（电机与电器专业论文）电力谐波对电能计量影响的研究.pdf

华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eb r o a da p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g yi nt h e i n d u s t r yb r a n c h e sa n dt h ep o w e ra p p a r a t u s e s ，t h en u m b e ro fn o n l i n e a rl o a d si sm u c h m o r ea n dm o r e ，a n dt h ec a p a c i t yo ft h e mi sb i g g i s h ，s oam a s so fh a r m o n i ci si n j e c t e d i n t ot h ep o w e rs y s t e m ，w h i c hp r o d u c e st h ew a v e so fv o l t a g ea n dc u r r e n ti np o w e r s y s t e mt ob e a b e r r a n ts e r i o u s l y e l e c t r i ce n e r g yi sm a i ne n e r g ys o u r c eo fc o u n t r y e c o n o m ya n dp e o p l e sl i f e ，e l e c t r i ce n e r g ym e t e r i n gd e a l w i t hg e n e r a t i o n ，p o w e r s u p p l y a n dp o w e r c o n s u m p t i o n u n d e r t h ec o n d i t i o no fm a r k e t i n g e c o n o m y , i m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fe l e c t r i ce n e r g ym e t e r i n gi s o fm o s ti m p o r t a n c e s o s t u d y i n gt h e i n f l u e n c eo fh a r m o n i ct oe l e c t r i c e n e r g ym e t e r i n gd e e p l y i s v e r y n e c e s s a r y t h ei m p o r t a n c eo fe l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n ti se x p l a i n e da tf i r s ti ne c o n o m i c s e t t l e m e n ta n dt h et e c h n i c a li n d i c a t o rc a l c u l a t i n g ，a tt h es a m et i m et h ef a c tt h a tt h e u n i v e r s a l i t ya n ds e r i o u sh a r mo fh a r m o n i ci nt h ep o w e rs y s t e mi sd e s c r i b e di nt h e p a p e r i ti n d i c a t e st h ei m p o r t a n tm e a n i n go fs t u d ye l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n tw i t h t h es i t u a t i o no fh a r m o n i c t h r o u g hc o n s u l t i n gal a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i g n m a t e r i a l s ，t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fi n d u c t i o na n de l e c t r o ne l e c t r i c e n e r g ym e t e ra r ei n t r o d u c e d a n dt h e nt h er e a s o no fe l e c t r i ce n e r g ym e t e rr e g i s t r a t i o n e r r o ri se x p l a i n e d a tt h es a m et i m et h ee r r o ro fm u t u a li n d u c t o ra n di t ss e c o n d a r y