非线性负荷谐波对计量装置的影响
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摘 要：现代电子技术的大量应用，致使电力系统中的非线性负荷日益提升。非线性负荷的不断增加，对电力系统中的电压和电流造成了严重影响，一旦这种情况出现，则会对计量装置的准确性造成影响，促使电力计量误差扩大。该文首先阐述了非线性负荷谐波产生的原因，然后分析非线性负荷谐波对计量装置的影响，希望对提高计量装置的准确性有所帮助。
关键词：非线性负荷 谐波 计量装置
中图分类号：TM93 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）04（c）-0035-02
计量装置作为电力系统的重要组成部分，但是在电力系统运行过程中，计量装置很容易受到非线性负荷谐波的影响，其准确性无法得到保证。因此，研究非线性负荷谐波对计量装置的影响，具有十分重要的意义。
1 非线性负荷谐波产生的原因
1.1 谐波产生原因
要对谐波产生的原因进行分析。首先是电源部分，如果电力系统中的电源质量较差，则容易产生谐波[1]。其次，电力变压器在运行过程中也会产生谐波。最后，其他电气设备在运行时，同样会产生谐波。这种谐波的产生原理为：电力系统中晶体闸管整流设备的作用。在电力系统处在负载状态时，电容大小会影响谐波的大小。一般情况下，二者呈正相关，简言之，电力系统中的电容越大，谐波就越大，反之则亦然。通过实验分析表明，变压器运行产生的谐波较为常见。但随着电气設备的更新换代，系统中谐波形式也发生了改变，形式更加丰富。这些谐波的存在，严重影响了计量装置的准确性，因此对电力谐波进行分析。
1.2 谐波分析
电能在消耗过程中会转化为多种能源，电能在转化的同时，会在电网中产生谐波。通过对电能与谐波的关系进行研究，可以对电压和谐波之间的关系进行明确，不同电压下母线谐波畸变率有以下几种情况：如果电压为10kV，则最大畸变率为7.7%，平均畸变率为4.1%，最小畸变率为0.48%;如果电流为10kW，则最大畸变率为14.7%，平均畸变率为3.4%，最小畸变率为0.67%;如果电压为35 kV，则最大畸变率为4.1%，平均畸变率为2.3%，最小畸变率为0.67%;如果电流为35 kW，则最大畸变率为19.4%，平均畸变率为6.94%，最小畸变率为2.1%;
如果电压为110kV，则最大畸变率为3.8%，平均畸变率为0.78%，最小畸变率为0.18%;如果电流为110kW，则最大畸变率为17.5%，平均畸变率为1.58%，最小畸变率为0.69%。
2 谐波的不良影响
谐波一旦出现就会造成多方面影响，例如：导致电力系统中电压发生变形、电线受热与可承受范围相背离，致使线路出现短路故障，严重时甚至会烧毁电气设备，对电力系统的稳定运行造成影响。但是谐波最为重要的影响是导致电能计量误差发生，非线性负载谐波电力用户电能计量经常会小于正常值，会少缴纳电费，而他们少缴纳的电费，可能会转嫁到正常用户头上，这对于正常用户来说，显然是不公平的。
3 非线性负荷谐波对计量装置的影响分析
3.1 电能计量装置的分类
电能表有以下几种：一是按照结构原理可分为，感应式和电子式电能表;二是按照测量电源可分为，直流式和交流式电能表;三是按照被测量的电能可分为，有功和无功电能表;四是按照接入线路可分为，直接接入和互感器接入式电能表。
该文主要将感应式和电子式电能表作为研究对象。感应式电能表与电子式电能表在准确等级上差距较为明显，其中感应式电能表准确等级为0.49～2.9;而电子式电能表为0.01～2.1。感应式电能表的频率范围是4Hz，而电子式电能表为41～1001Hz，并且电子式电能表在启动电流、过载能力和功能损耗等方面的性能上均优于感应式电能表。
3.2 谐波对感应式电能表准确度的影响
