諧波背景下的電能計量誤差分析

張英

摘 要：隨著人民生活水平的提高，人們對用電的質量要求越來越高，但是在電荷以及電容量超載的情況下，諧波的產生必然會對電能計量產生極大的影響。本文主要分析了產生諧波的原因，然后簡要概述在諧波背景下電能計量的誤差，以及解決這些誤差的措施。

關鍵詞：諧波；電能計量；誤差

中圖分類號：TM933 文獻標識碼：A

一、產生諧波的原因

電能計量的精確與否直接關系著電力企業以及用電用戶的利益，所以對電能計量進行研究十分必要。電能計量在工作的時候產生誤差很大程度上和諧波電流有關，因為當今社會對用電的需求量很大，所以很多電流裝置超負荷運載，加上裝置內部是非線性的負荷應用，很容易產生諧波，從而對電能計量造成影響。

諧波產生的原因各異，但主要有以下3種。第一，發電機產生諧波。因為發電機中的繞組在安裝的時候既不是對稱的也不均勻，發電機在發電運作的時候便會產生不穩定的電源質量，形成諧波。第二，輸配電系統的影響。在輸配電系統中，變壓器的鐵心越是呈現飽和狀態，產生諧波的幾率就越大，加上變壓器的磁化曲線是非線性的，變壓器的磁化電流便會變得不穩定，從而產生諧波。第三，是因為用電時候的影響。現在很多電力設備比如電源開關或者各種充電設備都應用了晶閘管材質，這種材質非常容易產生諧波，尤其是用晶閘管材質制作的整流設備，產生的諧波更多。

二、諧波對電能計量的影響

諧波的產生，必然會對電能計量產生很大的影響，造成電能計量誤差。諧波對電能計量的誤差主要表現在兩個方面，一個是對互感器產生誤差，另一個是對電能表產生誤差。

1.諧波對互感器產生誤差

互感器的類型有很多，本文主要分析的是諧波對電磁式互感器產生的誤差。一方面是諧波對電壓互感器的影響。在發電站或者變電站中，電壓互感器一般安裝在距離計量表安裝點較遠的地方，兩者之間還存在著許多電纜、隔離開關以及接線端子等元件。這些元件的存在會產生二次回路阻抗，包括接觸電阻、導線阻抗以及元件內阻。這些二次回路阻抗會對電壓互感器造成影響，主要是兩端的電壓不一致，從而引起計量的誤差。另一方面是對電流互感器的影響。電流互感器在工作的時候，可能會產生勵磁電流，電流的損耗量較大，加上電磁式電流互感器中的鐵心磁化曲線是非線性的，鐵心飽和度越高，使得產生的電流和額定電流之間的差值變大，主磁通差距變大了以后就會對計量產生影響，使得誤差變大。

2.諧波對電能表產生誤差

電能表是重要的電能計量儀表，包括電磁感應電能表、全電子電能表等。對于電磁感應電能表來說，其內部存在基波和諧波電壓和電流，導致電壓線阻抗、旋轉圓盤以及電流電壓的磁通等發生變化，然后使得電能計量產生誤差。尤其是在基波和諧波發生波形畸變的時候，電壓和電流又不是線性的鐵芯，所以會無法和電磁矩陣相疊，使得電能計量的誤差更大。對于全電子電能表來說，主要是和其計算方法有關。全電子電能表在進行計量的時候先對不同頻率下產生的電壓電流的數值進行記錄，然后選取一部分數據進行采樣計算。但是這種計量方法在計算功率的時候是將各個波次功率相加，并沒有將諧波的方向考慮在內。所以對于非線性用戶來說，他們在電能計量時，非線性負荷的誤差為負，也就是會少計量了電能，而對于線性用戶來說，他們在電能計量的時候，線性負荷的誤差為正，也就是會多計量了電能。總之，電能表計量時的計算方法會對電能計量的準確性產生很大的影響，尤其是在諧波功率變大的情況下，誤差會更大。另外，外界的溫度、頻率以及電壓電路的交換組件等都會對電能計量的準確性造成影響。

三、解決電能計量誤差的措施

針對上述產生電能誤差的分析，想要解決或者降低電能計量誤差，必須要采取優化改進的措施，包括互感器的改進和電能表的改進，見表1。

1.互感器改進

上文中提到互感器對電能計量誤差的影響主要表現在電壓互感器和電流互感器兩種。針對這些誤差，分別可以從以下幾個角度進行考慮。

1.1電壓互感器改進

在改進電壓互感器的時候，首先可以從內部結構來優化，因為內部結構中鐵芯是產生電能計量誤差的重要因素，所以在安裝鐵芯的時候要注意材質的選擇，最好選用高導磁率的材質，然后鐵芯的磁密要均勻而且盡量要降低磁密，鐵芯的長度也要適度地減短。另外，可以通過減少繞組的匝數和改進繞組的耦合狀態來降低電能計量的誤差。其次是要減少二次回路的電流。比如選擇專用的電線路和計量線路，在電能表和互感器之間應用專用路線。比如經常要檢查和維修導線和元件的接頭，減去不必要的接觸電阻。另外，還可以采用多繞組的電壓互感器，或者采用補償性儀器來補償在二次回路中產生的誤差。

1.2電流互感器改進

電流互感器產生電能計量的誤差，主要是因為勵磁磁動勢造成的，所以在改進電流互感器來減少誤差的過程中，可以采用補償法來補償勵磁磁動勢。補償法有無源補償法和有源補償法。無源補償法是在二次側設置固定電容，不過這種方法對于提高電能計量的精確度比較緩慢，所以還可以采用有源補償法進行自動跟蹤補償。

2.電能表改進

上文中提到的幾種電能表，在改進的時候主要可以對電子式電能表進行優化。電子式電能表的缺陷是其計量計算方法，所以在改進的時候主要針對計量方法進行方案的優化。在原先的計算方法上，因為諧波的存在，線性用戶多計量了電能，而非線性用戶少計量了電能，這對于線性用戶來說自然是非常不公平的，所以在優化計算方案的時候，首先要采取懲戒措施對那些諧波源用戶進行懲罰，補償給受他們諧波影響的其他用戶和供電網絡系統。在計量方案方面，可以以基波電能計量為基礎，然后把諧波電能作為獎懲的依據，也就是說以基波電能產生的費用作為基礎費用，然后再對那些產生諧波的用戶收取補償費，不僅降低了對其他用戶的影響，而且也督促這些產生諧波的用戶自覺處理諧波，減少諧波帶來的誤差影響。

結語

綜上，在諧波背景下，電能計量產生誤差是必然的，但也不是不能避免的。所以需要認真分析產生諧波的原因，并且針對諧波產生的主要誤差影響，采取相應的措施來降低或者消除諧波誤差。

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