c i r c u i ta r es t u d i e d i nt h ed i s c u s so fi n f l u e n c eo fh a r m o n i ct oe l e c t r i ce n e r g ym e t e r i n g t h i se s s a yi sa l s oc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo fm u t u a li n d u c t o ra n di t ss e c o n d a r yc i r c u i t ， t h e ya r eo f t e ni g n o r e di nm a n yp a p e r s t u d y i n gt h ei n f l u e n c eo f h a r m o n i ct ot h ew h o l e e l e c t r i ce n e r g ym e t e r i n gi n s t r u m e n ti tc a ne x p l a i nt h ei n f l u e n c em o r ea c c u r a t e i nt h eb a s eo ft h e o r ye x p l a n a t i o nt e s ti sm a d ei nr e a le n v i r o n m e n tu s i n gt h er e a l i n s t r u m e n t w eu s et h eh a i y im e t e re x a m i n i n ga n dm a n a g i n gs y s t e m t h i ss y s t e mi s v e r ya d v a n c e d i ti n t e g r a t e sa l l w o r ki nt h ec o m p u t e r ，i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c ya n d t h ea c c u r a c y a tl a s t ，o nt h eb a s i so ft h es t u d y i n gc o n c l u s i o nw ec a nk n o wr e f l e c t i n gt h er e a l e l e c t r i ce n e r g yn o te q u a lt ot h eb e s tw a yt om e t e r i n g s ot h i se s s a ye x p l o r e st h ew a y t om e t e re l e c t r i ce n e r g ya n dt h ew a yt oc o u n t ，t h e ng i v i n gar e a s o n a b l ew a yt oc o u n t i nt h ee n dw ei n t r o d u c es e v e r a lm e a s u r e st or e d u c et h ei n n u e n c eo fh a r m o n i ct o e l e c t r i ce n e r g ym e t e r i n g t h ec o m p e n s a t i o no fe c o n o m yi sn o te n o u g hc o n t r a c t i n gt h e i i a b s t r a c t h a r mo fh a r m o n i ct os y s t e m ，s ot a k i n gt h em e a s u r et oe l i m i n a t et h eh a r m o n i ci st h e e s s e n c et oa d m i n i s t e rt h eh a r m o n i c k e y w o r d ：h a r m o n i c ，e n e r g ym e t e r i n g ，w a t t h o u rm e t e r , m u t u a li n d u c t o r ，r e g i s t r a t i o n e r r o r i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：琢获j 美 日期：衅月e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d o ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：障承被 导师签名：怕名伟 日期：础毋年月目 日期：弘呵年月，乒日 第一章绪论 第一章绪论_ 弟一早珀t 匕 1 1 电力系统电能计量的重要性 电能是工业、农业、商业等国民经济和人民生活必须的重要二次能源，在现 代化社会中普遍使用。一个现代化社会，如果没有电能是没法生存下去的。