諧波對電能表計量的影響與對策研究

黃帥 劉瑩

【摘 要】隨著人們生活水平的不斷提高，對電能的質與量的要求越來越高，但在電荷和容量過載的條件下，諧波對電能的測量有很大的影響。本文分析了諧波產生的主要原因，簡要總結了諧波對電能表計量的影響與對策研究。

【關鍵詞】諧波；電能表計量

在電力系統中，電能計量的準確性會直接受到諧波的影響。在電網中，基波的電流和電網諧波功率都具有一定電流的方向，其中基波的功率是從發電機流向各種電力設備。而諧波功率潮流則與基波公路潮流正好相反，諧波功率電流走向是由非線性、變電設備流向其他線性的發電機或用電設備的。由于諧波源是電流源，在傳輸過程中諧波潮流的中間段的電阻要比末端電阻大。所以諧波功率的消耗主要在中間環節。下面對產生諧波的原因以及對計量的影響和措施進行簡要分析和研究

一、產生諧波的原因

電能計量的準確性與電力企業和用戶的切身利益有著直接的關系，因此對電能計量進行研究是十分必要的。電能計量在工作中所產生的誤差大部分與諧波電流有著直接關系，由于當今社會對電力的需求不斷增大，許多電流器件都有超負荷的現象，在器件內部應用非線性負載容易產生諧波，從而影響到了電能計量的準確度。

雖然諧波產生各不相同，但是最主要的原因有三種。首先，發電機產生諧波的原因。由于安裝發電機的繞組時沒有做到均勻和對稱，發電機在運行時電能質量發生不穩定現象因而形成諧波。其次是輸電和配電系統的影響。在輸電配電系統中，變壓器鐵芯的飽和程度越高，產生諧波的概率越大，非線性的變壓器磁化曲線，變壓器的磁化電流也就越大，其產生諧波的可能性越大，變壓器的磁化電流就越不穩定，產生諧波。最后，由于電力消耗的影響。如今，許多電力裝置，如電源開關或各種充電裝置，都在使用晶閘管材質的材料，這種材料是很容易產生諧波的，特別是用晶閘管材料制成的整流設備，會產生更多的諧波。

二、諧波對電能計量的影響

諧波的產生，電能計量必然會收到非常大的的影響，諧波對電能計量的影響和誤差主要是對互感器產生誤差和對電能表產生誤差兩個方面，測量誤差主要有變壓器誤差和功率表誤差兩個方面。

（一）諧波對互感器產生影響

互感器的種類繁多。本文主要分析電磁式互感器在諧波的影響下所產生的誤差。一方面，諧波是如何對電壓變壓器產生影響的。在電站或變電所中，電壓互感器通常安裝在遠離計量計安裝點的地方，有許多電纜、隔離開關和終端。這些元件的存在將產生二次電路阻抗，包括接觸電阻、導體阻抗和元件的內阻。這些二次電路阻抗將影響電壓變壓器，主要是由于兩端電壓不一致，從而導致測量誤差。另一方面，對電流互感器的影響。電流互感器工作時，可能產生勵磁電流。電流損失大，電磁電流互感器鐵芯磁化曲線非線性。鐵芯飽和度越高，產生的電流和額定電流的差幅越大。

（二）諧波對電能表產生誤差

電能表是一種重要的電能表，其中主要包括電磁感應電能表、全電子電能表等。電磁感應功率計內部存在基波、諧波電壓和電流，引起電壓線阻抗、轉盤和電流電壓通量的變化，進而引起電能測量誤差特別是當基波和諧波波形畸變的時候，電壓和電流的鐵芯又不是線性的，不能與電磁矩陣重疊，使電能測量會產生的誤差會比較大，它主要與計算方法有關。在進行計量時，全電子電能表會首先記錄不同頻率下產生的電流數值，然后選取一些數據進行采樣和計算。但在計算功率時，這種方法將所有的波功率相加，而諧波流向則不被考慮。因此，對于非線性用戶，非線性負載的誤差是負的，也就是說電能計量會減少；對于線性用戶，由于線性負載的誤差是正的，會多計量電能，因此線性負荷的誤差就是則為正總之，電能表的計算方法對電能測量的精度會造成很大的影響，特別是當諧波功率增大的時候，誤差也會變得更大。此外，電壓電路的外部溫度、頻率和交換元件會影響測量的準確度。

