波狀況。在充分掌握了電力諧波產生源的情況后，要充分進行科學規劃，堅決禁止想經高壓接入電網的電力諧波含量超標的用戶。而且還要加強對用戶的負荷特征進行審核，如果用戶為非線性的用戶，必須提供明確的諧波抑制措施，而且在驗收合格后才予以通電。

（2）確定科學的諧波解決方案

針對諧波源用戶來說，遠離諧波源設置計量點，對于產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口計量點，降低諧波對計量裝置的影響；同時還要選用高精度、高穩定性和高可靠性的多功能電能表作為關口計量表。而且隨著當前電氣化鐵路建設、光伏發電和風電等相關項目的進一步建設和發展，確定科學的諧波解決方案顯得尤為必要。筆者相信，未來電能計量裝置尤其電能表在合理計量諧波電量和抗諧波計量方面畢竟會有更大的突破。

五、結束語

總之，隨著我國電網建設規模的不斷擴大，電網中電力設備產生的電力諧波問題并不容易避免，也是一個不可完全消除的因素，會對電能計量帶來較大的不良影響。因此，針對該種背景，供用電雙方均應該提起對電力諧波抑制的重視，不斷加強相關技術的研究和共管，以盡最大可能降低電力諧波給電能計量造成的不良影響。

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