一个 国家发达与否，可以看它的电气化程度和现代化的水平以及电力工业发展能否满 足国民经济和人民生活需求。电力的生产和其他产品的生产有很大的区别，其特 点是发电厂、供电部门和用户这三个部分是连成一个系统，需不问断地同时完成， 互相紧密联系，缺一不可。同时，电能作为一种商品来生产、销售和使用是与其 他商品一样的，在其发、供、用三方之间存在着一个重要的销售与购买的贸易结 算问题。电能计量数据正是这一经济计算的依据，它的准确性与合理性直接影响 到三者的经济利益及交易的公平性。提高电能计量的准确性，对发、供、用电三 方都是十分重要的。 此外，电能计量直接关系到电力系统发电量、线损、煤耗、厂用电、供电量、 用电量等各项技术指标的计算。电能计量尤其是高电压大容量的电力系统的电能 计量是非常重要的一环，它不仅直接关系着电力生产部门的安全经济运行和直接 经济效益，而且还直接或间接地联系着整个国计民生的经济效益和社会效益。随 着我国电力体制的改革，在传统的计划经济向市场经济的转变过程中，对电能计 量工作提出了更高的要求，在传统的计划经济向市场经济的转变过程中，电能计 量技术也更为重要。 目前，我省的电力系统显现出这么一种状况，就是用电波动十分剧烈，峰谷 差别愈来愈大。计量系统在大幅度的工况变化中工作，计量误差会增大，这是电 能计量中不可忽视的问题。利用经济杠杆，实施分时计度并分时计价的电能计量 方式，在一定程度上可以起到调控负荷、拉平负荷曲线的作用，有利于电力系统 的运行和发、输、配电设备的充分利用。 电从发电厂开始到用户为止，中间要经过多级输电线路和配电装置。为了计 量在产、供、销各个环节中流通的电能数量，使经济核算更加准确、生产调度更 合理，线路中装设了大量的电能计量装置，用于计量发电量、厂用电量、供电量 和销售电量等。通常我们把电能表、与其配合使用的互感器以及电能表到互感器 的二次回路连接线统称为电能计量装置。因此，电能计量的准确度是由电能表误 差、所连接的电压互感器误差和电流互感器误差以及电能表到互感器的二次回路 连线压降误差等诸项误差的综合。电能计量准确与否，不仅关系到电力投资者、 华南理工大学工学硕士学位论文 经营者的经济利益，同时也关系到每个使用者的利益。因此研究电力系统中电能 计量技术具有十分重要的现实意义。 1 2 电能计量的发展和现状 1 2 1 电能表的发展概况 电能表作为测量电能的专用仪表，自诞生至今已有1 0 0 多年的历史。电能表 是电能计量管理的基础仪表，其性能直接影响着电能管理的效率和科学化水平。 1 0 0 多年来，随着电力系统的发展及其电能管理系统的不断完善，电能表的结构 和性能也经历了不断完善、不断更新的发展过程。 自从18 3 1 年法拉第发现了电磁感应定律以来，人们不断地探索使用和测量电 能。1 8 8 0 年，德国人爱迪生用电解原理制成的直流电能表是世界上最早的电能表： 随着交流电的产生和应用，18 8 8 年，意大利物理学教授里斯和美国某电工技术学 校的物理教师几乎同时提出了利用旋转磁场测量交流电能的原理，为制造感应式 电能表奠定了理论基础。18 8 9 年，匈牙利岗兹公司的布勒泰制成了一个重达 3 6 5 k g 的感应式电能表，其电压铁芯就重达6 k g ，且无单独电流铁芯；1 8 9 0 年， 出现了带电流铁芯的感应式电能表，反作用力矩靠交流电磁铁产生，转动元件是 一个铜环；直到1 9 世纪末，人们利用交流电磁铁代替直流电磁铁，铝盘代替铜制 的转盘，表的计数机构几经改进，生产了单相和三相的感应式交流电能表。 在2 0 世纪很长的时间内，电能表的发展方向主要放在如何缩小体积和改善工 作性能的研究上。随着高导磁材料的出现，使电能表的重量和体积大大降低。3 0 年代，由于采用铬钢、铝镍台金磁铁代替钨铜使转盘转速降低，降低了损耗，同 时改善了电能表的负荷特性。 感应式电能表具有制造简单、运行可靠、价格便宜等优点，一直被广泛应用， 发展非常迅速。经过近1 0 0 年的不断改进与完善，感应式电能表的制作技术已经 成熟。通过双重绝缘、加强绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮轴承等技术 手段，其结构和磁路的稳定性得以提高，电磁振动被削弱，使用寿命大大延长， 且过载能力明显增强。因此，至今在包括我国在内的许多发展中国家甚至是一些 发达国家里，感应式电能表仍作为主要的电能计量表被广泛使用。 电子技术的飞速发展，对电能表产生了巨大的影响。2 0 世纪6 0 年代出现的 电子式电能表，大大提高了电能表的计量准确度。在此基础上，研究不断朝着提 高准确度和降低成本的方向发展。7 0 年代，为实用化，主要对电子式电能表的测 量电能机理进行研究，先后出现了热电乘法器构成的电子式电能表、时分割乘法 器构成的电子式电能表和四象限模拟乘法器的技术方案。8 0 年代，集成电路开始 在计量装置中应用，使电子式电能表准确度达0 5 o 0 5 级，电能表出现了质的 第一章绪论 变化，由功能简单的感应式电能表逐步过渡到机电脉冲式电能表、全电子式电能 表，直到智能型多功能电能表。进入9 0 年代，随着微机技术的发展，基于先购电、 再用电的管理思想，开发研制和使用智能型i c 卡付费电能表。远程电能表数据采 集系统也开始了实旌应用。 