电铁谐波对计量影响的分析

电铁谐波对计量影响的分析电铁谐波对计量影响的分析 1 1 引言引言 电气化铁路由于具有运输能力大 能源消耗少 运营成本低 行驶速度快 环境维护和工作条件好等优势 今年来得到了快速的发展 我国的电气化铁路采用的是 25kv 单相工频供电 电铁牵引负荷具有非线性 冲击性和波动性的特点 对电力系统造成谐波和负序污染 由于电铁谐波 的影响 造成了供电电压波形和电流波形的畸变 而电压电流波形畸变大 小又直接对电能计量误差产生不同的影响 而电能计量准确与否以及计量 是否合理直接影响到三者的经济利益及交易的公平性 因此 研究分析电 铁谐波对电能计量的影响显得尤为重要 2 2 电铁牵引供电的特点电铁牵引供电的特点 从铁路牵引用电情况看 牵引变电所不但是三相不对称负荷 更是一个谐波源和负序电流源 是波动性 冲击性负荷 电力机车产生的 谐波电流也经过接触网汇总到牵引变电所再注入电网 铁路电气牵引用电 负荷具有以下特点 1 单相工频负荷 牵引接触网接于牵引变电所低压侧两相间 机车 直接从电网吸取工频功率 在用电结构上属于单相负荷 三相不对称 产 生负序电流注入电网 引起负序电压 2 单相冲击负荷 随着列车重量 加速度 运行速度 线路坡度 上下坡 线路曲率半径 牵引制动等变化 负荷发生波动和急剧变化 产生瞬时或短时冲击 3 单相整流负荷 对于直流机车来说 电力通过机车变压器和机车 整流设备整流后供给机车多台直流电动机 由于整流 在向电网吸取基波 电流的同时还向电网注入大量的谐波电流 并产生谐波电压 同时 由于 在整流中消耗较多的无功功率 再加上机车变压器和接触网消耗 牵引负 荷中无功电流大 功率因数较低 3 3 电能表分类电能表分类 电能表按照工作原理可分为感应式和电子式两种 感应式电能 表具有结构简单 操作安全 维修方便 造价低廉 耐用等优点 电子式 电能表与感应式电能表相比 除了具有测量精度高 性能稳定 功耗低 体积小 重量轻等优点外 还易于实现多功能计量 可现场校验和检索多 种计测数据 便于数据采集和处理及集中监控 表 1 感应式电能表与电子式电能表性能比较 比较项目感应式电能表电子式电能表 准确度等级 0 5 3 00 01 2 0 频率范围 45Hz 55Hz40Hz 1000Hz 启动电流 0 003Ib 0 00011Ib 过载能力4 倍5 10 倍 功率消耗大小 外磁场影响较大小 4 4 谐波对电能计量准确性的影响谐波对电能计量准确性的影响 1 谐波对感应式电能表计量的影响 电能表的频率特性是研究波形畸变对电能表计量影响的重要依据 电能表频响曲线平坦与否 对它在谐波功率下计数误差影响很大 因此 研究感应式电能表在谐波下的运行情况 首先应考虑其频响特性 感应式电能表接入电路 当频率发生变化时就产生附加误差 这主要有以下几个方面的原因 转盘并非是一个纯电阻 其中有感抗分 量 当频率升高时 转盘的等效阻抗及其阻抗角随频率的升高而增大 使 电能表的转速变慢 电流线圈磁通量随着频率的增加而减小 磁通的减 小 导致驱动力矩减小 试电能表转速减慢 产生负误差 电压线圈磁 通量随着频率的增加而减小 使驱动力矩较小 电能表误差向负方向变化 负荷补偿力矩与频率成反比 频率升高时 补偿力矩减小 使电能表产 生误差 并且这种影响的大小随着负荷大小而变化 负荷电流愈小影响愈 大 虽然由于电流和电压工作磁通的减小也将带来制动力矩的减小 使电 能表的误差向正的方向变化 但当频率偏离工频较远时 上述因素将占主 导地位 因此总的看起来当频率增高时 电能表将产生负误差 当存在谐波功率是 电能表反映的电能值 E 可以表示为 E C1E1 ChEh 式中 E1 Eh分别为基波和 h 次谐波电能值 其符号可正可负 由实 际谐波潮流方向决定 C1 Ch 电能表所反映的与基波和 h 次谐波电能成比例的系数 对于感应式电能表 在通常情况下 C1仍然逼近理想值 1 当 THDi在 50 以下时 C1在 10 05 范围内 C1稍微偏离 1 的原因有以下两点 即便输入电能表的电压或电流存在谐波分量时 作用于转盘的转 矩仍有谐波分量 使电能表反映出谐波功率 这种谐波功率有随机性 有 时是正值有时是负值 长时期的累计电能误差较小 谐波的存在及其发 热效应 会或多或少地影响电能表内某些元件的磁 电和机械性能 但在 实际遇到的输入电压和电流的畸变情况下 