浅谈用户谐波对电能计量的影响和抑制

摘要：电网谐波(非线性)叠加正弦波电流上的高次谐波，成为污染电能质量的重要危害源。为此，及时检测谐波源，采用相应的消谐装置和合理的电能计量设备和方式，正确装表接电，将谐波源产生的谐波与电网有效隔离，成为保护电网安全和准确电能计量的有效措施。如何实现本地治理和电网隔离，及时监测用户谐波源，减少谐波对计量的影响将是一项重要的工作。

关键词：用户谐波源; 电能计量; 影响和抑制

在微电子以及电力电子技术飞跃发展的今天，大量非线性负荷如可控硅整流设备、电力电子调频以及电弧炼钢炉、电铁牵引等加入电网。这些负荷对电网造成很大的干扰,使电网的波形发生了畸变，不再是单一的50Hz正弦波形。还包括一系列频率为基波整数倍的正弦波分量，这些分量称为谐波。电网中存在谐波成分超过一定程度就会引起严重危害。电网以三相正序正弦波形向用户供电，实际运行中由于有谐波源用户产生的寄生在电能正弦基波上的高次谐波，对电能质量和电网安全造成严重影响，威胁到供用电设备安全、经济运行、电能量值准确传递。但是，由于电网谐波的随机性和高频寄生特点，按工频50Hz设计的电能计量装置难以有效监测和记录，致使电网运行对谐波造成的电力污染和电能质量下降的严重性没有深刻认识和有效遏制。由此造成的电能浪费和运行事故没有及时防范，极易造成电能计量的量值降低、电网震荡断电、用电设备受损等事故，特别由于电能计量低于实际用电量的利益驱使，近年来一些地区的冶炼化工企业纷纷内迁，在严重污染当地电网的同时，供电线损迅速攀升。对供电企业和用电客户造成严重伤害。

为此，建立用户谐波常态监测，对谐波源采取相应的治理和合理的电能计量方式，成为当前提高电能质量和避免电量流失的迫切工作。

1 2009年8月，我电业局某供电局通过线损计算，发现某条线路线损高达27%，通过对该线路的所有客户进行排查，线损异常最后集中到采用中频炉冶炼的某客户上。现场对该客户的计量装置进行排查：计量装置无窃电痕迹，计量互感器接线正常，电能计量表计接线正确，校验的误差合格，二次电压、电流均正常。由于在5月份该用户的机电式有功和无功电能表时间到期轮换，装接人员采用一只三相三线高压电子式电能表进行了更换。更换后的电能表通过检定接线正确、误差合格。

由于该线路的线损保持近30%，供电局上报计量中心请求帮助。根据计量表计变更时间、用户负荷性质调查以及表计事件记录分析，发现该客户在6月份新上有1台2500KVA的特种变压器，4个单相用电电弧炉，在负荷启动时冲击负荷较大，三相负荷不平衡，每相负荷电流不同，甚至相差很大。在用户正常生产时，发现二次侧表计电压AB相101V、CB相98V，保持稳定，电流：A相为2.85A、C相为1.07A，功率因数在0.73左右，最高电流记录为某相瞬间达到7.26A，且极不稳定。除正向有功计量外，电能表反向有功电量走了11.56个字，炼钢厂无发电机不可能有上网电量。

2于是我们便对原因分析，由于该客户负荷性质与换表前发生了很大的变化，是非线性负荷，且符合不平衡。除了计量方式不正确以外，还考虑到谐波对电能计量的影响，便用电能质量分析仪接入用电侧进行长时间谐波在线监测。

对该用户所产生的谐波分析，电压总畸变率超标，3次电压谐波以及3次、5次等高次电流谐波超标。这是影响电能计量的主要原因，按50HZ设计的电能表不能有效对高次谐波，特别是正向谐波分量进行有效计量，而负向脉冲分量则会抵消相应的基波分量，全电子式电能表将负载(谐波源)消耗的基波有功电能和谐波源(负载)向电网返送的谐波有功电能(被污染的电能)进行了代数相加，使得记录的能量比负载消耗的基波有功电能量还要小，这是全电子式电能表计量原理上的不足之处。造成电能计量的量值远低于实际用电量，同时，由于高次谐波分量会流向电网，因此出现了反向电量，由此可以判定，炼钢厂的谐波环境计量不准确，是造成线路线损较大的根本原因。

由于谐波分量倒回电网引起的反向电量，经与用户协商将反向有功电量作为漏记电量进行电量补收25万kWh，按时段分摊，收回电费12.6万元。但是由于没有对谐波少计电量追补的规定，给供电局造成了严重损失。

3为防止电能计量误差和防止谐波污染电网，采用三种方式进行治理：一是要求炼钢厂加装静止无功补偿装置利用快速可变的电抗或电容，改善电能质量、限制过电压和增加系统阻力等，防止谐波进入电网;二是改三相三线为三相四线计量方式，降低负序误差;三是采用三相四线基波电能表计量，滤除高次谐波对电源基波的干扰。经过对炼钢厂的谐波改造，该条线路的线损立即降至10%以下。

4那么，电网谐波是怎么影响电能计量偏差的呢?正常情况下，电网电压电流是以120°相位差的正弦波组成，电能参数包括基波电压、基波电流、负序电压、负序电流、谐波电压、谐波电流、功率因素、基波功率、谐波功率组成，随着电气铁路、冶金化学、高中频电器和家用电器的普及，电网的非线性负荷(硅整流设备，电力机车，电解设备)和冲击性负荷(电弧炉，轧钢机、变频电器等)的增加，在电网电压电流正弦波上叠加有非线性(谐波)和非对称性(负序)的高次脉冲，使电压、电流波形畸变为包含高次谐波的正弦载波，由于谐波和负序脉冲影响，电能正弦畸变对电网运行和客户用电设备产生十分严重影响。