目前，电子式电能表已发展到与电能的智能化计量管理密不可分的水平，电 能表数据采集技术有力推动了远程抄表技术的发展，组成了智能型电能量采集与 计费管理自动化系统。 我国的电能表的生产始于5 0 年代初，经过几十年的努力，电能测量技术和仪 表的开发生产得到了飞速发展。各种类型电能表( 感应式、全电子式) 在品种和 质量上得到了扩展与提高：为满足推行峰谷电价制的需要，开发与生产了各种复 费率电能表：为满足一户一表制的需要，开发了i c 卡预付费表；为防窃电，开发 了防窃电电能表；为满足用电营业管理的需要，开发了多功能电能表、电能管理 系统：为满足负荷监控的需要，开发了无线电力负荷监控系统：为实现抄表自动 化、远程化，开发了远程自动化抄表系统，不仅供给国内，还远销国外。 1 2 2 互感器的发展与现状 自18 7 6 年，俄罗斯科学家亚布洛其可夫研制了第一台变压器以来，人们就 一直探索发明电压互感器和电流互感器，其目的是为了测量高电压和大电流。基 于变压器的原理，1 8 8 1 年就诞生了电压互感器，18 8 5 年出现了电流互感器。从此， 人们在缩小互感器体积，提高测量准确度上下功夫。 到目前为止，电厂和大型枢纽变电站采用0 2 级的电压互感器和电流互感器， 其他的一般采用o 5 级电压、电流互感器。为了减少误差，提高测量准确度，对 电压互感器和电流互感器的无源补偿和有源补偿装置、对电压互感器二次侧导线 压降的有源补偿装置也应运而生。 随着新型材料的发展，近年来由于超高压直流输电网络以及光电、半导体技 术和计算机技术的不断发展，使新的电气测量方法，如无线电的、光电的互感器 已进入试运行阶段。 1 2 3 电能表校验装置的发展概况 电能表校验装置主要分成电能计量基准与标准校验装置和便携式电能表现场 校验仪两种类型。 2 0 世纪6 0 、7 0 年代以前，大部分采取的是利用实负荷与表计对比等原始校 验方法，如瓦秒法和比较法等，这种方法速度慢、准确度不高、工作效率低。8 0 年代初期，出现了计量与微机接口的软件操作平台，通过光电传感电路，把光信 号转换成电信号，经过模数变换，传给计算机，使准确度和效率大大提高，这种 华南理工大学丁学硕士学何论文 电能表校验装置具各了准确度高、自动化程度高，多表位、多功能等特点。使电 能表校验逐步向程序化，规模化方向发展。 目前，我国的电能计量基准与标准校验方面能生产o 3 6 o 0 0 15 级的单相和 三相校验装置，便携式电能表现场校验仪方面能生产o 3 o 1 级的各类产品，达 到了国际先进水平。 1 2 , 4 电能计量的发展前景 在我国，收费难是各地普遍存在的现象，长期以来是用电管理部门的难题。 为了解决电费拖欠问题，供电管理部门提出预收费的办法，而这种办法的实施， 促使许多科研和生产单位争相研制开发各种具有预付费功能的电能计量仪表。 然而，也有人认为预付费收费方式不可能执行长久，最终可能会被自动抄表 并与银行结帐的收费方式所代替。分析其原因主要有以下几点：其一，电子式预 付费电能表作为新一代电能表，其读卡、通断控制、通断开关等功能单元中关键 部件的使用寿命、抗干扰能力、过负荷能力及长期连续运行能力等性能指标，还 都有待于时间的考验。其二，为采用预付费收费方式，供电部门需要建立一整套 新的售电机械、更新电能表、购置售电设备、广设售电网点，这不仅需要一大笔 设备费用支出，还涉及到新机械的人员培训、人员管理、设备管理及财务监督等 大量问题，其结果对供用电管理部门而言可能是得不偿失。其三，对拖欠电费者 以跳闸停电会给用户和供用电管理部门带来许多意想不到的麻烦。因此，不论是 从增设预付费装置会使电能表价格提高、可靠性降低，还是从它的使用方便性以 及利用它实施预付费方式可能给用户和供电管理部门将带来的不可预见的麻烦等 多方面考虑，预付费并非是理想的收费方式。 专家指出，今后将自动抄表技术应用在电能管理，替代原来要耗费大量人工、 时间的繁琐的管理收费手段，能较好地做到实时收费，而且更重要的是能沿用人 们更易接受的先用电、后付费的管理模式。 近年来，国内供用电管理部门已逐步认识到，用了几十年没变的电价制度， 已严重阻碍了电力企业的发展。造成这种局面的原因很多，其中现在仍大量使用 的功能单一的感应式电能表的局限阻碍了电价制度的改革，是主要原因之一。为 配合电价制度改革的需求，目前国内供用电管理部门已在着手推广应用各种类型 的多功能的电子式电能表。工业用电子式电能表功能多，便于对所用电能信息数 据的采集与处理，运行、维护费用低，性能价格比高，是传统的感应式电能表的 更新换代产品。 在电能管理方面，随着电能管理系统自动化程度的提高，将会对电能计量仪 表提出更高的要求。 微计算机技术被应用于电能表标志着电能计量技术已进入了一个崭新的时 4 第一章绪论 代。采用单片机对反映用电量的脉冲进行处理，能使电能表功能更为强大，性能 更为优异。利用单片机进行采样和数据处理的高准确度多功能电子式电能表，可 以提供计费和电能管理所需的各种数据及计算结果，同时可向计算机管理系统提 供信息，大大提高了电能管理系统的自动化程度。单片机技术的应用促进了电能 计量技术向智能化方向的发展。 1 3 电力系统中的谐波问题 电力系统的谐波问题早在上个世纪2 0 年代就已被人们提出，6 0 年代前后， 一些工业发达国家对此开展了大量的研究。