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諧波電流對計量的影響
近年來隨著國家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整和節(jié)能環(huán)保工作的不斷推進(jìn)，高耗能和對環(huán)境、電網(wǎng)污染較為嚴(yán)重的企業(yè)，在沿海和中東部地區(qū)已逐步關(guān)?；蜣D(zhuǎn)產(chǎn)，一些如30萬噸以下的小型煉鋼、鐵合金、大型起重吊裝、牽引等設(shè)備的電力電子裝置帶來的諧波問題，對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行構(gòu)成潛在威脅，給周圍電網(wǎng)運行帶來極大影響。按國家對諧波的管理要求，企業(yè)進(jìn)行諧波治理需投入數(shù)十至數(shù)百萬的資金，使得一些中小企業(yè)借西部大開發(fā)招商引資時機，紛紛遷往西部邊遠(yuǎn)經(jīng)濟欠發(fā)達(dá)省區(qū)，利用西部能源的相對充裕和對諧波管理的滯后，而謀求“發(fā)展”，而使西部電網(wǎng)變的更加脆弱。諧波是電網(wǎng)的一大公害。
電力系統(tǒng)中的主要諧波源可分為兩類：一是含半導(dǎo)體的非線性元件，如各種整流設(shè)備、變流器、交直流換流設(shè)備、變頻器等節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備;二是含電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源，如交流電弧爐及鐵磁諧振設(shè)備等。隨著硅整流、電弧爐及可控硅換流設(shè)備的廣泛使用和各種非線性負(fù)荷的增加，當(dāng)正弦基波電壓施加于非線性設(shè)備時，設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因而發(fā)生了畸變，諧波電流注入到電網(wǎng)中，造成電壓正弦波形畸變，這些設(shè)備就成了電力系統(tǒng)的諧波源。
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1 對諧波的限值和對計量的要求
GB/T 14549《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中明確給出了公用電網(wǎng)諧波電壓的***值，見表1。諧波電壓的***值參見GB/T 14549。
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表1 公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)
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表2 電能表確定基本誤差時的條件要求
工頻整數(shù)倍數(shù)的諧波波形，對電能計量裝置的準(zhǔn)確計量產(chǎn)生了較大的影響。
DL/T 614-1997《多功能電能表》對諧波影響的要求：分別將含有10%的3次、5次諧波干擾源施加在多功能電能表電壓線路，***大需量值誤差的改變量應(yīng)不超過0.2%，程序不應(yīng)紊亂，內(nèi)存數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失(測量單元為額定工作狀態(tài))。
2 計量電能表受諧波影響的誤差
2.1 感應(yīng)式電能表受諧波的影響
感應(yīng)式電能表是靠電磁感應(yīng)來產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩的，電能表工作時，電壓線圈的電流所產(chǎn)生的磁通分為兩部分，一部分是穿過鋁盤并由回磁板構(gòu)成回路的工作磁通，另一部分是不穿過鋁盤而由左右鐵軛構(gòu)成回路的非工作磁通。而電流線圈所產(chǎn)生的磁通，兩次穿過鋁盤，并通過電流元件鐵芯構(gòu)成回路。由于電壓線圈和電流線圈產(chǎn)生的交變磁通，在不同位置穿過鋁盤，并在鋁盤的不同位置感應(yīng)出電流(渦流)，此渦流與磁場相互作用便產(chǎn)生推動鋁盤轉(zhuǎn)動的力矩，鋁盤轉(zhuǎn)動與負(fù)載有功功率成正比。
電能表產(chǎn)生誤差的原因很多，與系統(tǒng)高次諧波相關(guān)的體現(xiàn)為兩個方面：
·電磁感應(yīng)式電能表的設(shè)計只按基波考慮;
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·由諧波和基波疊加而成的電壓、電流波形發(fā)生畸變。
2.2 電子式電能表受諧波的影響
電子式電能表的工作過程如圖1。
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圖1 電子式電能表的工作原理
