三次諧波對電能計量及中性線的影響研究

劉曉璇

摘 要：隨著我國社會的發展與生活水平的不斷提高，使得電網負荷加重。大量節能燈與大型顯示器等設備的使用帶來了三次諧波，對電力系統產生了不利影響。因此，本文從三次諧波對電能計量及中性線的影響入手，提出了解決三次諧波的有效措施，旨在為電力系統的發展提供參考，并為有關人士提供借鑒。

關鍵詞：三次諧波;電能計量;中性線

引言：

電力系統在我國發展過程中起到了重要的推進作用。電力系統的頻率隨著用電量的增大，電網負荷不斷增加，三次諧波的產生不僅會損壞電力設施，更會加大電能的損耗，對電力設施的日常維護也起到了不同程度的阻礙作用。因此，需要重視三次諧波污染問題，保護好電力系統。

1三次諧波對電能計量及中性線的影響

1.1三次諧波對電能計量的影響

1.1.1電磁式互感器

電力系統中重要的組成設備包括電磁式互感器。電磁式互感器主要包括電磁式電流互感器以及電磁式電壓互感器。其中電磁式電壓互感器可以將高電壓通過轉化變為低電壓，電磁式電壓互感器主要結構是采用的并聯方式，其主要原理在于應用電磁感應的技術進行工作，而電磁式電壓互感器中的二次設備可以負載并聯進行二次繞組，高壓的系統則能夠回路并聯進行一次繞組，目的在于將鐵心和1次、2次線圈進行分別的纏繞用于絕緣并隔離;電磁式電流互感器與電磁式電壓互感器擁有相似原理，可以將電網中的較大電流通過轉化變為小的電流，但電磁式電流互感器結構主要以串聯為主，電磁式電流互感器的1次、2次繞組能夠分別的串聯在1次回路與2次設備上，當電力系統中發生三次諧波現象的時候，磁滯、飽和以及渦流會使電磁式互感器產生非線性的現象，會使電能計量出現不同程度的誤差。

1.1.2電能計量裝置

通過多年的研究與分析，電磁式互感器、電容式互感器的電能計量表的安裝能夠使三次諧波對電能計量產生重要影響。對于電磁式互感器的電能計量裝置而言，若裝置發生三次諧波的污染，后果較為嚴重，使電壓互感器與電流互感器二次測量的電壓有所下降，直接導致電能計量表在計量時出現不同程度的誤差，誤差的效果受到不同電能計量裝置的影響，所有裝置中誤差最大的則為電子式能表計量。對于電容式互感器的電能計量裝置而言，若裝置被三次諧波進行污染后，電壓互感器二次測量的電壓就會有所上升，甚至能達到諧波電壓的三倍左右，與電磁式互感器一樣，誤差受到不同類型電能計量裝置影響，所有電能計量表中感應式和電子式電能計量表所受誤差最大[1]。

1.1.3電容式電壓互感器

電力系統中電容式互感器主要有高壓電容、中壓電容，高壓和中壓電容又包括分壓器、補償電抗器、變壓器、等效電感以及等效電阻。通常電容式電壓互感器在運行工作時會有很小的空載電流產生，電源頻率變化后的計量誤差經常采用計算繞組的直流電阻和、等值電源的電壓以及低壓側漏感之和的方式進行計算。目前使用的電容式電壓互感器和電磁式電壓互感器相互結合能有效實現絕緣效果，并能較好的控制成本，但仍無法準確測量三次諧波的原因在于角頻特性和幅頻特性的存在。

1.2三次諧波對中性的影響

隨著我國經濟的不斷發展，人民生活水平的不斷提高，加之時代的發展變革。使得多種多樣具有變頻功能的家用電器走入了人們日常生活中，比如，常見的變頻式空調、微波爐以及變頻式洗衣機等等。擁有變頻功能的家用電器都采用的是非線性的負載方式，因此當擁有變頻功能的電器在運行工作時，三次諧波會占據超過一半的比重，不僅如此，具有上述功能的電器在運行過程中更會帶來三次諧波的污染問題。使得電力系統中損耗愈加嚴重，其中損耗尤為明顯的系統為三相四線制和三相五線制。電力系統的穩定性以及電力系統的安全性在三次諧波的影響下都受到不同程度的威脅。若電力系統發生損耗，嚴重時可能出現用電隱患，引發安全事故，甚至危及人民的生命與財產安全。

