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电力谐波对电能计量影响分析
作者：张新德
来源：《中国新技术新产品》2009年第23期
摘要:非线性负荷产生大量谐波注入电网后使得电力系统中的电压和电流波形产生严重畸变,从而对电能表等产生不同程度的影响。文章介绍了谐波产生的原因及其对电能表的影响,分析了由于谐波存在对电能表计量误差的影响,并提出了减少电能计量误差的对策。 关键词:电力谐波;电能计量 0 引言
自2008年11月至2009年3月,浚县10kV卫东线的线损持续偏高(见表1-1),对所有计量装置进行现场检查测试,没有异常。有一铸造厂新建中频炉,一台250KVA配电变压器,六脉动整流装置,自2008年11月投运,经分析谐波引起计量误差,现场测试谐波结果见表1-2。
近年来,随着国家产业的调整和家电下乡的不断推进,电网中的谐波问题日趋严重,有的谐波含量已超出了规定的范围[1],对电力系统的安全和经济运行构成威胁,并使电能计量误差急剧增大,给电网经营企业带来了巨大损失。
目前,常用的电能表大多是按反映工频正弦量来设计的,而在谐波环境下,非线性用户谐波有功功率与基波有功功率相反,线性用户谐波有功功率与基波有功功率相同,通过线性负荷的有功功率多出了谐波功率,通过非线性负荷的有功功率则减少了谐波功率,因而总有功电能的计量会出现很大误差[2-3]。 1 谐波源
1.1 谐波的基本概念[4]
在供电系统中,通常总是希望交流电压和电流呈正弦波形.正弦电压可表示为 (1-1)
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式中 U-电压有效值;a-初相角; ?棕-角频率, ,f为频率,T为周期。
正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上,其电流和电压分别为比例、积分和微分关系,仍为同频率的正弦波。当正弦电压施加在非线性电路上时,电流就变为非正弦波,非正弦电流在电网阻抗上产生压降,会使电压波形也变为非正弦波。当然,非正弦电压施加在线性电路上时,电流也是非正弦波。对于周期为T=2?仔/?棕的非正弦电压u(?棕t),一般满足狄里赫利条件,可分解为如下的傅里叶级数 1.2 谐波源分类
电力系统中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,电流因而发生畸变,谐波电流注入到电网中,造成电压正弦波畸变,这些设备就成了电力系统的谐波源。
2 对谐波的限值和对计量的要求
2.1对谐波的限值[1]
谐波电压限值:公用电网谐波电压(相电压)限值见表2-1。
谐波电流允许值:公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量(方均根值)不应超过表2-2中规定的允许值。当公共连接点的最小短路容量不同于基准短路容量时,表2-2中的谐波电流允许值的换算为: In=(Sk1/Sk2)×Inp (2-1)
式中Sk1——公共连接点的最小短路容量,MVA; Sk2——基准短路容量,MVA;
Inp——表2-2中的第n次谐波电流允许值,A; In——短路容量为Sk1时的第n次谐波电流允许值。
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同一公共接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共接点的供电设备容量之比进行分配。分配的计算方式如下: Im=In(Si/St)1/α(2-2)
式中Im——公共接点处第i个用户第n次谐波电流允许值,A; In——按式(2-1)换算第n次谐波电流允许值,A; Si——第i个用户用电协议容量,MVA; St——公共接点供电设备容量,MVA; α——相位迭加系数,见表2-3。 2.2对计量的要求
电能计量是电力系统收费的依据,当电网电压和电流波形畸变时,其测量误差将随着谐波的增大而增大,从而影响用户或供电部门的利益。确定电能表基本误差的参比条件要求见表2-4。 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,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)。
3计量电能表受谐波影响
3.1感应式电能表受谐波的影响
在正弦交流电能计量中,电压、电流产生的有功电能与它们间的功率因数、角频率有关。只有当同频率的正弦电压和电流在同相位的情况下才全部合成有功。当然电压和电流只有同相位部分才做有功电能,不同频率的电流和电压之间不产生有功。只有在同频率、同相位条件下电压和电流才做有功,即只有相同次数的谐波电流和电压才具备做有功的条件。基波电压和谐波电流是不会产生有功功率的,因此不可能产生有功电能。
感应式电能表的频率特性范围很窄,它的设计铁芯只能工作在45～65Hz的工频范围,测量基波功率和电能,随着频率增高,误差向负方向增大,即计量所得到的电能量减少。频率响应曲线下
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降主要是铝盘的等效阻抗角随着频率增高而增大所至,由于谐波的频率远高于这个频率范围,完全不可能用作谐波电能计量。 3.2电子式电能表受谐波的影响
电子式电能表的数字采样测量技术的发展,非正弦波电能计量已经完全能实现。
事实上,一般数字乘法器电能计量芯片是先将电压、电流模拟量的幅值通过A/D转换后,以乘法器相乘来获得有功功率瞬时值,进行累加得到有功电能量,因为它不可能判断电流和电压中谐波分量是否两个模拟量都有,如都有同一次谐波产生的谐波有功应该相加,若只有一个模拟量有该次谐波,则不产生谐波有功就应该舍弃,但一般电能计量芯片都作记入,这样就产生了误差。另外,一般电能计量芯片中的低通滤波器并不很理想,在输入信号中仍有某些衰减的工作频率以及它的谐波,而影响最大的就是由瞬时功率中的cos2t项造成的谐波分量,而产生误差。 4结束语
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。
电网的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,无论是感应式电能表还是电子式电能表,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,在选用贸易结算电能表时,对含谐波的线路和用户,不仅要求用户按国标要求进行谐波治理,还应选用具有计量谐波分量电能的多功能电能表。 参考文献
[1]GB/T14549-1993电能质量-公用电网谐波.北京:中国电力出版社,2002
[2]杨啸天主编.电力系统谐波分析、测量、评估计算与抑制及滤波新技术实务全书.北京:中国电力科技出版社,2006
[3] GB/T17215-2002 1和2级静止式交流有功电度表.北京:中国电力出版社,2002
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[4]王云亮主编.电力电子技术.北京:电子工业出版社,2004 [5]褚大华.电子式电能表.北京:中国电力出版社,2009 [6]蓝永林.交流电度表检定与调整.北京:中国计量出版社,1986
作者简介:张新德 1960年7月 男 郑州大学电气工程学院 工程硕士 主要研究方向为电力系统分析