全電子式電能表產(chǎn)生誤差的因素，完全消除了感應(yīng)式電能表的機械轉(zhuǎn)動、元件磨損、傾斜度等的影響，但對其運行環(huán)境、元器件質(zhì)量、電能質(zhì)量、諧波頻率的影響產(chǎn)生的誤差也是多方面的。
3 諧波工況下的電能計量
3.1 諧波工況下的準(zhǔn)確計量要求
隨著電力市場改革的推進(jìn)，電能作為一種商品已經(jīng)全面走向市場化，電能表能否在各種工業(yè)狀況下準(zhǔn)確計量，逐漸受到了供用電雙方的重視。
隨著大功率非線性負(fù)荷的迅速增加，使得供電系統(tǒng)中電壓、電流波形發(fā)生畸變，對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的影響，并使電能表計量的誤差急劇增大。
在諧波工況下是否依然能夠準(zhǔn)確計量，成為對三相多功能電能表的必然要求。
3.2 諧波工況下的計量準(zhǔn)確性
在實際的計量中，電力用戶可以分為兩類，即產(chǎn)生諧波的諧波源用戶和不產(chǎn)生諧波的諧波受害者用戶。
作為諧波源的用戶，一方面產(chǎn)生了諧波功率，對電網(wǎng)造成了污染，另一方面，計費總電能為基波電能減去產(chǎn)生的諧波電能。作為正常使用的諧波受害者用戶，一方面設(shè)備深受諧波危害，另一方面，計費總電能為基波電能加上吸收的諧波電能。 信息來自:輸配電設(shè)備網(wǎng)
4 諧波測量功能的實現(xiàn)
4.1 總電能脈沖輸出框圖
總電能脈沖輸出框圖見圖2。
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圖2 總電能脈沖輸出框圖
4.2 諧波電能脈沖輸出框圖
諧波電能脈沖輸出框圖見圖3。
圖3 諧波電能脈沖輸出框圖
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5 多功能電能表諧波計量
全電子式電能表通過不斷演變，由原來的單片機技術(shù)發(fā)展到采用大容量CPU、漢字點陣字庫，以及A/D+DSP+CPU形式，不斷完善獨立、固化的計量專用芯片，并逐步拓展大量程、寬量限電能表，滿足不同方式的計量需要;現(xiàn)以諧波多功能表為例，介紹諧波計量的特點。
5.1 諧波計量電能表的主要特點
·帶有諧波功率測量并能指示諧波潮流方向;
·具有測量與基波方向一致/相反的諧波有功電能，基波有功電能、基波無功電能、實際消耗電能、總電能的功能;
·時鐘自帶溫度補償，在停電時同樣能進(jìn)行溫度補償，在-40～+70℃范圍內(nèi)，時鐘精度優(yōu)于0.5s/d;
·具有備用時段功能;
·RS485能實現(xiàn)波特率自適應(yīng)功能;
·能實現(xiàn)自動校表。
5.2 諧波計量測試情況
電能表在諧波工況下，當(dāng)諧波電能方向與基波電能相反時，基波電能與諧波電能的代數(shù)和與標(biāo)準(zhǔn)表的總電能一致，而消耗電能等于基波電能與諧波電能的絕對值之和。
當(dāng)諧波電能方向與基波電能相同時，消耗電能與標(biāo)準(zhǔn)表的總電能一致。
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電能表在諧波工況下的電壓、電流有效值，基波功率和諧波功率與理論值一致。
電網(wǎng)的高次諧波對電能計量的準(zhǔn)確性有影響，當(dāng)諧波含量滿足國標(biāo)規(guī)定時，誤差影響微小，當(dāng)諧波含量超過國標(biāo)規(guī)定時，無論是電磁感應(yīng)式電能表還是全電子式電能表，誤差影響均較大;即諧波含量愈高影響量越大，電能計量誤差也越大。
為了合理計量用戶消耗的有功電能，在選用電量平衡統(tǒng)計和貿(mào)易結(jié)算電能表時，針對含高次諧波的線路和用戶，不僅要求用戶按國標(biāo)的要求進(jìn)行諧波治理，還應(yīng)選用具有計量諧波分量電能的多功能電能表。
對同一計量點，在諧波超過國標(biāo)規(guī)定時，采用相同準(zhǔn)確級別的全電子式電能表和電磁感應(yīng)式電能表，計量電能量是有較大差別的;對大功率變流設(shè)備、電弧爐等產(chǎn)生高次諧波的電力負(fù)載用戶，為了只記錄負(fù)荷消耗的基波有功電能，用電磁感應(yīng)式電能表比用同準(zhǔn)確級別的全電子式電能表更合理。當(dāng)諧波源來自電網(wǎng)時，前者數(shù)值較大;當(dāng)諧波源是用戶時，則情況相反。
在電網(wǎng)中，無論諧波流向如何，當(dāng)諧波從負(fù)載流向電網(wǎng)時，實際上是負(fù)載將電網(wǎng)中的基波經(jīng)過濾波和整流后，形成的諧波電流反送回電網(wǎng)，這是一種電能污染。全電子式電能表將負(fù)載(諧波源)消耗的基波有功電能和諧波源(負(fù)載)向電網(wǎng)返送的諧波有功電能(被污染的電能)進(jìn)行了代數(shù)相加，使得記錄的能量比負(fù)載消耗的基波有功電能量還要小，這是全電子式電能表計量原理上的不足之處
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