三、解決電能計量誤差的措施

為了解決或減少電能測量的誤差，我們必須采取措施優化和改進發電誤差，包括

（一）互感器改進改進變壓器和電流表

變壓器對測量誤差的影響主要表現在電壓變壓器和電流變壓器。對于這些錯誤，我們可以考慮以下幾點。

1.電壓互感器改進

在改進電壓互感器時，首先要優化內部結構，因為鐵芯的內部結構是產生電能測量誤差的重要因素，所以在安裝鐵芯時應注意材料的選擇，最好地利用高磁導率的材料，然后鐵芯的磁密度應盡可能均勻，盡量減少磁密度。鐵芯的長度應適度減少。此外，通過減少繞組的轉動次數和改善繞組的耦合狀態，可以減少功率測量的誤差。第二，減少二次電路中的電流。例如，選擇特殊電路和計量線路，并在功率表和變壓器之間設置專用線路。或者，經常需要檢查和修理電線和部件之間的連接，減去不必要的接觸電阻。還可使用多繞組電壓變壓器或補償儀器來補償破損誤差，多繞組電壓互感器或補償儀器可用于補償二次電路的誤差。

2.電流互感器改進

在改進電流互感器以減少誤差的過程中，可以采用補償方法補償勵磁力。有被動補償和主動補償。被動補償的方法是二次側的固定電容，但它可以自動跟蹤補償，因為它提高了功率測量的精度。

（二）電能表改進

以上提到的一些能量表在改進時主要是可以優化的。電子電能表的缺陷是其測量方法，因此在改進時主要是為了優化測量方法。在原來的計算方法中，由于諧波的影響，線性用戶測量的電量較多，非線性用戶測量的電量較少，這對線性用戶是非常不公平的。因此，在優化計算方案時，應采取懲戒措施，懲罰諧波源的用戶，并補償其他用戶和電網系統受諧波影響的用戶。在測量方案方面，我們可以以基波電為基礎，然后以諧波電作為獎勵和懲罰的基礎，即基波電的基本成本，然后向產生諧波的用戶收取補償費用，而不只是減少對其他用戶的影響。同時，產生諧波的用戶能夠有意識地處理諧波，減少誤差。

（三）計量方式的改進

在實際的電力系統中，電力供應不可避免地會產生背景諧波，同時也會產生大量的非線性負載。同時，電源背景的諧波特性也不是恒定的，即電源的諧波成分發生了變化。在這兩個因素的影響下，測量裝置的硬件和軟件要求都很高，因此測量裝置的成本增加了。背景諧波和非線性載荷對測量點的聯合作用是同一階諧波分量的矢量和，反映在諧波的總有源功率中。

根據供電質量的有關規定，供電諧波分量不得超過限額。當電網諧波含量在規定范圍內時，線性負荷消耗的諧波有源功率不到基波有源功率的0.1%。工作上的錯誤，因此，提出了一種新的諧波功率測量方法，包括基本波功率因數、等效功率因數和總電流失真率。

四、結語

諧波對功率測量的精度和合理性有很大影響。根據電價制度的規定，在電價或耗電量方面，必須補償吸收諧波的用戶，分攤向電網注入諧波的用戶的電費，并根據諧波的比例調整電價。但是，我國目前還沒有這方面的技術和業務運行規則，因此分別使用基波和諧波電能的測量方法來記錄諧波電能方向是合理可行的。這可以提高測量精度，減少測量損失；同時，經濟杠桿被用來減少諧波對電網的傳輸，從而減少諧波對其他用戶的影響和危害，并確保電網的電力質量。總的來說，在諧波背景下，電能計量必然會產生誤差，但并非不可避免。因此，針對諧波產生的主要誤差效應，有必要認真分析諧波產生的原因，并采取相應措施減少或消除諧波誤差。

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