谐波对电流互感器的传变特性及电能计量影响研究

朱 斌

（海南电网有限责任公司琼海供电局）



谐波对电流互感器的传变特性及电能计量影响研究

朱 斌

（海南电网有限责任公司琼海供电局）

摘要：随着社会的不断进步，电子科学技术也日趋成熟，并且推动相关产业迅速发展，提高了居民生活的用电质量。但是随之而来的是用电负荷的不断增加，引起了很多相关的用电安全问题。谐波是其中危害最为严重的问题，并且日趋严重，是急需要解决的问题。本文将谐波对于电流互感器的转变特性进行了研究，并且研究对谐波电能计量影响。

关键词：谐波；电流互感器；谐波源；电能计量

0 引言

1 谐波问题的现状

谐波对于电力系统来说，危害性相当大。在公共用电时产生的谐波，可以降低发电、送电输电及其相关设备的工作效率。而且会产生电气设备过热，损坏设备的现象，也会引发电网局部的串联或并联谐振，这都有可能引发严重的事故。由于谐波在电力系统中普遍存在，所以还会经常造成干扰移动通信系统的正常运行，破坏无限信号的传递，甚至是破坏通信设备。

从谐波的性质上来说，在电网的整体体统中有时可能还会存在一些频率不是基波频率整数倍的正弦分量,这些都被称之为间谐波。把这些频率分量称为间谐波的主要原因是，在进行波形的频谱分析时,习惯于把工频作为基频。

2 电流互感器的现状

目前国外，正在运用的新型电流互感器，一种是基于 Rogowski 线圈的电流互感器，另外一种是基于磁光效应的电流互感器。这两种新型电流互感器的主要优势有：运用原理简单、结构简单、总体体积相对较小、并且性能稳定、造价成本低。但目前还没有广泛地使用，可以预测在将来进行普遍的推广使用后，会对整体的电力系统的发展起到积极的促进作用[1]。

在我国，关于新型电流互感器的使用和研究虽然比较落后，但经过研究后也获得了一些进展。我国所研究的新型电流互感器相对于传统的电磁式电流互感器，优点比较多。比如：新型电流互感器可以在大电流的测量环境中，并且不会产生铁磁共振现象，特别适用于高电压、大电流环境下的故障诊断，可以满足高压工作环境下的绝缘要求。此外，采用这种新型电流互感器比较适用于继电保护，与此同时还可以对谐波实施监测[2]。

3 谐波对电流互感器的传变特性研究

目前，电流互感器国家标准 GB1208—2006只是在正弦信号条件下，对电流互感器做出了相关的规定并且提出了具体要求。而对于在非正弦信号下，还没有作出任何规定和说明。电能质量测量标准所采用的方法是用频率响应来测试CT在非正弦信号条件时的响应特性。但是在实际工作和运用的效果上来说，效果不佳。这是由于电流互感器的一次侧电流信号是由基波和谐波组成，而铁心是具有非线性特性的，所以单纯地只凭借依靠频率响应方法来进行测量，可能还是达不到令人满意的结果[3]。

针对这项问题，提出了一种有效的新方法来研究，那就是在谐波条件下电流互感器的传变特性。本文所提出的方法中，使得一次电流信号是由基波叠加谐波而构成的，谐波的幅值和相角可以变化。需要注意的是，电流互感器是采用非线性装置的，因此当发射的一次电流是由两种或着更多种的频率信号所组成时，叠加谐波不可以用来分析谐波状态时的电流互感器传变特性。而两个完全相同的电流信号可以存在完全不同的谐波频谱，当这两种有效信号分别作用于 CT时，二次电流的差异性很大。相比较采用频率响应方法所得结果不如用这种方法得出的结果令人满意。所以，讨论谐波对电流互感器传变特性产生的影响，有非常重要的意义[4]。

4 谐波对电能计量影响的探讨

（1）关于谐波对电能计量影响的概述

对于谐波对电能计量影响的研究，普遍都更偏向于谐波对电能表计量的准确度的探讨，这可能会忽略掉计量装置中的电流互感器带来的影响。而谐波对电能计量的影响主要就体现在电流互感器上。在实际的电能计量操作上主要是针对电流互感器转换的弱信号进行的。一旦被计量的电信号波形在转换中发生了变化，那么即使后续的计量再准确和认真也都是徒劳的。综上，谐波的误差可能对谐波功率产生很大影响，从而导致电能计量不准确。

1993年，国望集团的前身瑞安市国望机械厂注册成立，以切纸机为主要产品开始发展的旅程；2006年，公司研发的包括数显切纸机、程控切纸机在内的切纸机产品，产销量攀升至中国首位；2013年，其与德国Baumann集团成立沃伦贝格国望(上海)机械有限公司； 2014年，与日本小森合作，结成战略性合作伙伴关系……从当年名不见经传的代工小厂，到如今印后机械市场的领跑者，国望集团的每一步似都是对于“一流”产品的追逐，对于“一流”企业的诠释，其确实在用实际行动为“一流”下定义。

