非線性負荷諧波對計量裝置的影響
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摘 要：現代電子技術的大量應用，致使電力系統中的非線性負荷日益提升。非線性負荷的不斷增加，對電力系統中的電壓和電流造成了嚴重影響，一旦這種情況出現，則會對計量裝置的準確性造成影響，促使電力計量誤差擴大。該文首先闡述了非線性負荷諧波產生的原因，然后分析非線性負荷諧波對計量裝置的影響，希望對提高計量裝置的準確性有所幫助。
關鍵詞：非線性負荷 諧波 計量裝置
中圖分類號：TM93 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0035-02
計量裝置作為電力系統的重要組成部分，但是在電力系統運行過程中，計量裝置很容易受到非線性負荷諧波的影響，其準確性無法得到保證。因此，研究非線性負荷諧波對計量裝置的影響，具有十分重要的意義。
1 非線性負荷諧波產生的原因
1.1 諧波產生原因
要對諧波產生的原因進行分析。首先是電源部分，如果電力系統中的電源質量較差，則容易產生諧波[1]。其次，電力變壓器在運行過程中也會產生諧波。最后，其他電氣設備在運行時，同樣會產生諧波。這種諧波的產生原理為：電力系統中晶體閘管整流設備的作用。在電力系統處在負載狀態時，電容大小會影響諧波的大小。一般情況下，二者呈正相關，簡言之，電力系統中的電容越大，諧波就越大，反之則亦然。通過實驗分析表明，變壓器運行產生的諧波較為常見。但隨著電氣設備的更新換代，系統中諧波形式也發生了改變，形式更加豐富。這些諧波的存在，嚴重影響了計量裝置的準確性，因此對電力諧波進行分析。
1.2 諧波分析
電能在消耗過程中會轉化為多種能源，電能在轉化的同時，會在電網中產生諧波。通過對電能與諧波的關系進行研究，可以對電壓和諧波之間的關系進行明確，不同電壓下母線諧波畸變率有以下幾種情況：如果電壓為10kV，則最大畸變率為7.7%，平均畸變率為4.1%，最小畸變率為0.48%;如果電流為10kW，則最大畸變率為14.7%，平均畸變率為3.4%，最小畸變率為0.67%;如果電壓為35 kV，則最大畸變率為4.1%，平均畸變率為2.3%，最小畸變率為0.67%;如果電流為35 kW，則最大畸變率為19.4%，平均畸變率為6.94%，最小畸變率為2.1%;
如果電壓為110kV，則最大畸變率為3.8%，平均畸變率為0.78%，最小畸變率為0.18%;如果電流為110kW，則最大畸變率為17.5%，平均畸變率為1.58%，最小畸變率為0.69%。
2 諧波的不良影響
諧波一旦出現就會造成多方面影響，例如：導致電力系統中電壓發生變形、電線受熱與可承受范圍相背離，致使線路出現短路故障，嚴重時甚至會燒毀電氣設備，對電力系統的穩定運行造成影響。但是諧波最為重要的影響是導致電能計量誤差發生，非線性負載諧波電力用戶電能計量經常會小于正常值，會少繳納電費，而他們少繳納的電費，可能會轉嫁到正常用戶頭上，這對于正常用戶來說，顯然是不公平的。
3 非線性負荷諧波對計量裝置的影響分析
3.1 電能計量裝置的分類
電能表有以下幾種：一是按照結構原理可分為，感應式和電子式電能表;二是按照測量電源可分為，直流式和交流式電能表;三是按照被測量的電能可分為，有功和無功電能表;四是按照接入線路可分為，直接接入和互感器接入式電能表。
該文主要將感應式和電子式電能表作為研究對象。感應式電能表與電子式電能表在準確等級上差距較為明顯，其中感應式電能表準確等級為0.49～2.9;而電子式電能表為0.01～2.1。感應式電能表的頻率范圍是4Hz，而電子式電能表為41～1001Hz，并且電子式電能表在啟動電流、過載能力和功能損耗等方面的性能上均優于感應式電能表。
3.2 諧波對感應式電能表準確度的影響
