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基波電能表介紹、基波電能表的原理、諧波對(duì)計(jì)量的影響

隨著電力系統(tǒng)中非線負(fù)荷的不斷增加，以及電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，向電網(wǎng)注入大量諸波、間諸波和超高次諧波成分，導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴(yán)重惡化。準(zhǔn)確檢測(cè)出諧波、間諧波和超高次諧波分量是對(duì)其治理的前提，對(duì)維護(hù)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

在理想狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)的電壓、電流波形均為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，其頻率恒定不變。但隨著非線性及波動(dòng)負(fù)荷的增多，產(chǎn)生了由不同頻率的正弦分量疊加而成的畸變波形。

國(guó)際公認(rèn)的諧波定義為;諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。電網(wǎng)中不僅存在頻率為基頻整數(shù)倍的諧波，在電網(wǎng)頻率的電壓和電流的諧波之間還存在一類(lèi)頻率非基頻整數(shù)倍的正弦分量，即所謂的間諧波。次諧波在目前沒(méi)有官方的定義，一般認(rèn)為是頻率低于基頻的間諧波的特例。

一、諧波與諧波電能計(jì)量

諧波：一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。

諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號(hào)的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時(shí)，2次諧波為100Hz，3次諧波則是150Hz。

一般來(lái)講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱(chēng)關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對(duì)于三相整流負(fù)載，出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、11、13、17、19等，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。

間諧波：在一定的供電條件下，有些用電負(fù)荷會(huì)出現(xiàn)非工業(yè)頻率整數(shù)倍的周期性電流波動(dòng)。為了延續(xù)諧波概念，又不失其一般性，根據(jù)該電流周期分解出的傅立葉級(jí)數(shù)得出的不是基波整數(shù)倍頻率的分量，稱(chēng)為分?jǐn)?shù)諧波（fraction-harmonics），或稱(chēng)為間諧波（inter-harmonics）。

次諧波：頻率低于工頻的間諧波又稱(chēng)為次諧波（sub-harmonics）。

諧波與暫態(tài)現(xiàn)象：暫態(tài)過(guò)程的實(shí)測(cè)波形是一個(gè)帶有明顯高頻分量的畸變波形。盡管暫態(tài)過(guò)程含有高頻分量，暫態(tài)和諧波卻是兩個(gè)完全不同的現(xiàn)象，它們的分析方法也是不同的。

在許多電能質(zhì)量問(wèn)題中，常 把暫態(tài)現(xiàn)象誤認(rèn)為是波形畸變。

電力系統(tǒng)僅在受到突然擾動(dòng)之后，其暫態(tài)波形才呈現(xiàn)出高頻特性，但這些高頻分量并不是諧波，與系統(tǒng)的基波頻率無(wú)關(guān)。

諧波按其定義是在穩(wěn)態(tài)情況下出現(xiàn)的，并且其頻率是基波頻率的整數(shù)倍。

產(chǎn)生諧波的畸變波形是連續(xù)的，或至少持續(xù)幾秒鐘，而暫態(tài)現(xiàn)象通常在幾個(gè)周期后就消失了。

暫態(tài)常伴隨著系統(tǒng)的變化，例如投切電容器組等，而諧波則與負(fù)荷的連續(xù)運(yùn)行有關(guān)。

某些情況下也存在兩者難以區(qū)分的情形，例如變壓器投入時(shí)的情形，這種投入引起的暫態(tài)現(xiàn)象，波形畸變可持續(xù)數(shù)秒，并可能引起系統(tǒng)振蕩。

短時(shí)間諧波：對(duì)于短時(shí)間的沖擊電流，例如變壓器空載合閘的勵(lì)磁涌流，按周期函數(shù)分解將包含短時(shí)間的諧波和間諧波電流，稱(chēng)為短時(shí)間的諧波電流或快速變化諧波電流，應(yīng)將其與電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)諧波區(qū)分開(kāi)來(lái)。

陷波：換流裝置在換相時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電壓波形出現(xiàn)陷波或稱(chēng)換相缺口。這種畸變雖然也是周期性的，但不屬于諧波范疇。

