浅谈用户谐波对电能计量的影响和抑制
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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。
Abstract: Grid harmonic (nonlinear) superposition of high harmonics, sinusoidal current pollution the important hazard source of power quality. To this end, the timely detection of harmonic sources, harmonic elimination device and reasonable energy metering equipment and the way correctly fitted sheet electrical connection, the harmonics generated by the harmonic source effectively isolate the grid protection grid security and accurate energy the measurement of the effective measures. How to achieve local governance and the grid isolation, timely to monitor user harmonic source, reduce harmonic measurement is an important work.Keywords: User harmonic source; energy metering; impact and suppression
中图分类号：U223.6+3文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
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。