（2）谐波源的类型

电力系统中的非线性设备和负荷都属于谐波源，它们的类型也不一样。首先，是工作处于饱和区域附近的变压器，定子或转子线槽有一些不对称的缠绕方式，或是不规则的旋转电机等。超负荷用电时，需要将某种形式的功率进行调整。其次，是电弧设备，它属于非常特殊的一类谐波源，它产生的谐波频率可能低于基频。当电弧型设备的电源来自于自身调节功能比较差的输配电系统时，通常都会产生次谐波。再次，当电容器组或旋转电机的开关启动时产生的冲击电流涌入到配电系统中时，将会产生谐波源。

现阶段，供电公司或工业用电的电气系统设计人员所面临的挑战越来越大。这主要是因为，国家对于电力系统的要求越来越高，要在谐波不断增大的电气系统环境中安全有效地运行。此外，电力系统中的谐波源的种类多种多样，呈现多样化趋势，使得谐波问题现如今已经变成了一个复杂问题[5]。

（3）谐波功率对电能表计量的影响

当电力系统中的电压或电流波形，由于各种原因导致偏离正弦时,对于电能表计量的测量准确度将明显下降。这是因为，当基波电压或者是电流在不变的情况下而又含有谐波时,电能表的电压线圈阻抗能力以及转盘阻抗能力都会发生变化,都会影响电能表的计量准确性。

式中，K是额定变化，Iph和Ish分别是一次侧和二次侧h次谐波电流的有效值。由此可以推出谐波的相位误差为

εh=αsh-αph

其中αph和αsh分别是一次侧和二次侧h次谐波电流的相角。

另外，由谐波和基波h组成的电压及其电流波形容易发生变化,但是由于铁芯的非线性,磁通不能发生线性变化。只有在同频率下的电压和电流相互作用时，才有可能产生平均功率。那么也只有同频率的电压或电流产生的磁通，两者之间相互作用时，才有可能使其畸变。

（4）改善谐波对电能表计量影响的对策

前文关于谐波对电能计量的影响的介绍，可以明确其影响作用。现在主要是探讨其存在的一些问题，并且将针对这些问题，推荐一些改善谐波对电表计量影响的对策。

对存在有大量谐波功率的电能计量，可以建议采用把基波功率和谐波功进行分别计量的办法，并且对产生谐波情况比较严重的用户可以采取惩罚制度。这种方法是限制电网系统中的谐波负载的一项积极有效的措施，有利于对谐波源的限控。但这种方式本身也具有局限性，比如制造计量谐波电能表的费用成本比较高，并且在技术上也有较高的难度。

另外，由于谐波流向的纷繁复杂性，谐波电能不能有效地反映谐波的实际影响，所以也达不到计量的目的。针对这样的情况，要采取科学有效抑制谐波的措施，控制谐波源的用户向用电中心系统注入的谐波量。根据实际情况，采取有针对性的措施。比如对非谐波源的用户，可以采用传统的感应式电能表。而对于电网系统中的谐波源，或是谐波源附近的非谐波源用户，要采用新型电能表，这种新型电能表要求一方面既能计量基波电能，另外一方面又能计量谐波电能。对于谐波源加大的用户，需要采取合理地收费的措施或对其惩罚的相关措施。这就需要查清楚，如果是对于谐波越限的责任用户，要采用合理性惩罚的措施；而由于谐波源变化，或者是谐波阻抗变化而产生的谐波越限时，其用户以及电力公司都应该承担相应的的责任，对其进行合理性公平收费[6]。

5 结束语

电能既是一种能源被广泛利用，也作为一种商品在用户和电力公司之间进行交换，而过程的公正合理性，直接关系到电力部门和用户的经济利益。所以，这就要求电能计量数据准确合理。本文主要是分析了谐波对电流互感器的传变特性，与此同时，也进一步完善了谐波对电能计量影响的研究。在电能计量中，电流互感器在一般情况下总是与电能表相互配套使用，过去的一些研究项目经常忽略电流互感器可能会产生的影响，由于电流互感器的非线性所导致的一些误差，可能会影响谐波测量的准确性，严重影响电能计量。本文对谐波对电流互感器的传变特性的影响做了一些分析，并且也总结出了一些较容易理解的谐波电能表计量表达式，完善了一些对策方面的探索，提出了新的电能表设计方案，并且可以通过利用广泛使用的电能质量监视设备，将测量电能表的误差降低，提高准确性。

参考文献：

[1]郭捷.谐波对电流互感器的传变特性及电能计量影响研究[D].重庆:重庆大学,2014.

[2]田晓倩.直流偏磁对电流互感器及电能计量的影响研究[D].北京:华北电力大学,2014.

[3]申路.直流偏磁对电流互感器影响及其补偿措施的研究[D].北京:华北电力大学,2014.

[4]韩东伟.计及直流偏磁影响的铁磁元件建模及特性研究[D].北京:华北电力大学,2013.

[5]许仪勋.谐波对电能计量的影响与对策[D].上海:上海交通大学,2008.

[6]张静.电力系统谐波分析与电能计量[D].沈阳:沈阳工业大学,2006.

收稿日期：（2015-12-15）