电力谐波对电能计量影响的分析

邹永久

(贵州黔东电厂生产技术部，贵州黔东南州 557702)

电力谐波会造成电能在生产、输送和应用过程中效率下降，从而使家用电器产热过多、噪音过大、振动过频并促使电器老化，降低使用年限，有时甚至发生烧毁现象。同时还将引起并联谐振或串联谐振，引起继电器失灵乃至电能计量设备的准确度下降等。进而导致电力公司或用户的电能损耗增加，费用增大。文中在分析电能表计量的基础上，分析了谐波对电子式与电磁感应式电能表的计量影响，提出了谐波影响下电能计量装置的采用［1］。

随着经济的快速发展，各种电器在家庭生活中应用，而这些电器有多数是导致非线性用电负荷的电器，这些电器在使用过程中引起用电系统中谐波的电压和电流发生变化。电力谐波会造成电能在生产、输送和应用过程中效率下降。此外，有些用户在受到影响后也产生谐波电能，从而导致大量的电能损耗在线路当中，造成电力营运企业非经营性成本增加。

1 谐波的产生原因及危害

1.1 谐波的产生

在电能应用未普及之前，谐波主要产生于变压器的励磁电流和发电机中。随着电子设备的大量应用，电子元器件和设备成为谐波源。谐波主要由谐波电流源产生。通常情况下，正弦基波的电压用在非线性设备中时，设备中电流和通过的电压波形存在差别，从而使电流的波形产生变形，由于电网的联通性，谐波也随之加入到线路网络中，从而造成谐波源的产生。目前，根据类型可将谐波源为两类:(1)含半导体的非线性元件，如变流器、各种整流设备、交直流换流设备、PWM变频器等。(2)含电弧和铁磁等非线性设备的谐波源，如交流电弧炉及日光灯等［2－3］。

1.2 谐波的危害

(1)对旋转电动机的影响。基波的频率比谐波要低，使电动机在磁滞、涡流和集肤效应下，能量的消耗增加。此外谐波电流还将使电动机产生额外损耗、铁损等。

(2)对电力变压器的影响。通常，变压器中也有谐波，但该谐波电流较小，一般不会使变压器出现发热和铁损。但在起初接通电源的瞬间，变压器中谐波电流是巨大的，可能要超过额定电流数倍，但时间较短。变压器正常情况不会造成危害，但在谐波的谐振下，将会放大电流影响变压器寿命。

(3)对电力电容器的影响。电容器是常用的电子元器件。由于电容器的特殊性质，使其比其他电子产品更容易受到谐波的毁坏。谐波是电容器安全运行的主要威胁。

(4)对通信线路的干扰。谐波的存在会对通信线路造成干扰，主要通过电磁感应、电容耦合、电气传导来影响通信线路。在通话过程中，谐波会降低通话声音的清晰度，还会在基波的共同作用下多次发出电话铃声的状况，对通讯产生不良影响。更为严重的是，在特殊情况下谐波还有可能造成通信设备受损甚至危害人身安全。

(5)对家用电器的影响。家用电器的放置会引起谐波的影响。因为，一方面家用电器会产生对供电网络的谐波电压影响;另一方面，家用电器还会自身产生谐波影响。

2 谐波对电能计量装置的误差影响

谐波会引起电能计量仪表产生电磁转矩，进而引起误差，使电能计量失准［4］。

2.1 电磁感应式电能表

通常感应式电能表是按照基波来设计的。但电流中除了基波还有谐波，在谐波的影响下，电能表电压线圈的阻抗和旋转圆盘阻抗发生变化，致使磁通量发生改变，进而导致转盘驱动力变化，从而产生误差。与此同时，电流传输中，基波和谐波是相互叠加存在于线路中，从而使得波形发生变化，而电能表的铁芯和线圈是非线性的，磁通量不能随波形的变化相应成线性变化。电路理论指出，平均功率只能在相同频率的电压和电流中产生。而谐波是属于非线性频率，经过电能表使磁通量变化不均，导致转盘转动无法和平均功率成一定比例。因此，电能表不能计量谐波的有功电能，从而产生误差。

