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谐波电流对计量的影响
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  近年来随着国家产业政策的调整和节能环保工作的不断推进,高耗能和对环境、电网污染较为严重的企业,在沿海和中东部地区已逐步关停或转产,一些如30万吨以下的小型炼钢、铁合金、大型起重吊装、牵引等设备的电力电子装置带来的谐波问题,对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁,给周围电网运行带来极大影响。按国家对谐波的管理要求,企业进行谐波治理需投入数十至数百万的资金,使得一些中小企业借西部大开发招商引资时机,纷纷迁往西部边远经济欠发达省区,利用西部能源的相对充裕和对谐波管理的滞后,而谋求“发展”,而使西部电网变的更加脆弱。谐波是电网的一大公害。

  电力系统中的主要谐波源可分为两类:一是含半导体的非线性元件,如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、变频器等节能和控制用的电力电子设备;二是含电弧和铁磁非线性设备的谐波源,如交流电弧炉及铁磁谐振设备等。随着硅整流、电弧炉及可控硅换流设备的广泛使用和各种非线性负荷的增加,当正弦基波电压施加于非线性设备时,设备吸收的电流与施加的电压波形不同,电流因而发生了畸变,谐波电流注入到电网中,造成电压正弦波形畸变,这些设备就成了电力系统的谐波源。

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  1 对谐波的限值和对计量的要求

  GB/T 14549《电能质量公用电网谐波》中明确给出了公用电网谐波电压的限制值,见表1。谐波电压的限制值参见GB/T 14549。

  


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  表1 公用电网谐波电压(相电压)

  


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  表2 电能表确定基本误差时的条件要求

  工频整数倍数的谐波波形,对电能计量装置的准确计量产生了较大的影响。

  DL/T 614-1997《多功能电能表》对谐波影响的要求:分别将含有10%的3次、5次谐波干扰源施加在多功能电能表电压线路,最大需量值误差的改变量应不超过0.2%,程序不应紊乱,内存数据不应丢失(测量单元为额定工作状态)。

  2 计量电能表受谐波影响的误差

  2.1 感应式电能表受谐波的影响

  感应式电能表是靠电磁感应来产生转动力矩的,电能表工作时,电压线圈的电流所产生的磁通分为两部分,一部分是穿过铝盘并由回磁板构成回路的工作磁通,另一部分是不穿过铝盘而由左右铁轭构成回路的非工作磁通。而电流线圈所产生的磁通,两次穿过铝盘,并通过电流元件铁芯构成回路。由于电压线圈和电流线圈产生的交变磁通,在不同位置穿过铝盘,并在铝盘的不同位置感应出电流(涡流),此涡流与磁场相互作用便产生推动铝盘转动的力矩,铝盘转动与负载有功功率成正比。

  电能表产生误差的原因很多,与系统高次谐波相关的体现为两个方面:

  ·电磁感应式电能表的设计只按基波考虑;

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  ·由谐波和基波叠加而成的电压、电流波形发生畸变。

  2.2 电子式电能表受谐波的影响

  电子式电能表的工作过程如图1。

  

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  图1 电子式电能表的工作原理

  全电子式电能表产生误差的因素,完全消除了感应式电能表的机械转动、元件磨损、倾斜度等的影响,但对其运行环境、元器件质量、电能质量、谐波频率的影响产生的误差也是多方面的。

  3 谐波工况下的电能计量

  3.1 谐波工况下的准确计量要求

  随着电力市场改革的推进,电能作为一种商品已经全面走向市场化,电能表能否在各种工业状况下准确计量,逐渐受到了供用电双方的重视。

  随着大功率非线性负荷的迅速增加,使得供电系统中电压、电流波形发生畸变,对电网造成了严重的影响,并使电能表计量的误差急剧增大。

  在谐波工况下是否依然能够准确计量,成为对三相多功能电能表的必然要求。

  3.2 谐波工况下的计量准确性

  在实际的计量中,电力用户可以分为两类,即产生谐波的谐波源用户和不产生谐波的谐波受害者用户。

  作为谐波源的用户,一方面产生了谐波功率,对电网造成了污染,另一方面,计费总电能为基波电能减去产生的谐波电能。作为正常使用的谐波受害者用户,一方面设备深受谐波危害,另一方面,计费总电能为基波电能加上吸收的谐波电能。 信息来自:输配电设备网

  4 谐波测量功能的实现

  4.1 总电能脉冲输出框图

  总电能脉冲输出框图见图2。

  


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  图2 总电能脉冲输出框图

  4.2 谐波电能脉冲输出框图

  谐波电能脉冲输出框图见图3。

  图3 谐波电能脉冲输出框图

  


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  5 多功能电能表谐波计量

  全电子式电能表通过不断演变,由原来的单片机技术发展到采用大容量CPU、汉字点阵字库,以及A/D+DSP+CPU形式,不断完善独立、固化的计量专用芯片,并逐步拓展大量程、宽量限电能表,满足不同方式的计量需要;现以谐波多功能表为例,介绍谐波计量的特点。

  5.1 谐波计量电能表的主要特点

  ·带有谐波功率测量并能指示谐波潮流方向;

  ·具有测量与基波方向一致/相反的谐波有功电能,基波有功电能、基波无功电能、实际消耗电能、总电能的功能;

  ·时钟自带温度补偿,在停电时同样能进行温度补偿,在-40~+70℃范围内,时钟精度优于0.5s/d;

  ·具有备用时段功能;

  ·RS485能实现波特率自适应功能;

  ·能实现自动校表。

  5.2 谐波计量测试情况

  电能表在谐波工况下,当谐波电能方向与基波电能相反时,基波电能与谐波电能的代数和与标准表的总电能一致,而消耗电能等于基波电能与谐波电能的绝对值之和。

  当谐波电能方向与基波电能相同时,消耗电能与标准表的总电能一致。

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  电能表在谐波工况下的电压、电流有效值,基波功率和谐波功率与理论值一致。

  电网的高次谐波对电能计量的准确性有影响,当谐波含量满足国标规定时,误差影响微小,当谐波含量超过国标规定时,无论是电磁感应式电能表还是全电子式电能表,误差影响均较大;即谐波含量愈高影响量越大,电能计量误差也越大。

  为了合理计量用户消耗的有功电能,在选用电量平衡统计和贸易结算电能表时,针对含高次谐波的线路和用户,不仅要求用户按国标的要求进行谐波治理,还应选用具有计量谐波分量电能的多功能电能表。

  对同一计量点,在谐波超过国标规定时,采用相同准确级别的全电子式电能表和电磁感应式电能表,计量电能量是有较大差别的;对大功率变流设备、电弧炉等产生高次谐波的电力负载用户,为了只记录负荷消耗的基波有功电能,用电磁感应式电能表比用同准确级别的全电子式电能表更合理。当谐波源来自电网时,前者数值较大;当谐波源是用户时,则情况相反。

  在电网中,无论谐波流向如何,当谐波从负载流向电网时,实际上是负载将电网中的基波经过滤波和整流后,形成的谐波电流反送回电网,这是一种电能污染。全电子式电能表将负载(谐波源)消耗的基波有功电能和谐波源(负载)向电网返送的谐波有功电能(被污染的电能)进行了代数相加,使得记录的能量比负载消耗的基波有功电能量还要小,这是全电子式电能表计量原理上的不足之处


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