二、電力系統(tǒng)主要諧波源及諧波的危害

1.諧波來(lái)源

電力系統(tǒng)中具有非線性特征的設(shè)備和負(fù)載是主要的諧波源。其主要有以下幾類(lèi)

（1）鐵磁飽和型：如變壓器、電抗器等鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性的各種鐵心設(shè)備。

（2）電子開(kāi)關(guān)型：各種交直流換流裝置（如整流器，逆變器等）、雙向晶閘可控開(kāi)關(guān)、整流閥、逆變閥等設(shè)備在化工、冶金、電氣鐵道以及家用電器中的廣泛使用，其開(kāi)關(guān)切合和換向特性具有非線性。

（3）電弧型：各種煉鋼電弧爐在高溫熔化期間，交流電弧焊機(jī)在高溫焊接期間，電弧的點(diǎn)燃和劇烈變動(dòng)形成的高度非線性，將導(dǎo)致電流不規(guī)則地波動(dòng)。這種非線性導(dǎo)致電弧電壓與電弧電流之間產(chǎn)生不規(guī)則的隨機(jī)變化。

此外，電冰箱、變頻空調(diào)、電腦等家用電器也會(huì)產(chǎn)生奇次諧波。

2.諧波的危害

電網(wǎng)諧波容易造成電壓電流波形畸變，使得網(wǎng)電能質(zhì)量惡化。其危害主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）附加損耗增加。增大了交流電機(jī)、變壓器、輸配電線路以及用電設(shè)備的額外損耗，而且使得電氣設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重，效率和利用率降低。

（2）降低測(cè)量設(shè)備的準(zhǔn)確度。常規(guī)電力測(cè)量?jī)x表都是基于工頻進(jìn)行參考和設(shè)計(jì)的，對(duì)諧波信號(hào)較為敏感，很容易受其影響而產(chǎn)生計(jì)量誤差。當(dāng)諧波含量較高時(shí)，電能表的測(cè)量準(zhǔn)確性大大降低，甚至?xí)霈F(xiàn)用戶電能計(jì)量混亂。

（3）影響保護(hù)和控制裝置的可靠性。諧波會(huì)干擾繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置的正常工作，使其在正常狀態(tài)下誤動(dòng)作或在緊急狀態(tài)下拒動(dòng)作，造成不必要的供電中斷和安全事故，無(wú)法保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

（4）產(chǎn)生諧波諧振。在工頻時(shí)系統(tǒng)容抗遠(yuǎn)大于感抗，諧振一般不會(huì)發(fā)生。但是在諧波作用下，感抗增加而容抗減小，最終當(dāng)二者相等時(shí)就會(huì)產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振現(xiàn)象。將引起極大的過(guò)電流和過(guò)電壓，從而導(dǎo)致電氣設(shè)備絕緣故障或損壞，甚至還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的電力事故。

（5）無(wú)法保證電氣設(shè)備的正常工作。諧波使得變壓器、電纜等設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重，同時(shí)使得某些對(duì)申能質(zhì)量要求較高的精密設(shè)備工作異常。從而致使它們壽命縮短甚至直接損壞。

（6）諧波造成電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。

3.間諧波危害

間諧波不但有上述類(lèi)似諧波的危害，還會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生其特有影響，其主要表現(xiàn)如下：

（1）引起電壓波動(dòng)和閃變。當(dāng)有間諧波存在時(shí)，信號(hào)波形包絡(luò)線會(huì)以間諧波與基波或諧波的差值頻率波動(dòng)。當(dāng)間諧波頻率與基波或諧波頻率相近時(shí)，則會(huì)引發(fā)閃變。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)上述差值在 8Hz附近時(shí)，人眼對(duì)此時(shí)的燈光閃變比較敏感，視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)受到嚴(yán)重干擾。

（2）影響電氣設(shè)備的正常工作。間諧波與諧波和基波不能保持同步變化，將導(dǎo)致波形幅值變化及過(guò)零點(diǎn)偏移。從而使得過(guò)零工作的數(shù)字繼電器等保護(hù)設(shè)備產(chǎn)生誤差甚至誤動(dòng)作，降低電網(wǎng)的安全性。還會(huì)影響依賴檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)工作的計(jì)量?jī)x器對(duì)傳統(tǒng)諧波測(cè)量的準(zhǔn)確度。