2.2 全电子式电能表

全电子式电能表的CPU在进行数值计量时，能抓住不同频率电流电压的瞬间值进行计算，但这些电流电压必须是按正弦规律变化的。这种计算方法在理论上讲，可较准确地记录由基波和谐波共同作用下的总平均功率所产生的功耗值以及电量。但由于谐波电流的方向和负载电流的方向相反，谐波是从负载流向电网，所以电能表记录的数值是基波有功电能和谐波有功电能之和，如此记录下的数值要比负载消耗的基波电能小，这是全电子电能表存在的最大缺陷。除此之外，影响全电子式电能表准确度的因素仍有很多种，比如外界的温度、电压、电流、频率等，都会使全电子式电能表计算出的数据产生误差，还有一些设计上的因素，比如电能表的计算方法和电压电流交换组件的分散性等。

3 谐波对电能计量准确性的影响

3.1 谐波对感应式电能表计量的影响

电能表计量常受波的畸变影响，这是电能表的频率特性决定的。电能表频响曲线是否平坦，对其在谐波功率下计数误差影响较大。所以，分析谐波对电能表计量的影响程度，应先进行频响的研究。

感应电能表在应用中，如果电路中的电流的频率发生变化，出现谐波等现象它就会产生误差。产生误差的原因主要有以下几点［5］:(1)转盘的影响。电能表的转盘并不是纯粹的电阻，在其内部有感抗存在，频率变化时，其等效阻抗及阻抗角会随频率的变化而变化，当频率增大时，阻抗或阻抗角增大，电能表转盘变慢，当频率减小时，阻抗或阻抗角减小，电能表转盘变快。(2)出现谐波后，频率增大，磁通量反而减小，随后导致转盘的力矩变小，从而使转盘转动减慢，导致计量的失准。(3)出现谐波，电流频率增大，电压线圈磁通量随之减小，减小后导致转盘的力矩变小，从而导致转盘转动减慢，电能表计量误差负向变化。电流和电压磁通量变化给转盘力矩带来影响，使电能表产生误差，但当频率发生的变化较大时，该影响就会增高，占据更多的作用，因此谐波出现将对电能表产生一定的计量影响。

3.2 谐波对电子式电能表计量的影响

电子式电能表计量电能是按照总体进行计算的，而电流在线路中不仅有基波还有谐波，按照总体计量的标准将基波和谐波都计算在内，但是谐波对于线性用户是有害的，也被计入在内，这就使电能表的电量计入增多。而非线性的用户可产生谐波，并将产生的谐波反馈到电网中，污染电网，这样电能表只是计量了基波，而来计入其产生的谐波，所以计量数据反而减小［6］。目前的情况是电子电能表存在计量误差改进方法是:加前置低通滤波器，滤去谐波，只计量基波电能，对线性用户而言，该方法是有效的。但是对于非线性用户来说，却没有计量其产生的谐波电能，同样存在误差，应用仍不理想。

4 结束语

在电力系统中，由于非线性用户向电网注入大量的谐波，谐波不仅影响电能质量，同时造成电力部门电能计量表漏计，论文从电能的计算原理和电能表的计费原理上探讨谐波造成计量漏计的原因，建议对非线性负载用户的谐波进行综合治理，并采用高精度的电子式电能计费表，用户和供电部门均能获得更好的经济受益。谐波在一定程度上对电能表造成了计量误差，非线性负荷不但将谐波引入电网，同时也给电网造成严重危害，而且对电力部门、线性用户以及节能环保均不利，因此必须加强对电能计量的监督和管理。

［1］张卓，骆盛军.对谐波影响下的电能计量方式的探讨［J］.广东电力，2002，15(4):23 －24.

［2］唐福顺，禹仲明.基于电力谐波的电能计量分析［J］.湖南电力，2007(12):10－11.

［3］吴竟昌.电力系统谐波［M］.北京:水利电力出版社，1998.

［4］韩如成，赵旭，王畅，等.谐波对电能计量影响的分析及对策研究［J］.太原重型机械学院学报，2002(3):216－220.

［5］席志红，李娅，边峦剑.基于混沌振子系统的电力谐波检测研究［J］.电子科技，2010，23(7):78 －80.

［6］付丽君，曲宙强.电力通信的噪音仿真系统［J］.计算机仿真，2004(7):66－69.