在供用电系统中，人们总是希望交流 电压和电流呈现正弦波形。但是随着现代工业企业非线性负荷的大量增加使电源 波形发生了明显的畸变，诸如，工业中大量使用的变频调速装置，电气化铁道中 采用交流单相整流供电的机车，高压大容量直流输电中的换流站，某些家用电器， 炼钢用的电弧炉，工业中广泛使用的电弧和接触焊设备、矿热炉、硅铁炉、高频 炉等等。t f 弦电压施加在这些非线性负荷上时，电流就变为非正弦。非正弦电流 在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也产生畸变，变为非正弦波。电力网中的 谐波源有的来自电力系统本身的，有的来自用户。来自电力系统本身的谐波源有： 直流输电中的换流站、高磁密的电力变压器和改善功率因数的s v c 组等。来自用 户的大谐波源有：电气化铁路、静止补偿电容( s v c ) 、交直流整流设备、电弧炼 钢炉、地铁等：小谐波源有：调光日光灯、单相电风扇、红外线电器、收音机、 电视机等。 谐波对电力系统是有害的，其危害主要有以下几个方面： 1 大大增加了电力网中发生谐振的可能性，引发串联谐振或并联谐振，造成 过电压或过电流导致事故。 2 增加附加损耗，降低发电、输电及用电设备的效率和设备利用率。 3 使电气设备运行不正常，加速绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命。 4 使设备( 如旋转电机、继电保护、自动装置、测量仪表、电力电子器件、 计算机系统、精密仪器等) 运转不正常或者不能正确操作。 5 使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或计量。 6 干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正确传递，甚至损坏通 信设备。 其实，谐波对电力系统的危害不仅表现在工程上，而且表现在经济上。比如： 谐波造成各种损失使电力成本上升，附加损耗占用部分电器设备容量使电力可变 成本上升，谐波会降低电器设备的使用寿命，增加电力的固定成本，造成电能计 量误差，影响电力公司收入。 华南理工大学工学硕士学何沦文 由于谐波在电力系统中的普遍存在，谐波所造成的危害日趋严重，世界各国 都对谐波问题给予充分的重视。 1 4 谐波对电能计量影响的研究意义及其研究现状 1 4 1 谐波对电能计量影响的研究意义 电力谐波的存在，使得电能计量失准，给国家造成了严重的经济损失。在电 气化铁道，由于受电力机车整流负荷的影响，2 7 5 k v 电网上的谐波电压、电流大 大超过部颁标准规定的允许值，引起了电能计量失准。据资料统计，在陕西省南 部安康地区的铁路，其平均供电负荷为1 0 3 0 0 k w ，5 次谐波总功率的平均值约为 1 6 0 k w ，加上3 次谐波功率，谐波功率的总和( 平均值) 约为1 9 0 k w ，为电气铁 路平均供电负荷的1 8 5 左右，折合年损失电量1 6 3 万度，估计在向铁路供电的 线损中份额大于2 0 。谐波功率约有8 5 消耗在发送、变电设备中，用电设备中 的消耗估计仅为1 5 左右，因此供电部门据此收费的总电能计量小于用户耗用的 电能的总额。再以广东省粤北某电气化铁路牵引站为例，其牵引变压器容量为 3 1 5 m w a ，谐波负荷总和为0 8 8 mw ，基波负荷为1 1 4 8 1 m w ，谐波负荷总和与基 波负荷的比值为0 7 6 8 。按该牵引站年用电9 6 g w h 计算，1 年损失电量7 3 7 m w h ， 按0 5 元，k w h 计算，电费损失达3 6 8 5 万元。因此，谐波对电能计量的影响是不 可忽视的。 如上所述，电网中存在的日益增多的谐波污染大大影响着电力公司和其他用 电单位的成本。按照电力成本合理分摊的电价系统，对吸收谐波电能的客户在电 力价格或用电量上适当给予谐波分量补偿；对向电网注入谐波电量的客户要给予 电力成本合理分担，按谐波分量的比例对其用电价格进行调整或处罚，是非常有 必要的。 随着电力电子技术的发展，电网中的谐波污染越来越严重，电能计量装置能 否准确地、真实地反映非线性用户的用电量还是一个诈在探讨的问题。 1 4 2 谐波对电能计量影响的研究现状 目前谐波对电能计量影响的研究并不深入，虽然有人做过这方面的研究，但 是主要是集中在谐波对电能表的影响，并且通常只是限于仿真实验研究，又常常 忽略了谐波对计量装置中的互感器和二次回路接线的影响。所以对整套计量装置 在谐波存在下的影响进行系统深入分析研究十分必要。 感应式电能表面世早，研究其在非线性负载下电能计量准确度的必要性已得 到广泛的认同。感应式电能表由于结构简单、价格低廉，故得到广泛应用，然而 在目前谐波严重的情况下，难以如实反映真实功率。电网中谐波问题严重时，感 应式电能表将会产生较大误差，因为传统的电能测量是以线性负载为前提的，是 6 第一章绪论 按工作于工频条件，即5 0 h z 标准正弦波设计的。理论上，只有相同频率的电压 和电流才能构成功率。工频电压( 电流) 和谐波电流( 电压) 并不产生功率。但 是由于感应式电能表的铁磁元件的非线性，使得在输入纯正弦波形的工频电压( 或 电流) 时，表的绕组及圆盘中会存在一些谐波，加之电网中也有一定谐波成分， 因此，当电网电压中有高次谐波或者负荷电流中有高次谐波时，必然会影响这些 电能表的正常工作。