这种影响也很小 根据实验 Ch偏离 1 的幅度主要取决于谐波功率产生的转盘转 矩小于等值基波工频功率产生的转盘转矩 h 值越大 转矩越小 Ch也越 小 当输入电压和电流的 THD 值都为 20 时 C C5 5 0 4 C 0 4 C7 7 0 28 0 28 根据以上的分析可以看出 从电能计量准确性这个角度来考虑 当电压或电流波形中含有谐波 或系统中存在谐波功率时 感应式电能表 计量存在较大的误差 不能够准确反映流入电能表的总能量 2 谐波对电子式电能表的影响 同感应式电能表的运行条件相似 从理论上讲 电子式电能表 对不同的被测信号的波形响应也不同 相应产生的误差也有差别 当电压 电流两信号波形都偏离正弦有畸变时 对基于数字乘法器构成和基于时分 割乘法器构成的具有计量谐波功率功能的电子式电能表的测量误差在其精 度的范围内 也就是说 在谐波的情况下 对于电子式电能表来讲式 1 中的 C Ch h 1 1 应当指出 在测量电能量时 电网电压 电流要经测量用互感 器转换成弱信号后才送入电能表 因此测量用互感器存在非线性 当畸变 信号经过互感器时 互感器对各次谐波成分的转换比例就不一致 从而使 被测信号发生变形 在这种情况下 测量误差会很大 研究发现 在波形 畸变情况下 互感器的波形变换误差随谐波次数的增加而非线性的增大 偶此谐波的波形变换误差比奇次谐波更大 0 5 级或精度更好的电磁式电 流 或电压 互感器 对于 2kHz 以下的电流或 1kHz 以下的电压 具有较 好的频率特性 比值差和角差都能基本满足要求 对于其它类型的电压互感器如电阻分压器 则只适用于电压小 于 1KV 的谐波测量 纯电容分压器的误差主要由对地的杂散电容引起 与 频率无关 因此可对谐波精确测量 即波形不失真 但是对于电容式电压 互感器 CVT 由于其电磁式电压互感器的等值电感 L 成非线性 ZL 大 小随运行电压和频率变化 因此 CVT 的变比在不同的频率下差别很大 此 外 在一定的频率下 还有可能产生谐振 故 CVT 不能用于谐波测量 5 5 基波电能与全波电能实际运行数据比对分析基波电能与全波电能实际运行数据比对分析 本研究选取了三座牵引站作为基波电能与全波电能比对的测试 点 安装 3 块基波电能表 经运行一段时间后比较基波电能与全波电能的 电量 所安装的基波电能表具备基波电能和全波电能累计功能 研究实 际运行工况下基波电量与全波电量的差别 并与理论分析结果相互验证 安装基波电能表分别考虑客运 货运 不同线路以及便于安装 等实际情况 选取京广线柳辛庄牵引变电站 溯黄线沧州西牵引站及京广 线沧州变电站 目前已运行约 4 各月的时间 现场基波电能表采集的数据 未乘实际倍数 见下表 2 表 2 基波电能与全波电能对比 安装 地点 表计 型号 运行时间基波电量 kw h 全波电量 kw h 电量差值 kw h 电量相 对误差 京广 线柳 辛庄 红相 基波 表 22 05 28 09380 00372 617 391 945 溯黄 线沧 州西 科陆 B3 08 05 23 09541 22540 350 870 1607 京沪 线沧 州 科陆 B3 约 4 个月 1 521 390 138 553 全波电量与基波电量数据分析 现场运行的 3 块基波电能表 累计的基波电量比同时累计的全波电能多 与谐波源用户情况的理论分析 一致 不同类型基波电能表由于其具体的计量原理或算法存在差异 同 时不同牵引站多带牵引负荷不同 致使电量相对误差不同 但从累计的数 据可以肯定 谐波源用户从电网吸收的基波电能要大于其计量的全波电能 即此类用户一方面污染了电网 又少计了电量 京沪线沧州牵引站由于 运行回路变换致使基波电能表运行时间较短 累计的电量也较小 其电量 相对误差较大 但其趋势可供参考 6 6 结论及建议结论及建议 1 谐波对感应式电能表的影响 总的看起来当频率增高时 电能表将 产生负误差 由于感应式电能表工作原理所限 当负荷存在高次谐波 时 感应式电能表不能准确计量其全波电能 建议在此种情况下优先 选用电子式电能表 以便准确计量全波电能 2 谐波对电子式电能表计量影响 电子式电能表对不同的被测信号的 波形响应不同 相应产生的误差也有差别 根据正弦函数的正交性 当构成功率的电压 电流两型号中有一个产生畸变时 随畸变程度的 不同 电子式电能表出线测量误