基波电能表介绍、基波电能表的原理、谐波对计量的影响

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基波电能表介绍、基波电能表的原理、谐波对计量的影响

随着电力系统中非线负荷的不断增加，以及电力电子技术的快速发展，向电网注入大量诸波、间诸波和超高次谐波成分，导致电网电能质量严重恶化。准确检测出谐波、间谐波和超高次谐波分量是对其治理的前提，对维护电力系统的安全稳定运行具有重要意义。

在理想状态运行时，电力系统的电压、电流波形均为标准的正弦波，其频率恒定不变。但随着非线性及波动负荷的增多，产生了由不同频率的正弦分量叠加而成的畸变波形。

国际公认的谐波定义为;谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。电网中不仅存在频率为基频整数倍的谐波，在电网频率的电压和电流的谐波之间还存在一类频率非基频整数倍的正弦分量，即所谓的间谐波。次谐波在目前没有官方的定义，一般认为是频率低于基频的间谐波的特例。

一、谐波与谐波电能计量

谐波：一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。

谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为100Hz，3次谐波则是150Hz。

一般来讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。

间谐波：在一定的供电条件下，有些用电负荷会出现非工业频率整数倍的周期性电流波动。为了延续谐波概念，又不失其一般性，根据该电流周期分解出的傅立叶级数得出的不是基波整数倍频率的分量，称为分数谐波（fraction-harmonics），或称为间谐波（inter-harmonics）。

次谐波：频率低于工频的间谐波又称为次谐波（sub-harmonics）。

谐波与暂态现象：暂态过程的实测波形是一个带有明显高频分量的畸变波形。尽管暂态过程含有高频分量，暂态和谐波却是两个完全不同的现象，它们的分析方法也是不同的。

在许多电能质量问题中，常 把暂态现象误认为是波形畸变。

电力系统仅在受到突然扰动之后，其暂态波形才呈现出高频特性，但这些高频分量并不是谐波，与系统的基波频率无关。

谐波按其定义是在稳态情况下出现的，并且其频率是基波频率的整数倍。

产生谐波的畸变波形是连续的，或至少持续几秒钟，而暂态现象通常在几个周期后就消失了。

暂态常伴随着系统的变化，例如投切电容器组等，而谐波则与负荷的连续运行有关。

某些情况下也存在两者难以区分的情形，例如变压器投入时的情形，这种投入引起的暂态现象，波形畸变可持续数秒，并可能引起系统振荡。

短时间谐波：对于短时间的冲击电流，例如变压器空载合闸的励磁涌流，按周期函数分解将包含短时间的谐波和间谐波电流，称为短时间的谐波电流或快速变化谐波电流，应将其与电力系统稳态和准稳态谐波区分开来。

陷波：换流装置在换相时，会导致电压波形出现陷波或称换相缺口。这种畸变虽然也是周期性的，但不属于谐波范畴。

二、电力系统主要谐波源及谐波的危害

1.谐波来源

电力系统中具有非线性特征的设备和负载是主要的谐波源。其主要有以下几类

（1）铁磁饱和型：如变压器、电抗器等铁磁饱和特性呈现非线性的各种铁心设备。

（2）电子开关型：各种交直流换流装置（如整流器，逆变器等）、双向晶闸可控开关、整流阀、逆变阀等设备在化工、冶金、电气铁道以及家用电器中的广泛使用，其开关切合和换向特性具有非线性。

（3）电弧型：各种炼钢电弧炉在高温熔化期间，交流电弧焊机在高温焊接期间，电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，将导致电流不规则地波动。这种非线性导致电弧电压与电弧电流之间产生不规则的随机变化。

此外，电冰箱、变频空调、电脑等家用电器也会产生奇次谐波。

2.谐波的危害

电网谐波容易造成电压电流波形畸变，使得网电能质量恶化。其危害主要包括以下几个方面：

（1）附加损耗增加。增大了交流电机、变压器、输配电线路以及用电设备的额外损耗，而且使得电气设备发热严重，效率和利用率降低。

（2）降低测量设备的准确度。常规电力测量仪表都是基于工频进行参考和设计的，对谐波信号较为敏感，很容易受其影响而产生计量误差。当谐波含量较高时，电能表的测量准确性大大降低，甚至会出现用户电能计量混乱。

（3）影响保护和控制装置的可靠性。谐波会干扰继电保护和自动控制装置的正常工作，使其在正常状态下误动作或在紧急状态下拒动作，造成不必要的供电中断和安全事故，无法保证电力系统的安全可靠运行。