高次谐波对电能表的影响是不容忽视的。无论是线性、非线 性负载，电能表在含有谐波的线路上不能正确如实记录电能。 当前探讨谐波对感应式电能表性能影响的研究主要在两个方面：( 1 ) 通过实验 来测量感应式电能表在畸变波形下的电能计量误差；( 2 ) 建立电能表在畸变波形 下的数学模型，从理论上分析在畸变波形下电能表误差的频率特性。要找出影响 电能表在谐波下的计量误差一般和共性的因素，理论研究是必须的。所以本文先 从理论分析入手，再通过实验来验证理论分析结果的正确性。 电子式电能表近二十年才逐步得到应用，相关的研究不算很多，且大部分集 中在电路设计和工作原理说明。随着电子技术的发展，大量文献在提高元器件的 性能方面进行了广泛研究，如研究时分割乘法器式交流功率转换器的动态误差分 析，主要包括互感器和分压器的相移动态误差以及积分器因时延造成的非线性动 态误差。然而，对电子式电能表在交流畸变下的系统误差研究则较少。目前有些 文献简单分析了时分割乘法器在不同调制频率下的误差，建立了时分割乘法器的 误差仿真计算模型，实际仍以元件所引起误差作为分析目的。另外一些文献主要 以实验为研究基础，和感应式电能表类似，实验结论不能排除其它因素的干扰， 不足以说明谐波对电能表的影响。本文试图将理论分析与实验相结合，通过更具 有一般性的实验来分析谐波对电子式电能表的影响。 在查阅文献资料的过程中，发现在同样或类似的情况下，不同的文献有不同 的结论。如有的文献论述谐波由电网注入用户时，即谐波功率与基波功率方向相 同，电能表计量误差为正，反之，谐波由用户注入电网时，电能表计量误差为负， 而另一些文献却说计算结果表明谐波功率与基波功率方向相同时电能表计量误差 为负，反之为正。又如有的文献论述当电网电压和电流都发生畸变时，由于电子 式电能表频带较宽，仍可以准确地计量谐波功率，也就是说，电子式电能表对谐 波功率的响应是对基波功率的响应相同的，所以它在谐波存在下的计量误差比感 应式电能表误差大。而另外一些文献却说谐波对感应式电能表的影响远大于对电 子式电能表的影响，用电子式电能表计量更加准确。 为什么对相同的计量情况，会出现如此的矛盾的结论呢? 这是由于采用不同 的电能计量方式所造成的。电能计量方式是指在研究电能计量误差过程中，以什 么作为计量标准，全能量还是基波能量。计量全能量即是计量基波和谐波的总和， 而计量基波能量即仅计量基波。不同的计量标准导致不同的计量误差分析结果。 华南理工人学工学硕士学位论文 虽然到目前为止，电力系统中仍没有确定哪种计量方式正确，但是随着对电 力系统谐波的研究深入，人们已经意识到谐波的危害，在此基础上，可以探讨更 加合理的计量方式。 1 5 本文研究的主要内容 本论文的任务是研究电力谐波对电能计量的影响，围绕这个任务，在前人研 究的基础上，作了更加系统和全面的分析。本文考虑了通常所忽略的因素，从而 得出更准确，详尽的分析结果。不但考虑了电压互感器和电流互感器在谐波存在 下所产生的误差问题，而且首次把电能表到互感器的二次回路所引起电能计量的 误差也考虑进来，以期得到更精确的分析结果。最后通过实验详细地分析谐波对 电能计量的影响问题，目的是引起电力部门的重视。 论文的主要内容包括： 1 首先分析了电能计量的重要性，并且分析研究谐波对电能计量影响的实际 意义和研究现状，提出本论文的研究方向。 2 介绍电能计量装置各个部分的结构及工作原理，并分析其产生误差的原因。 3 介绍谐波的相关概念，包括谐波的定义和性质，以及谐波源，然后从理论 着手分析谐波对电能计量装置各个部分的影响。 4 通过实际的实验来验证谐波对电能计量的影响。 5 研究分析计量标准问题，提出相应的解决方法和对策，并提出一种新的建 议计量方式供同行探讨研究。 第二章电力系统电能计量装置的误筹分析 第二章电力系统电能计量装置的误差分析 供电和用电部门对电能计量准确性都十分重视，而电能计量装置包括电能表、 测量用电压及电流互感器( 以下简称电压、电流互感器) 、二次接线三部分，其误 差亦由这三部分引起的误差组成。 2 1 感应式电能表的工作原理与误差分析 感应式电能表由于具有结构简单、成本低廉、维修方便、使用寿命长等特点， 为大多数普通用户接受，长期以来被广泛使用。这类电能表是按照工频正弦波设 计制造的，只能保证在工频范围很窄的频带内具有最佳的工作性能。当电力系统 中的波形发生畸变，感应式电能表不可避免产生计量误差。 2 1 1 感应式电能表的结构与工作原理 1 感应式电能表基本结构 感应式电能表由测量机构、辅助部件两部分组成。测量机构包括驱动元件、 制动元件、铝转盘、上下轴承、记录器，辅助部件包括接线端子盒、底座和表壳 等构成，其中测量机构是实现测量的核心元件，结构图如2 - 1 所示。 图2 1 感应式电能表的结构简图 f i g 2 1s t r u c t u r a ld i a g r a mo fi n d u c t i o nw a t t h o u rm e t e r 卜电流元件；2 一电压元件；3 一铝制圆盘； 4 一转轴；5 一永久磁铁；6 一蜗轮蜗杼传动机构 ( 1 ) 驱动元件 电流电磁元件、电压电磁元件均由线圈和铁芯构成，线圈又分为电流线圈和 9 华南理工大学工学硕士学位论文 电压线圈，铁芯又分电压铁芯和电流铁芯。 