经过大量实验证明，当电力系统中电压和电流受到内外部因素影响，继而偏离正弦时会发生畸变，继而会对感应式电能表的准确性造成不利影响，究其原因，主要是负载上电流电压不变且存在谐波时，会导致电能表线圈和转盘阻抗发生变化，继而引发电压工作磁通的变化，电能表的测量精度也会因此受到影响[2]。同样，结合感应式电能表的工作原理，可以知道只有在频率相同的电压和电流条件下，转矩才会通过电流的磁通相互作用而产生，非线性负荷谐波在经过电磁组件后，磁通无法与谐波产生反应，会影响转矩和平均功率间的正比关系，继而会导致附加误差的产生。
在利用谐波叠加至电流基波情况下，对电压、电流中所含直流分量对电表的影响程度进行检测。在电能表中存在谐波功率时，可以用以下公式对电能表反映的电能进行判定。E=C1E1+∑ChEh;.在该公式中：E代表基波，而Eh代表h次谐波，其符号可以为正也可以为负。
3.3 谐波对电子式电能表准确度的影响
3.3.1 电子式电能表的频率特性
当电压和电流都受到了谐波影响时，电能表的实际电能值与理论值大致相等。此时导致电子式电能表频带窄的主要原因是输入器件的原因，输入器件对信号成分产生的相移存在差异。如果对50HZ的频率进行补偿，则无法对其他频率的相位移进行补偿，计量误差也会因此而发生。
3.3.2 测量谐波的方法 采用模拟滤波器测量谐波，得到的结果较为准确。目前常用的模拟滤波器主要有两种，一种是利用滤波器对基波电流分量进行过滤，继而得到谐波的电流分量;二是使用带通滤波器，对基波分量进行测量，但这种滤波器存在一定的误差，对电路元件的敏感程度较高，应用效果并不显著。
3.3.3 谐波对于电子式电能表的影响
电子式电能表在测量不同信号时，所产生的波形存在差异，误差也会出现差别，大量的实验结果证明，当电流信号产生谐波时，随着谐波大小的不同，电子式電能表测量的准确性会受到影响，但是误差在允许范围内，可以忽略不计。
电子式电能表在测量电流量时，电网中的电压和电流需要经过互感器转化为弱电信号，才能被输入至电能表中，因此，互感器是否准确对于电能表的准确性具有重要的影响，如果采用的是非线性互感器，那么谐波在通过非线性互感器时，会导致互感器无法按照统一的比例对谐波成分进行转换，从而会引发信号变形的问题[3]。这种情况一旦出现，将会加大测量的误差。研究表明，在波形畸形时，谐波次数越多，互感器的波形变换误差越大。
4 感应式电能表与电子式电能表电能计量特性的对比
由上述分析得知，感应式电能表的误差频率特性为迅速下降，这也导致感应式电能表在计量过程中，只能对谐波部分进行计量。如果将W1比作基波电能，Wn表示谐波电能，W表示计量电能，则可以通过下述公式对感应式电能表反映的电能值进行计算。W=W1+∑K.Wn;
在该公式中，K代表的是谐波电能系数，象征着谐波的被计量程度。K值不会大于1，且会随着谐波频率的不断增加而进一步缩小。
通过对电子式电能表进行分析得知，电子式电能表与感知式电能表相比，计量基波和谐波部分存在差别，电子式电能表的误差频率特性曲线不会发生过大的波动，简言之，电子式电能表会对全部的基波和谐波进行计量，因此可以使用下述公式对电子式电能表的电能计量进行表示：W=W1+∑W;
如果将全能量作为计量标准，那么电子式电能表的计量准确性远远高于感应式电能表，但是如果仅将基波作为计量标准，感应式电能表的误差则相对较小。
5 结语
综上所述，该文对电力系统的谐波，及对电能计量装置的影响进行了分析，先对导致谐波出现的原因展开了探讨，并对谐波与电流和电压之间的关系进行了分析，然后从电能装置频率特性着手，阐述了谐波对于感应式电能表和电子式电能表的影响。谐波的出现会引发严重的后果。为此，电力企业维修人员应加强对谐波的研究力度，并追本溯源，找出谐波产生的主要原因，采取针对性的解决方法，从源头上解决谐波问题。
参考文献
[1] 仇娜，孟欣.分析电力谐波对不同计量装置的误差影响[J].城市建设理论研究，2017（4）：25-26.
[2] 朱东花.分析电力谐波对不同计量装置的误差影响[J].电子制作，2017（2）：91-92.
[3] 姜芳.分析冲击负荷谐波环境下对电能计量装置的影响[J].通讯世界，2015（15）：136-137.
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