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諧波電流對計量的影響
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  近年來隨著國家產業政策的調整和節能環保工作的不斷推進,高耗能和對環境、電網污染較為嚴重的企業,在沿海和中東部地區已逐步關?;蜣D產,一些如30萬噸以下的小型煉鋼、鐵合金、大型起重吊裝、牽引等設備的電力電子裝置帶來的諧波問題,對電力系統安全、穩定、經濟運行構成潛在威脅,給周圍電網運行帶來極大影響。按國家對諧波的管理要求,企業進行諧波治理需投入數十至數百萬的資金,使得一些中小企業借西部大開發招商引資時機,紛紛遷往西部邊遠經濟欠發達省區,利用西部能源的相對充裕和對諧波管理的滯后,而謀求“發展”,而使西部電網變的更加脆弱。諧波是電網的一大公害。

  電力系統中的主要諧波源可分為兩類:一是含半導體的非線性元件,如各種整流設備、變流器、交直流換流設備、變頻器等節能和控制用的電力電子設備;二是含電弧和鐵磁非線性設備的諧波源,如交流電弧爐及鐵磁諧振設備等。隨著硅整流、電弧爐及可控硅換流設備的廣泛使用和各種非線性負荷的增加,當正弦基波電壓施加于非線性設備時,設備吸收的電流與施加的電壓波形不同,電流因而發生了畸變,諧波電流注入到電網中,造成電壓正弦波形畸變,這些設備就成了電力系統的諧波源。

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  1 對諧波的限值和對計量的要求

  GB/T 14549《電能質量公用電網諧波》中明確給出了公用電網諧波電壓的限制值,見表1。諧波電壓的限制值參見GB/T 14549。

  


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  表1 公用電網諧波電壓(相電壓)

  


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  表2 電能表確定基本誤差時的條件要求

  工頻整數倍數的諧波波形,對電能計量裝置的準確計量產生了較大的影響。

  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,最大需量值誤差的改變量應不超過0.2%,程序不應紊亂,內存數據不應丟失(測量單元為額定工作狀態)。

  2 計量電能表受諧波影響的誤差

  2.1 感應式電能表受諧波的影響

  感應式電能表是靠電磁感應來產生轉動力矩的,電能表工作時,電壓線圈的電流所產生的磁通分為兩部分,一部分是穿過鋁盤并由回磁板構成回路的工作磁通,另一部分是不穿過鋁盤而由左右鐵軛構成回路的非工作磁通。而電流線圈所產生的磁通,兩次穿過鋁盤,并通過電流元件鐵芯構成回路。由于電壓線圈和電流線圈產生的交變磁通,在不同位置穿過鋁盤,并在鋁盤的不同位置感應出電流(渦流),此渦流與磁場相互作用便產生推動鋁盤轉動的力矩,鋁盤轉動與負載有功功率成正比。

  電能表產生誤差的原因很多,與系統高次諧波相關的體現為兩個方面:

  ·電磁感應式電能表的設計只按基波考慮;

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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

  全電子式電能表產生誤差的因素,完全消除了感應式電能表的機械轉動、元件磨損、傾斜度等的影響,但對其運行環境、元器件質量、電能質量、諧波頻率的影響產生的誤差也是多方面的。

  3 諧波工況下的電能計量

  3.1 諧波工況下的準確計量要求

  隨著電力市場改革的推進,電能作為一種商品已經全面走向市場化,電能表能否在各種工業狀況下準確計量,逐漸受到了供用電雙方的重視。

  隨著大功率非線性負荷的迅速增加,使得供電系統中電壓、電流波形發生畸變,對電網造成了嚴重的影響,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確性

  在實際的計量中,電力用戶可以分為兩類,即產生諧波的諧波源用戶和不產生諧波的諧波受害者用戶。

  作為諧波源的用戶,一方面產生了諧波功率,對電網造成了污染,另一方面,計費總電能為基波電能減去產生的諧波電能。作為正常使用的諧波受害者用戶,一方面設備深受諧波危害,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:輸配電設備網

  4 諧波測量功能的實現

  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發展到采用大容量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,在停電時同樣能進行溫度補償,在-40~+70℃范圍內,時鐘精度優于0.5s/d;

  ·具有備用時段功能;

  ·RS485能實現波特率自適應功能;

  ·能實現自動校表。

  5.2 諧波計量測試情況

  電能表在諧波工況下,當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和與標準表的總電能一致,而消耗電能等于基波電能與諧波電能的絕對值之和。

  當諧波電能方向與基波電能相同時,消耗電能與標準表的總電能一致。

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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。

  電網的高次諧波對電能計量的準確性有影響,當諧波含量滿足國標規定時,誤差影響微小,當諧波含量超過國標規定時,無論是電磁感應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,在選用電量平衡統計和貿易結算電能表時,針對含高次諧波的線路和用戶,不僅要求用戶按國標的要求進行諧波治理,還應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,在諧波超過國標規定時,采用相同準確級別的全電子式電能表和電磁感應式電能表,計量電能量是有較大差別的;對大功率變流設備、電弧爐等產生高次諧波的電力負載用戶,為了只記錄負荷消耗的基波有功電能,用電磁感應式電能表比用同準確級別的全電子式電能表更合理。當諧波源來自電網時,前者數值較大;當諧波源是用戶時,則情況相反。

  在電網中,無論諧波流向如何,當諧波從負載流向電網時,實際上是負載將電網中的基波經過濾波和整流后,形成的諧波電流反送回電網,這是一種電能污染。全電子式電能表將負載(諧波源)消耗的基波有功電能和諧波源(負載)向電網返送的諧波有功電能(被污染的電能)進行了代數相加,使得記錄的能量比負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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