谐波对电能计量的影响 如何选型保护装置

安科瑞 任心怡

技术支持：彭峰

电能是国民经济的重要支撑，推动了我国工农业的飞速发展。为保证提供足够的电，现代电网中接入了许多非线性的大容量电力设备，这些设备的应用会在电网中产生电流或电压谐波污染，所产生的谐波不仅会影响电流或电压的稳定性，增大电能的损耗，还非常容易对电网中的设备造成损坏。应用于电能计量的相关装置在测量存在谐波的电网电路时，其精度也会受到谐波的影响，从而造成测量误差的增大。为降低或消除谐波对电能计量的影响，就必须对其性能以及作用原理进行分析，进而选取或使用适当的改进方式促使计量装置在对电能进行计量时保持较小的测量误差。

1 电力系统中的谐波概述

理想情况下电力系统中传输的是正弦交流电，当大量非线性设备或其他噪声被引入到电力系统中时，正弦交流电会产生畸变。这种畸变既包含由非线性负荷所造成的电流畸变，也包括由电流畸变所引起的电压畸变。

1.1 产生谐波的原因

实际应用的电力系统不是理想的系统，故在其中产生谐波是不可避免的，具体来说，产生谐波的原因主要集中在以下两个方面。

（1）电网内部设备所引起的谐波。在电力系统内部存在大量的非线性设备，电能通过这些非线性设备时必然会发生改变，进而出现谐波。若供电网络中的变压器出现过负荷情况，则变压器会因为磁通量的饱和而呈现出非线性状态，进而导致流经变压器两段的电流和电压失真，形成谐波。除了上述两种原因以外，发电所使用的三相发电机、电力传输过程中所使用的高压输电线等同样也会造成电流和电压的畸变，使供电网络中出现不同能级的谐波分量。

（2）负载端所引起的谐波。相较于供电网络而言，用户端能够导致电力系统中出现谐波的负载设备更多，影响更大，是主要谐波源。人们日常生活常用的计算机、电视机、微波炉等家电设备中均添加了整流器和开关稳压，以保证其正常工作或工作的稳定性。这些器件都属于非线性器件，在使用过程中会产生谐波，虽然这些家电的单台功率较小，但是其使用量非常大，会在电网中产生大量的谐波污染。其他生活或工业生产中所使用的变频设备或生产设备中同样会使用到非线性器件，这些器件不同程度的都会在电力系统中引入电压或电流谐波。特别是近几年来的工业设计中更多地选择设计设备运行在接近饱和状态，这就进一步加大了谐波对供电网络的影响。

1.2 谐波在电能损耗方面的影响

电力系统中的谐波不仅会对电力设备的稳定性带来威胁，还会增加系统的电能损耗，造成电能的浪费。具体来说，谐波所造成的电能损耗主要体现在如下几部分。

（1）电力电缆中的电能损耗。电能是在电力传输介质中传输的，这些传输介质本身存在阻抗。当交变电流流经这些传输介质时，谐波中的高频分量会使得传输导体中产生较大的集肤效应，进而造成电能的有功损耗，有功功率的大小由公式决定的。r 表示传输介质的电阻。谐波分量越多，损耗在传输电缆中的能耗越多。实际测量数据表明，非线性设备所产生的谐波电流最高可达到基波电流有效值的百分之七十，若不采用相关的滤波措施，其所产生的线路损耗是非常大的。

（2）变压器中的电能损耗。变压器中同样存在电阻，电流流经变压器时变压器中的电阻会将部分电能转变为热能消耗掉，可适用的公式与上节中所述的公式相同。可见，谐波经过变压器时同样会产生能耗的浪费。除此之外，流经变压器的电流和电压还会在变压器铁芯中引起磁通量的变化，由于变压器是不理想的，这些变化的磁通量会在变压器中产生涡流损耗和磁滞损耗。交变磁场的磁场密度和频率越高，磁滞损耗越高。

（3）和发电机中的电能损耗。这些设备中同样存在上述两节中描述的铜耗和铁耗，除此之外三阶谐波及三阶整数倍的谐波还会在这些设备中产生额外的电能损耗，甚至会造成电动机的损坏。

（4）其他设备中的电能损耗。其他诸如工业设备和家用电器等使用直流供电电源或整流器件的设备在并网使用过程中也会产生电能的损耗，造成电能计量的误差。

2 电力计量装置及其计量原理

电子式电能表

（1）模拟乘法器电子式电能表

该电能表的结构示意图如图所示。

 

由于该电能表所使用的电子器件不能直接处理较高的电压值，故在应用其对负载进行测量时需要对负载电压和电流进行预处理：利用电压按照一定的转换原理将负载电压转换为对应的低电压，输送到模拟乘法器中进行处理；利用按照一定的转换原理将负载电流转换为对应的电压或先转变为小电流再转换成电压，输送到模拟乘法器中进行处理。

v-f 变换器主要用于对乘法器的输出电压进行转换，便于计数器统计与显示。

（2）数字乘法器电子式电能表

该电能表所使用的乘法器集成了数字处理芯片，可以将输入的电压值和电流值由模拟信号转换为数字信号，进而使用数字处理芯片对这些数字信号进行运算和处理，实现对负载的电。

3 谐波对电能计量的影响

在使用模拟乘法器的电子式电能表中，计量精度是由时分割频率决定的，时分割频率越高说明采样时间越短，而电能表所能处理的信号频带越宽，可以将更多的高频分量计入计量结果中，减少计量所产生的损失。

通常情况下，时分割频率较高的电能表在对负载进行能量计量时，即便负载电路中存在谐波功率，其测量结果与理论计算值之间的吻合度也能够维持在较高的水平，也就是测量精度较高。但是目前需要该类电能表所需要解决的主要问题是不同频带宽度内的相位补偿问题。实际应用中，负载电路具有频率选择特性，这就导致测量频带内不同频率所具有的相移不同，若直接对这些频率范围内的信号进行能量测量会产生较大的误差。因此在计量系统中引入了相位补偿的方法对50hz 处的频率进行相位补偿，但是这种补偿不是全频带范围内的补偿，故对于未补偿的计量频率，其仍旧会产生不同程度的计量误差。

4 产品选型

该系列谐波保护器对用电设备产生的随机高次谐波、脉冲尖峰、电涌等具有抑制和吸收作用，能有效滤除电压尖峰杂波、矫正畸变的电压波形、对谐波噪声进行消化和吸收、防止保护装置误跳闸、保证用电设备正常运行。

 

4.1产品简介

功能：

该系列谐波保护器对用电设备产生的随机高次谐波、脉冲尖峰、电涌等具有抑制和吸收作用，能有效滤除电压尖峰杂波、矫正畸变的电压波形、对谐波噪声进行消化和吸收、防止保护装置误跳闸、保证用电设备正常运行。

应用范围：

适用于电子计算机、精密医疗仪器、微处理器以及其它数字化电子设备等。

4.2 技术参数

 

4.3 主要功能

 

 

4.4 外形尺寸

 

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