在2004～2005年间，我通过对多个厂家10只专门用于有谐波源用户计量的基波电能表进行一年现场对比计量数据分析，发现基波电能表要比普通电子式电能表多计电量2.4～6%左右。从2006年起，于是我局便采用对有谐波源的用户装设基波电能表，以便更准确合理计量，减少电量损失。现在我局生技部每年都要对计量中心下达变电站电能质量(谐波)监测任务，对有谐波源用电客户的谐波监测我们也已成为常态化工作开展。对严重超标谐波用户，下达谐波治理通知书。对新上或改扩建有谐波源的用户，在方案设计审查时便要求其有谐波治理方案，验收时一并验收合格才能投入运行。

5通过多年分析，谐波源用户对电网和供电一次设备安全运行存在较大影响。

1)谐波电压可使变压器的磁滞及涡流损耗增加，使绝缘材料承受的电气应力增大，变压器铜耗增加，在严重的谐波负荷下形成局部过热和噪声增大等过载。

2)谐波造成电容器与电网其它部分之间产生谐波谐振，发生危险的过电压、过电流，引起电容器熔丝熔断或使电容器损坏。

3)当谐波电压与基波电压波峰重合，可使线路的电晕问题变得严重，在谐波电流流过输电线路时附加损耗增大。

4) 谐波电流增大时断路器遮断能力降低，这是电流有效值相同，畸变电流在电流过零点处较大，容易造成断路器线圈不能正常工作。

5)谐波脉冲易引起继电保护和自动装置误动或拒动，造成负序电流保护、主变复合电压起动过电流保护、母线差动保护、线路距离保护和高频保护、故障录波器、自动准同期装置以及负荷控制装置等异常。

6同时，谐波污染电网后对用电设备的影响

1)谐波对计量电能表增大负误差少计电量，电度表对谐波脉冲有负向误差特性，电度表对谐波消耗功率计量不足，在谐波源的电度表计量是基波与部分负向谐波分量的集合量，所以谐波源计量会减少计量(电网谐波对无谐波源计量点则多计电量)。

2)对旋转电机产生产生附加损耗和转矩，在感应电动机的定子绕组中所有正序谐波电流产生正方向的电磁转矩，有助于转子的旋转，而负序谐波电流的作用恰好相反，正负损耗和转矩形成涡流损失。

3)对家用电器产生高频过电压，产生过热和绝缘损害，造成功耗增加、出力不足，减少使用寿命等。

7通过以上分析，我觉得用户谐波防治基本措施主要有：

1)建立有效的电能质量监测点。利用现有的电能量采集系统和随机抽测，对重点客户、变电站出线等进行电能谐波普查，进行基波电压、基波电流、负序电压、负序电流、谐波电压、谐波电流、功率因素、基波功率、谐波功率、谐波阻抗、谐波方向、电压波动与闪变动态的在线监测，分析变化趋势。依靠数据制定科学合理的监测和治理方案。

2)增加系统承受谐波能力。将谐波源客户改为用较高电压和较大容量供电方式，可以减小谐波影响。

3)加装静止无功补偿装置。静补装置的基本结构是由快速可变的电抗或电容元件组合而成，除了综合改善电能质量这一直接效果外，在电网中已成为控制无功、电压，提高输电稳定性，限制系统过电压，增加系统阻力的重要技术措施。静补装置的一次性投资大，在制定工程方案时应经充分的技术经济比较。

4)采用无源电力滤波装置就近吸收谐波源产生的谐波电流，降低连接点谐波电压，是抑止谐波"污染"的一种有效措施。该装置一般由电力电容器、电抗器(常用空心)和电阻器适当组合而成，它和谐波源并联，除起滤波作用外还兼顾无功补偿的需要。无源电力滤波装置的结构简单、运行可靠、维护方便，目前已得到广泛应用。

5)采用有源滤波器等新型装置抑制谐波的措施。随着高功率大电流半导体器件及GTO的发展，有源滤波器已开始实用化，这种滤波器向电网送入与原有谐波电流幅值相等、相位相同、方向相反的电流，使电源的总谐波电流为零。有源滤波器由于仅补偿无功电流，因此装置容量可以大大减小，相应地降低了损耗;由于它对电网参数没有影响，不会引起谐振危险，因而使用灵活，是一种有很大发展前景的谐波补偿装置。

结束语

现在我们对有谐波源的大用户在新建或改扩建配电室或变电站时，在方案设计审查时便要求其有谐波治理方案，验收时一并验收合格才能投入运行。监测发现谐波超标的用户要求其进行谐波治理。谐波源产生的谐波对电网环境的污染，影响到电网运行安全，供电企业经营效益和客户用电的电能质量，为此，对各种污染源排放的容量加以限制并进行监测和管理，对保证输变电设备安全稳定运行，客户用电设备安全、提高电能质量、减少电量流失，降低电网线损、维护用电秩序等都有明显的作用，对此，建立长期的电能质量监测，将变电站输出端、线路节点、谐波关联客户、线损高危客户进行常态监测和比对分析，对谐波源进行对应处理，提高电能质量，就能有效地实现谐波的有效治理。

参考文献：

1. 国标GB/T14549《电能质量公用电网谐波》;电力工业部编写

2. 《电力供应与使用法规汇编》电力工业部安全监察及生产协调司编

3. 电力行业标准DL/T448-2000.《电能计量装置技术管理规程》

4. 通用计量术语及定义.范巧成编著