2解決三次諧波污染有效措施

2.1合理使用濾波器

電力相關企業、部門應選用合適恰當的濾波器，用以解決傳統無源濾波器存在的濾波效果差和容易產生容性無功問題。諧波電流的檢查過程中，單獨使用此類濾波器可以生成相互抵消的補償類的電流。從使用過后的效果看，該類型濾波器只能使安裝部位的上游諧波電流相應減少和降低，但是對下游路線卻無任何明顯作用。因此，針對上述情況，通過在三次諧波下游的線路中安裝有源濾波器能夠有效解決三次諧波污染問題。與此同時，在實際工作中，發現濾波器若距離三次諧波的電流源頭最近時，防治效果也越好。如果三次諧波的過濾器選用并聯的方式時，對于三次諧波的電壓的降低也有較好的效果，因此，若想降低三次諧波的危害程度，可以采用將三次諧波濾波器并聯于非線性的負荷較大供電處的方式來降低三次諧波的干擾作用[2]。

2.2合理選用治理設備

電力系統中，產生三次諧波的原因有很多，為達到最理想的治理效果，可以通過選用合理的治理設備的方式解決三次諧波問題。例如關于LED燈的三次諧波防治的裝置，針對性較強并且具有專門性。此種類型的裝置通常是一種特殊的磁性濾波器，該類裝置使用的主要材料為優質的硅鋼片，由硅鋼片構成的鐵芯再進行繞組。此種結構的優勢在于安全可靠、使用壽命長等，另外，在具體實際運用中，并未發現過補、諧振等不良反應，與此同時，該裝置還能夠在應用中有效減少中性線的電流并能使三次諧波的電流及時有效的過濾去除掉[3]。

例如，某商場一、二、三層都采用的是LED燈的照明方式，與此同時，還有一塊10平方米的LED顯示屏，其他的負載電器分別為空調以及部分的輔助用電電器。其中，LED負荷的功率為總用電量的85%。當商場正常營業時，中性線的電流為相線電流的1.5倍左右。與此同時，導致了電能表出現了誤差且誤差較大在40%左右。當商場安裝了LED負荷的專用諧波裝置之后，中性線電流降低明顯，且此時的電能表誤差在0.3%左右。不僅減少了中性線的電流，更使得三次諧波及時地過濾，從而很大程度地降低了電能表的誤差。

2.3帶中性線低壓供電系統

在實際應用中，選擇帶中性線的低壓供電系統，防止三次諧波污染的方式主要有以下四種方式：第一，運用被動并聯方式的濾波器，此濾波器不僅具有廣泛的應用范圍，更能有效的治理三次諧波的污染問題。第二，被動串聯濾波器，盡管此種結構的濾波器可以解決三次諧波的污染問題，但在使用過程中容易造成新的問題。比如，被動式串聯的濾波器能使低壓母線的電壓升高，非線性負荷與線性負荷、非線性之間相互影響，使中性線的阻抗提升，導致接地故障的保護功能受到一定的破壞，降低了電力系統中電網的質量水平。第三，中線性的有源濾波器與雙接線的變壓器，不僅能夠將雙接地線的變壓器當做供電的變壓器、也可以將雙接地線的變壓器當做隔離的變壓器消除三次諧波。但此方式多應用在三項式的負荷中解決三次諧波的污染問題。第四，利用Satons變壓器繞組接法。該種方式盡管效果明顯，但在實際應用過程中需要保證三相負荷相同，同時此方式還具有操作復雜、難度較大的問題，因而需要謹慎操作。

結論：

綜上所述，三次諧波對電能計量以及中性線都會產生不同程度的副作用，因此相關部門應切實提出有效解決辦法，使得電網能在平穩運行、電力企業的供電質量得到保障。電力企業需要利用先進的科學技術對三次諧波進行有效地防治，促進電力系統長遠、健康可持續的發展。

參考文獻：

[1]溫子健.基于三次諧波的混合勵磁同步發電機研究[D].南昌大學，2020.

[2]李國勝，陶建武，鄭雪，等.三相四線電能計量裝置進表中性線斷開后對電能計量的影響[J].儀器儀表標準化與計量，2019（04）：39-41.

[3]談嘉瑩.基于三次諧波反電勢的永磁同步電機無位置傳感器控制[D].南京航空航天大學，2019.