沖擊性負荷條件下的電能計量方法及技術

曲妍 李本德

【摘 要】本文以諧波、間諧波時頻域特性以及應對沖擊性負荷的措施進行分析。

【關鍵詞】沖擊性負荷條件；電能計量方法；技術

引言

沖擊性負荷因快速、隨機的功率波功帶來了嚴重的波形畸變，傳統的電能計量方式在沖擊性負荷條件下難以準確計量，為了準確計量沖擊性負荷，通過對沖擊性負荷下諧波特性的分析，從不同計量算法角度對計量誤差展開測試研究，針對傳統諧波電能計量誤差較大的問題，提出沖擊負荷條件下電能計量誤差補償方案，設計了電能計量軟硬件方案，為沖擊性負荷條件下的計量準確性提供了理論和技術支撐.

1諧波、間諧波時頻域特性

典型的沖擊性負荷主要包括電弧爐、軋鋼機、電氣化鐵路等，本研究也將針對選取其中電弧爐的時域和頻域展開分析.

1.1時域特性

沖擊性負荷因含有大量非線性元件，負荷波形在時間軸上會呈現出不規則與隨機變化的特性，從宏觀上來看，其產生的各次諧波的含量會隨機發生變化，從微觀特性上來看，負荷波形會呈現出正負半波不對稱、波形輪廓不規則、隨機變化等特性.在各種類型的沖擊性負荷中，以電弧爐產生的波形時變特性最為明顯，特別是電弧爐熔煉初期，其波形的瞬時變化現象極為明顯.電弧爐的運行周期一般分為熔化期、氧化期和還原期3個階段.熔化期的主要任務是迅速熔化爐料，該階段消耗的電能占整個運行周期的60%70%.電弧是由于熱游離作用而產生一種動態不穩定的放電現象，其電阻及長度主要受爐內影響游離作用的運行條件影響.電極與爐料的距離、爐內的溫度、爐料的性質，甚至爐內表面光滑程度等均關系到電弧燃燒條件.在熔化期電極會對爐料放電，從而產生電弧，電弧點則會根據最優的燃燒條件，從爐料的一個尖端或末梢跳躍到另一個尖端或末梢，頻繁的經歷截斷和重燃，會不斷地產生有功和無功沖擊，且電流/電壓波形的變化劇烈，上下半個周期內的波形不對稱，波形幅值、相位、頻率在不同周期內會出現波動，當三相運行工況不平衡時，系統中會出現較大的負序和零序分量.圖1所示為某一小型鑄鋼廠電弧爐熔化期實錄電流波形.從圖1可以看到，負荷波形的隨機性變化從穩態諧波角度已經難以進行分析，對電能計量的準確性提出了較高的要求，特別在信號采樣端能夠及時跟蹤波形的細微變化，是準確計量電能的前提保證.

1.2頻域特性

電弧爐是一種利用氣體電離燃弧時產生的巨大熱量來熔煉金屬的裝置.電弧電阻受弧長、弧柱半徑、弧柱溫度等各種因素的影響，在熔煉過程中由于爐料的轉動、熔解、崩塌，電弧電阻呈現出明顯的非線性特性.加上電弧爐供電系統中往往會存在限流電抗器和無功補償裝置，電弧爐供電系統中會出現較為嚴重的3、5、7、9次諧波.此外，電流波形的幅值在不同周期內會出現較為明顯的波動，存在調幅波，即波形中除了整次諧波外，還包含有次諧波及間諧波.

2應對沖擊性負荷的措施

在實驗室模擬現場沖擊負荷試驗中，由于標準電能表準確性要求在功率穩定情況下工作，對于電流沖擊情況下有些標準電能表可能無法正常工作，為了解決此問題，設計將0.05級標準電能表與被試表計電流串接，通過給被試表電流回路并聯可控制通斷1個繼電器，模擬測試沖擊性負荷下電能表的電流變化，進行誤差測試。在現場實際進行電能表誤差測試過程中，由于某些標準電能表量程有自動切換功能等原因，發現電能表誤差不能正常顯示且重復性較差，該方法無法測量沖擊性負荷對電能表的影響。同樣在現場測試中，用現場校驗儀對電能表進行測試，負荷平穩時，電能表均符合等級要求；在軋鋼階段出現沖擊性負荷時，現場校驗儀本身無法正常工作，不能正常評估電能表誤差。為了分析沖擊性負荷的影響，可采用母線電量平衡分析方法，即在一定負荷下，比較處于沖擊性負荷下的電能表電量和母線平衡電量。數字采樣式電能表，采樣速度較快，基本可以正確計量沖擊負荷的電能值。但如果采樣速度較慢，實時性不好，電能表無法滿足計量沖擊負荷下電能值的需要。在實際運行環境中，為減少沖擊性負荷對設備的影響，應減少運行設備的諧波、沖擊污染，創造清潔電網環境。對于沖擊性負荷影響較重的區域，計量設備應具有壓敏熱敏保護電路。由于諧波經過變壓器后有一定衰弱，會減少諧波污染對計量設備的影響，因此采用“高供高計”計量方式，能夠減少部分沖擊性負荷對計量設備的影響。同時為避免沖擊性負荷造成低壓電流互感器和電能表長期處于飽和和過負荷狀態，應使用較大變比的低壓電流互感器，以保證運行安全。

結語

當負荷波形中含有不同次數的間諧波分量時，單個周期的電能計算會出現不同程度的失準，計量誤差會隨著采樣頻率及納入計算的周期數的增加而逐漸減小，且傅立葉算法與點積和算法的理論精度不同，傅立葉算法因為存在頻譜泄漏現象，會導致能量的損失，誤差會大于點積和算法.針對沖擊性負荷條件下傳統諧波電能計量方式誤差較大的問題，提出了電能計量誤差補償軟硬件方案，能有效減小沖擊性負荷條件下產生的諧波計量誤差。

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（作者單位：1國網新疆電力有限公司電力科學研究院；2國網新疆電力有限公司建設分公司）