經過大量實驗證明，當電力系統中電壓和電流受到內外部因素影響，繼而偏離正弦時會發生畸變，繼而會對感應式電能表的準確性造成不利影響，究其原因，主要是負載上電流電壓不變且存在諧波時，會導致電能表線圈和轉盤阻抗發生變化，繼而引發電壓工作磁通的變化，電能表的測量精度也會因此受到影響[2]。同樣，結合感應式電能表的工作原理，可以知道只有在頻率相同的電壓和電流條件下，轉矩才會通過電流的磁通相互作用而產生，非線性負荷諧波在經過電磁組件后，磁通無法與諧波產生反應，會影響轉矩和平均功率間的正比關系，繼而會導致附加誤差的產生。
在利用諧波疊加至電流基波情況下，對電壓、電流中所含直流分量對電表的影響程度進行檢測。在電能表中存在諧波功率時，可以用以下公式對電能表反映的電能進行判定。E=C1E1+∑ChEh;.在該公式中：E代表基波，而Eh代表h次諧波，其符號可以為正也可以為負。
3.3 諧波對電子式電能表準確度的影響
3.3.1 電子式電能表的頻率特性
當電壓和電流都受到了諧波影響時，電能表的實際電能值與理論值大致相等。此時導致電子式電能表頻帶窄的主要原因是輸入器件的原因，輸入器件對信號成分產生的相移存在差異。如果對50HZ的頻率進行補償，則無法對其他頻率的相位移進行補償，計量誤差也會因此而發生。
3.3.2 測量諧波的方法 采用模擬濾波器測量諧波，得到的結果較為準確。目前常用的模擬濾波器主要有兩種，一種是利用濾波器對基波電流分量進行過濾，繼而得到諧波的電流分量;二是使用帶通濾波器，對基波分量進行測量，但這種濾波器存在一定的誤差，對電路元件的敏感程度較高，應用效果并不顯著。
3.3.3 諧波對于電子式電能表的影響
電子式電能表在測量不同信號時，所產生的波形存在差異，誤差也會出現差別，大量的實驗結果證明，當電流信號產生諧波時，隨著諧波大小的不同，電子式電能表測量的準確性會受到影響，但是誤差在允許范圍內，可以忽略不計。
電子式電能表在測量電流量時，電網中的電壓和電流需要經過互感器轉化為弱電信號，才能被輸入至電能表中，因此，互感器是否準確對于電能表的準確性具有重要的影響，如果采用的是非線性互感器，那么諧波在通過非線性互感器時，會導致互感器無法按照統一的比例對諧波成分進行轉換，從而會引發信號變形的問題[3]。這種情況一旦出現，將會加大測量的誤差。研究表明，在波形畸形時，諧波次數越多，互感器的波形變換誤差越大。
4 感應式電能表與電子式電能表電能計量特性的對比
由上述分析得知，感應式電能表的誤差頻率特性為迅速下降，這也導致感應式電能表在計量過程中，只能對諧波部分進行計量。如果將W1比作基波電能，Wn表示諧波電能，W表示計量電能，則可以通過下述公式對感應式電能表反映的電能值進行計算。W=W1+∑K.Wn;
在該公式中，K代表的是諧波電能系數，象征著諧波的被計量程度。K值不會大于1，且會隨著諧波頻率的不斷增加而進一步縮小。
通過對電子式電能表進行分析得知，電子式電能表與感知式電能表相比，計量基波和諧波部分存在差別，電子式電能表的誤差頻率特性曲線不會發生過大的波動，簡言之，電子式電能表會對全部的基波和諧波進行計量，因此可以使用下述公式對電子式電能表的電能計量進行表示：W=W1+∑W;
如果將全能量作為計量標準，那么電子式電能表的計量準確性遠遠高于感應式電能表，但是如果僅將基波作為計量標準，感應式電能表的誤差則相對較小。
5 結語
綜上所述，該文對電力系統的諧波，及對電能計量裝置的影響進行了分析，先對導致諧波出現的原因展開了探討，并對諧波與電流和電壓之間的關系進行了分析，然后從電能裝置頻率特性著手，闡述了諧波對于感應式電能表和電子式電能表的影響。諧波的出現會引發嚴重的后果。為此，電力企業維修人員應加強對諧波的研究力度，并追本溯源，找出諧波產生的主要原因，采取針對性的解決方法，從源頭上解決諧波問題。
參考文獻
[1] 仇娜，孟欣.分析電力諧波對不同計量裝置的誤差影響[J].城市建設理論研究，2017（4）：25-26.
[2] 朱東花.分析電力諧波對不同計量裝置的誤差影響[J].電子制作，2017（2）：91-92.
[3] 姜芳.分析沖擊負荷諧波環境下對電能計量裝置的影響[J].通訊世界，2015（15）：136-137.
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