电压元件是用细的绝缘铜线绕成匝数很多的电压线圈，套于具有极小气隙的 铁芯上而成，如图2 2 所示。电压线圈是并接于线路全电压上的，故又叫做并联 线圈，它具有很大的感抗，以致由它所产生的磁通几乎滞后于所加的电压9 0 0 ， 其相量图如图2 3 所示。 图2 2 电压铁芯 f i g 2 - 2v 0 1r a g ei r o l 2 吼， 图2 3 电压元件相量 f i g 2 - 3v e c t o ro fv 0 1 t a g ec o m p o n e n t 电流元件是用粗的绝缘铜线绕成匝数不多的电流线圈，套在u 形电流铁芯上， 如图2 - 4 所示。电流线圈串接在电源与负荷之间，故又叫串联线圈。由于电流线 圈匝数不多，铁芯是u 形不闭合，所以电感量很小，所产生的电流磁通基本上和 流经电流线圈的电流同相，其相量如图2 5 所示。 日e 图2 - 4 电流铁芯 f i g 2 - 4c u r r e n ti r o n 0 第二章电力系统电能计量鼗置的误差分析 图2 5 电流元件相量 f i g 2 5v e c t o ro f c u r r e n tc o m p o n e n t 以上电压、电流的电磁元件的作用是产生移进磁场，和铝转盘相互作用产生 涡流在铝转盘上，根据电动力原理的“左手定则”，使铝转盘在有负荷电流时便随 之连续转动。 ( 2 ) 转动元件 转动元件由铝质转盘和竖转轴用合金压铸在一起组成，转盘材料要求导电性 能良好，质量轻，耐腐蚀，铝最符合要求。轴承上端有上轴承，通常上轴承由衬 套和上轴针组成，对转盘起定心导向作用，下端由下轴承支撑，下轴承的形成有 单宝石轴承、双宝石轴承支撑以及磁推轴承等，转轴上部套有蜗杆与记录器齿轮 啮合，以便将转盘转数传给记录器，并通过齿轮比换算为电能单位千瓦时显示在 记录器上。 ( 3 ) 制动元件 制动元件就是一个永久磁铁，它就是用硬磁材料制成，作用于运动着的铝转 盘，使之产生制动力矩。永久磁铁的磁通和转动铝转盘的互相作用摆动割切磁通 产生涡流，涡流与磁场起作用，并且产生与运动方向相反的反作用力矩，这就是 制动元件的制动作用。如图2 6 所示。 图2 - 6 转盘与制动元件 f i g 2 - 6r o t a t i o np l a t ea n db r a k ec o m p o n e n t 华南理上大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 记录器 记录器的第一个齿轮与铝转盘竖轴上的蜗杆啮合，铝转盘每转过一转便将铝 转盘的转数传送给记录器，记录器便随着铝转盘不断转动累计了一段时间内铝转 盘所转过的全部转数，并通过齿轮比换算为电能单位千瓦时显示在记录器上。 2 感应式电能表工作原理 交流感应式电能表有单相和三相两种，为了方便解释和分解各部分元件的功 能，我们以单相电能表的工作原理进行叙述。驱动元件和转动元件是交流感应式 电能表基本结构中的两个主要组成部分。单相交流感应式电能表的工作原理就是 转动原理。交流单相电能表接在交流电路中，当电压线圈两端加以线路电压，电 流线圈串接在电源与负荷之间流过负荷电流时，电压元件和电流元件就产生在空 间上不同位置、相角上不同相位的电压和电流工作磁通。它们分别穿过转盘，在 转盘中产生感应涡流( 电流) ，而电压工作磁通与由电流工作磁通产生的感应涡流 ( 电流) 相互作用，又在转盘中就形成以转盘转轴为中心的转动力矩，使转盘转 动。 ( 1 ) 电压和电流的工作磁通关系 交流单相电能表分离式铁芯构造的磁通路径，如图2 7 所示。电压元件位于 转盘的上面，电压线圈是并联在电源两端电压为u ，产生电压线圈的电流”，该 电流厶，产生的主磁通办，从电压铁芯中柱经回磁板穿过转旃，盘回到铁芯中柱，叫做 电压工作主磁通。电流元件位于转盘下面，电流线圈串联在交流电路电源和负荷 之间，负荷电流i 产生的电流工作磁通办和一，穿过转盘。由此可以知，穿过电 能表的转盘的工作磁通有磊，、办和一识三组，这三组磁通为电能表产生转矩提供 了在空间上不同位置和时间上的相位差，使转盘持续转动。 图2 7 电压、电流工作磁通路径 f i g 2 - 7w o r m n gp a t ho fv o lt a g ea n dc u r r e n tf l f i x ( 2 ) 电能表的电压、电流工作磁通和转盘中感应涡流的相位关系 第二章电力系统电能计量装置的误差分析 单相电能表接上线路电压u 和串接电阻性的负载电流，故电压u 和电流j 是同相位，其相角妒= 09 。电压线圈匝数多而导线线径细，导线本身的电阻忽略 不计时，可视为纯电感的元件，这样流过电压线圈的电流，。就滞后线路电压u 为 9 03 角，当忽略不计电压铁芯及转盘的损耗时，电流毛与其产生的磁通中。是同相 位，均滞后线路电压【，9 0 。角。电流线圈的匝数少而导线线径粗，且铁芯气隙也大， 如果不计电流铁芯和转盘损耗，电流i 和电流磁通巾，接近同相位，而和一巾，相差 1 8 0 。角，电压、电流工作磁通共三组在相位上相差9 0 。角。