此外，間諧波還會(huì)引起無(wú)源濾波器過(guò)載、線路損耗增加、電視機(jī)和計(jì)算機(jī)圖像畸變、電動(dòng)機(jī)震動(dòng)并產(chǎn)生噪音等，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

三、諧波對(duì)計(jì)量的影響

為了便于說(shuō)明諧波對(duì)電能計(jì)量的影響，在下圖簡(jiǎn)化電網(wǎng)中給出了有功功率潮流的分布情況，包括基波功率源（發(fā)電機(jī)）、非諧波源用戶以及諧波源用戶的基波功率和諧波功率。

發(fā)電機(jī)發(fā)出的基波功率P1G被其兩個(gè)用戶（非諧波源用戶和諧波源用戶）分別消耗掉基波功率P1M和 P1R，諧波源（諧波源用戶）送出的諧波功率 PhR同時(shí)送給發(fā)電機(jī)和非諧波源用戶，它們分別消耗的諧波功率為PhG和PhM。

如果在非諧波源用戶以及諧波源用戶側(cè)安裝電表進(jìn)行計(jì)量，則非諧波源用戶側(cè)實(shí)際指示的消耗電功率為P1M＋PhM，而諧波源用戶側(cè)實(shí)際指示的消耗電功率為P1R - PhR這就導(dǎo)致正常使用電能的非諧波源用戶不但由于吸收由諧波源用戶產(chǎn)生的、對(duì)自身運(yùn)行毫無(wú)用處、甚至有危害的諧波功率，還得為這一部分電能支付一定的費(fèi)用;相反的，諧波源用戶不但將吸收的一部分基波電能轉(zhuǎn)化為譜波電能污染了電網(wǎng)，而且還因此少支付這一部分的費(fèi)用；同時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)消耗較多諧波功率時(shí)，不僅會(huì)降低電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益，還影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，這樣顯然是不合理的。

基波表就是針對(duì)這種情況而研制的，它能濾掉諧波電量，只計(jì)量基波電能，從而消除諧波對(duì)電能表計(jì)量的影響，公平、公正地解決了諧波嚴(yán)重影響電能計(jì)量的問(wèn)題。

四、三相基波表（硬件方式）基本原理

實(shí)現(xiàn)濾波功能的手段可以有硬件和軟件實(shí)現(xiàn)兩種方式。軟件實(shí)現(xiàn)方式由專(zhuān)門(mén)的濾波算法來(lái)完成，一般采用傅氏算法剔除諧波而保留基波。軟件實(shí)現(xiàn)方式的硬件同普通表一樣，只是完全由軟件實(shí)現(xiàn)濾波功能，并且能夠計(jì)算出各次諧波的含有率、總諧波畸變率。但軟件實(shí)現(xiàn)需要功能強(qiáng)大的 DSP以及較為完善的算法來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理。由硬件實(shí)現(xiàn)則是通過(guò)硬件低通濾波器，合理地選擇轉(zhuǎn)折頻率，可以直接濾除二、三次以上諧波而保留基波，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中可以得到較為理想的濾波特性，但是它難以實(shí)現(xiàn)顯示各次諧波的含有率、總諧波畸變率。

下面對(duì)由硬件低通濾波器實(shí)現(xiàn)的三相基波表原理作較為詳細(xì)的說(shuō)明（以三相四線式表為例，三相三線式表類(lèi)同，不另作說(shuō)明）。

三相四線式基波表原理框圖

從圖可看出，基波表與普通表相比，只增加了虛線框內(nèi)的電路，即增加了低通濾波器電路。在具體實(shí)施時(shí)，原電能表內(nèi)電源板上電壓通道的電阻分壓電路參數(shù)以及電流放大通道的放大倍數(shù)需作相應(yīng)調(diào)整。在此可以很清楚地看到，在原有電能表硬件、軟件幾乎沒(méi)有改動(dòng)的基礎(chǔ)上，增加一塊附加的低通濾波器、線性放大的小電路板即可完成基波表的計(jì)量功能。