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对谐波影响下的电能计量方式的探讨) Q6 {& G) ] e
随着非线性用电负荷的日益增多，供电系统中谐波电压和电流成分不断增加。电力系统谐波不仅对供电系统造成污染，对电力设备构成危害，而且产生谐波的非线性用户将其吸收的一部分基波电能转化为谐波电能，造成供电企业线损增加，电力营运企业非经营性成本增加。为此有必要研究在谐波影响下的电能计量方式，以确保电能计量准确，保障电力营运企业的经营效益。 " H3 B1 p/ p5 \6 [8 `2 |
1 电网常见的谐波源( Q: a2 p E+ S# ~
电网常见的谐波源主要有3类：
1 g; Z9 G- l6 D2 Z& ]1 v a）铁磁饱和型。主要是各种铁心设备，如变压器、电抗器等。其铁心饱和特性呈非线性。
% E* h. X% f$ |+ l b）电子开关型。主要是各种交直流换流设备（如整流器、逆变器等）、双向晶闸管及可控开关设备等。冶金、化工、电气化铁路等企业以及家庭用电中和电力系统直流输电中也会产生谐波。$ J8 Q+ ? |6 } F/ i
c）电弧型。主要是各种炼钢炉。9 W$ u5 H E- t1 d# v
以广东省粤北电网为例，谐波源主要是电气化铁路和大型炼钢厂等企业。该地区电网谐波含量比较丰富，广东省电力谐波监测站对该地区电网的2个电气化铁路牵引站进行了测量，谐波电压基本合格，谐波电流则超标。测量数据见表1和表2。
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从表1和表2可知，在牵引站（一）、（二）中，3次、5次、7次、9次谐波电流超标，其中L3相3次谐波电流最大。9 p1 ^1 J& |8 C1 r0 ^0 x& w: R5 F
2 谐波对电能计量的影响3 }7 |6 B7 G1 P. {. K
对不同类型的电能表频率响应进行测试，可以看到：感应式电能表对2次以上谐波有逐渐增大的衰减特性，到9次时已衰减掉80％以上，主要原因是感应式电能表的圆盘涡流路径的等效圆盘阻抗角随频率的增高而增大；电子式电能表呈宽带响应的特性，电子表带宽主要受其互感器频带和乘法器时钟频率限制。( x9 I' H$ d# q; j
电网中基波功率由发电机产生，而负荷又分为线性负荷与非线性负荷。非线性负荷吸收电网的基波功率，并将基波功率的一部分转化为谐波功率反送回电网；线性负荷不仅吸收电网的基波功率，也吸收谐波功率。
; L: x$ ? E# |6 ~! p, a9 K 电能表反映的电能为：
- A o$ `6 F1 [9 w) W5 V) c( K$ K& g& o9 d* G5 D
式中：E———通过电能表的电能；- l6 T! A9 z! u% g
E1———通过电能表的基波电能； T/ g- `2 {* s! K T! |" P
Eh———通过电能表的第h次谐波电能；
% n, v' ^& V0 G) X Kh———第h次谐波下电能计量衰减的频率响应系数。& \0 F3 N, ]9 c9 s
根据感应式电能表频率响应曲线，随着频率的增大，电能表误差向负方向增大，即实际计量的电能越来越少，但0＜｜Kh｜＜1。对线性负荷而言，基波功率方向与谐波功率方向相同，Kh＞0，因此感应式电能表所计量的电能大于基波电能，但小于基波与各次谐波电能之和；对非线性负荷而言，基波功率方向与谐波功率方向相反，Kh＞0，因此感应式电能表所计量的电能大于基波与各次谐波电能之和，但小于基波电能。, T" D/ E7 h: X! O, o' D) E
电子式电能表对各次谐波的响应系数Kh≈1，它反映的用户消耗电能较接近实际。对线性用户，它计量的电能等于基波与各次谐波电能之和，但大于基波电能；对非线性用户，它计量的电能等于基波与各次谐波电能之差，但小于基波电能。
. B& e% k, I6 c& O, s- Z3 计量方式的选择
! y7 J. m, H9 K5 | O/ g 能反映实际电能并不等于就是合理的计量方式。非线性用户向电网注入的谐波功率无论是对用电户还是对电力系统都是有害而无利的。对用户的电动机来说，它并不增加有效的轴功率，相反会明显增大其附加损耗、附加温升和脉动转矩，这将严重缩短电机的寿命；对电力系统而言则将是增大线损，增加非经营性成本。
! L" B% O/ O# ?* F 基波电能为有益的电能，应根据基波电能值合理地确定用户的电费，而不致让谐波的“制造者”———非线性用户不仅未受到处罚，还少计了电量，谐波的“受害者”———线性用户不仅得不到补偿，还多计了电量。谐波电能为有害的电能，可根据谐波电能值确定谐波源向电网输送多少谐波能量，据此可制定相应的措施对非线性用户进行处罚，以经济为杠杆促使其治理谐波污染。因此，在谐波影响下应选择这样的计量方式：对基波、谐波电能进行分别计量，并指示谐波电能的方向。
9 \; ^5 |" x& W& @5 ]" u! ~: ?" S# \4 计量技术改造的方法及技术经济效益分析
" X$ J' Z8 G/ F& i$ y 为计量基波电能，可选用基波电能表，这种表在电流电压输入回路与AD转换间装有低通滤波器，只反映基波电能。谐波电能可这样得到：用宽频带的电子表测得的电能减去基波电能，若结果为正值，表明该负荷为线性负荷，吸收谐波电能；若结果为负值，表明该负荷为非线性负荷，向电网注入谐波电能。( r+ {5 @" [( q* v' o
现场改造可在计量回路同时安装2个电能表，即宽频带的普通电子电能表和基波电子电能表。现场安装示意图如图1所示。
" ?& j3 I" w- r( J, s 以广东省粤北某电气化铁路牵引站为例，其牵引变压器容量为31．5 MVA，原来安装的是宽频带的电子电能表。对该牵引站测定的奇次谐波电流、电压、有功功率见表3（偶次谐波数值很小，在此忽略不计）。# _6 G7 ~; H7 p( j
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: Z( s( e5 {' z- j: j 现对该牵引站电能计量装置进行技术改造，采用基波电能和谐波电能分开计量的方式，独立加装: d' _8 R9 D: X, S3 N+ G
基波电能表。+ |8 |+ s' A( R4 i, v% T, S, U
根据表3可计算出谐波负荷总和为0．088MW，基波负荷为11．481 MW，谐波负荷总和与基波负荷的比值为0．768％。按该牵引站年用电量96 GWh计算，1年可挽回损失电量737 MWh。
& _; B6 {6 o1 C; y 按广东省电价目录中衡广电气化牵引机车电价为0．448元／k Wh（含三峡基金和电力建设费）计算，仅对一个电气化机车牵引站进行计量装置改造，可为供电企业挽回经济损失30．02万元。
) S$ X3 z) w2 l% {5 P, `5 结束语
5 \3 K4 V; M" D/ a+ a 谐波对电能计量的准确性和合理性有极大的影响。采用分别计量基波电能和谐波电能，记录谐波电能方向的计量方式是比较合理的。按照电力成本合理分摊的电价体系，对吸收谐波电能的客户在电力价格或用电量上适当给予谐波分量补偿；对向电网注入谐波电能的客户要给予电力成本合理分担，按谐波分量的比例对其用电价格进行调整或处罚，是非常有必要的。但是，由于国家目前尚无此方面的技术8 m# Z& o3 d: [* T/ B
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狗仔卡
发表于 2007-3-20 16:13:37
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