（4）产生谐波谐振。在工频时系统容抗远大于感抗，谐振一般不会发生。但是在谐波作用下，感抗增加而容抗减小，最终当二者相等时就会产生串联或并联谐振现象。将引起极大的过电流和过电压，从而导致电气设备绝缘故障或损坏，甚至还会引发严重的电力事故。

（5）无法保证电气设备的正常工作。谐波使得变压器、电缆等设备发热严重，同时使得某些对申能质量要求较高的精密设备工作异常。从而致使它们寿命缩短甚至直接损坏。

（6）谐波造成电气测量仪表计量不准确。

3.间谐波危害

间谐波不但有上述类似谐波的危害，还会对电力系统产生其特有影响，其主要表现如下：

（1）引起电压波动和闪变。当有间谐波存在时，信号波形包络线会以间谐波与基波或谐波的差值频率波动。当间谐波频率与基波或谐波频率相近时，则会引发闪变。实验表明当上述差值在 8Hz附近时，人眼对此时的灯光闪变比较敏感，视觉系统会受到严重干扰。

（2）影响电气设备的正常工作。间谐波与谐波和基波不能保持同步变化，将导致波形幅值变化及过零点偏移。从而使得过零工作的数字继电器等保护设备产生误差甚至误动作，降低电网的安全性。还会影响依赖检测过零点工作的计量仪器对传统谐波测量的准确度。

此外，间谐波还会引起无源滤波器过载、线路损耗增加、电视机和计算机图像畸变、电动机震动并产生噪音等，严重影响电力系统的安全经济运行。

三、谐波对计量的影响

为了便于说明谐波对电能计量的影响，在下图简化电网中给出了有功功率潮流的分布情况，包括基波功率源（发电机）、非谐波源用户以及谐波源用户的基波功率和谐波功率。

发电机发出的基波功率P1G被其两个用户（非谐波源用户和谐波源用户）分别消耗掉基波功率P1M和 P1R，谐波源（谐波源用户）送出的谐波功率 PhR同时送给发电机和非谐波源用户，它们分别消耗的谐波功率为PhG和PhM。

如果在非谐波源用户以及谐波源用户侧安装电表进行计量，则非谐波源用户侧实际指示的消耗电功率为P1M＋PhM，而谐波源用户侧实际指示的消耗电功率为P1R - PhR这就导致正常使用电能的非谐波源用户不但由于吸收由谐波源用户产生的、对自身运行毫无用处、甚至有危害的谐波功率，还得为这一部分电能支付一定的费用;相反的，谐波源用户不但将吸收的一部分基波电能转化为谱波电能污染了电网，而且还因此少支付这一部分的费用；同时，当发电机消耗较多谐波功率时，不仅会降低电力系统经济效益，还影响电网的安全运行，这样显然是不合理的。

基波表就是针对这种情况而研制的，它能滤掉谐波电量，只计量基波电能，从而消除谐波对电能表计量的影响，公平、公正地解决了谐波严重影响电能计量的问题。

四、三相基波表（硬件方式）基本原理

实现滤波功能的手段可以有硬件和软件实现两种方式。软件实现方式由专门的滤波算法来完成，一般采用傅氏算法剔除谐波而保留基波。软件实现方式的硬件同普通表一样，只是完全由软件实现滤波功能，并且能够计算出各次谐波的含有率、总谐波畸变率。但软件实现需要功能强大的 DSP以及较为完善的算法来进行相应的处理。由硬件实现则是通过硬件低通滤波器，合理地选择转折频率，可以直接滤除二、三次以上谐波而保留基波，在现场应用中可以得到较为理想的滤波特性，但是它难以实现显示各次谐波的含有率、总谐波畸变率。

下面对由硬件低通滤波器实现的三相基波表原理作较为详细的说明（以三相四线式表为例，三相三线式表类同，不另作说明）。

三相四线式基波表原理框图

从图可看出，基波表与普通表相比，只增加了虚线框内的电路，即增加了低通滤波器电路。在具体实施时，原电能表内电源板上电压通道的电阻分压电路参数以及电流放大通道的放大倍数需作相应调整。在此可以很清楚地看到，在原有电能表硬件、软件几乎没有改动的基础上，增加一块附加的低通滤波器、线性放大的小电路板即可完成基波表的计量功能。