由电工学电磁感应电势 的定律可知，电压、电流三组工作磁通，当它们穿过转盘时，转盘中就产生感应 电势e ，和涡流i ，相位是同相和巾，相差9 0 。角，而e 。和i 。滞后电压磁通巾。为9 0 。 角。从相量图可知，巾，、一巾，、o 。三组工作磁通穿过转盘组成两部分转动力矩。 ( 3 ) 单相电能表转矩计算公式 由电压线圈产生的磁通巾。，与电流线圈的磁通感应转盘产生涡流i ，的铰链作 用而产生转矩m ，按c o s 口o = s i n ( 9 0 。一口) ，则 m 1 = k l 巾ic o s f o ( 2 1 ) 由电流线圈产生的磁通中，与电压线圈的磁通感应转盘产生涡流0 的铰链作 用而产生转矩m ，即 m 2 = k 2 中，0c o s o ( 2 - 2 ) 总的转动力矩计算，和屯两种涡流都与磁通巾。，中，大小及频率f 成正比， 即 i lo c i f i 固【f f 总的转动力矩 m 3 = m l + m 2 ( 2 - 3 ) = k p u fc o s t a + k p f i uc o s f o = k 3 中u 中f c o s f o + k 4 中，中u f c o s6 p = k q b 中f c o s o 因频率f = 5 0 l z ，巾u 。c u ，o ，o c i ，则 华南理工大学工学硕士学位论文 m = k u i c o s o = k p ( 2 - 4 ) 负荷电功率p = u c o s p ( 2 5 ) 从而有转动力矩和负荷电功率成正比。 2 1 2 感应式电能表的误差分析 由电能表的工作原理可知，在任何负载条件下，只有与负载功率成正比的驱 动力矩和制动力矩作用在转盘上，电能表才能正确计量电能。但是，实际上除了 这两个基本力矩外，还有抑制力矩、摩擦力矩和补偿力矩等附加力矩的作用，这 样，便破坏了转盘的转速和负载功率成正比的关系，引起了电能表的误差。电能 表在规定的电压、频率和温度的条件下，测得的相对误差值为基本误差。电能表 在运行中，由于电压、频率和温度等外界条件变化所产生的误差为附加误差。下 面简述这两类误差的特性。 1 基本误差 ( 1 ) 抑制力矩的影响 转盘在驱动力矩的作用下连续转动时，除了切割制动磁通而形成的制动力矩 外，还切割交流电流、电压工作磁通，在转盘中产生感应电流，与交变的磁通互 相作用，会形成阻碍转盘转动的力矩。我们把这类力矩称为抑制力矩。抑制力矩 阻碍转盘的转动，使电能表出现负误差。 ( 2 ) 摩擦力矩的影响 电能表的转动元件在驱动力矩作用下，依靠上、下轴承的支撑转动，并通过 齿轮传动机构带动计度器记录所测得的电能值。因此，当转动元件旋转时，转轴 与转轴之间、计度器的传动齿轮之间，必然产生一个与驱动力矩方向相反的力矩， 这就是摩擦力矩。摩擦力矩总是阻碍转盘的转动，使电能表出现负误差。随着驱 动力矩的增大，由摩擦力矩引起的误差比例将减少。反之，当电能表在轻载下运 行时，摩擦力矩的相对影响较大。 ( 3 ) 电流铁芯磁化曲线的非线性影响 由于铁芯材料的磁阻随着磁通密度而变化，电流变化引起磁通的变化，磁阻 也随之变化，使得电流工作磁通不随负载电流成正比变化，即电流铁芯磁化曲线 是非线性的。轻载时，即负载电流小于标定电流时，实际获得的电流工作磁通比 理想的计算值要小，使得电能表实际的驱动力矩计算值小，电能表的转速降低， 出现负误差；当负载电流增大时，实际获得的电流工作磁通比理想的计算值要大， 使得电能表实际的驱动力矩比计算值大，电能表的转速增大，出现正误差：当负 载继续增大时，实际获得的电流工作磁通又比理想的计算值要小，使得电能表实 际的驱动力矩比计算值小，电能表的转速降低，出现负误差。 ( 4 ) 补偿力矩 4 第二章电力系统电能计量装置的误差分析 电能表在轻载运行时，除了由电流抑制力矩、摩擦力矩引起的负误差外，还 有电流铁芯磁化曲线的非线性影响所引起的负误差。若不设法补偿，电能表就不 能准确的工作。因此，在电能表的结构中设置轻载调整装置，使其产生和驱动力 矩方向相同的附加力矩，以补偿上述因素引起的负误差，该附加力矩称为补偿力 矩。 综上所述，电流抑制力矩、摩擦力矩、电流铁芯磁化曲线的非线性影响以及 补偿力矩，是使电能表产生基本误差的主要原因，此外，转盘位置的倾斜、驱动 元件安装是否准确等因素，也影响电能表的基本误差。 2 附加误差 实际上，电能表所在的外界条件与规定的工作条件是不同的，例如电压、温 度、频率可能偏离规定值，安装时相序、垂直度不符合规定等。外界条件改变后 电能表产生的误差称为电能表的附加误差。 ( 1 ) 电压影响 当加于电压线圈两端的电压发生变化时，将引起电压铁芯中磁通的变化，而 在磁通路径上，涡流损耗和磁滞损耗也有变化，致使电压磁通的大小以及工作磁 通之间的相位关系发生变化，因而引起驱动力矩、电压抑制力矩、补偿力矩等的 变化，结果使电能表产生了电压附加误差，简称电压误差。 ( 2 ) 温度影响 环境温度改变后，制动磁通会发生变化，电流、电压工作磁通的大小及其相 互间的相位角都要改变，从而引起误差，称之为温度误差。当温度升高时，制动 磁通减小，制动力矩随之减小，使电能表的转速加快，即产生了正的温度误差， 反之，温度降低时，产生负的温度误差。温度升高时，电能表转盘的电阻增大， 电流工作磁通路径上的有功损耗减小，因而导致电流工作磁通与负载电流之间的 相位角减