油田电网中谐波对电能计量误差影响的分析
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【摘要】本文从理论上简要分析了高次谐波对感应式电能表、电子式电能表误差的影响，在华北油田电网上选择了一部分具有非线性阻抗特性的计量点进行了现场测试，并选择油田电网中现使用的各种类型的电能表，通过计量检定室模拟三组谐波方案，进行电能表的误差检定。本文对非线性负荷背景下，供电企业如何选用合适的电能计量方案具有一定的借鉴作用。
【关键词】油田电网 谐波 电能计量误差 计量方案
1.1 高次谐波对感应式电能表的影响
频率与额定频率不同时，会引起电流、电压工作磁通幅值以及它们之间的相位角的改变，使驱动力矩、制动力矩、补偿力矩以及铁芯损耗的大小发生相对变化，从而引起感应式电能表计数误差的变化。感应式电能表频响曲线的平坦与否，对它在谐波功率下的计数影响很大。图1所示为典型的电能表误差频响曲线。从图1看出，电能表的计数随频率的增加而急剧减少。频响曲线下降的主要原因是电能表的转盘涡流路径的等效转盘阻抗及其阻抗角随频率的增高而增大所致。
1.2 高次谐波对电子式电能表的影响
就电子式电能表的原理而言，有热电乘法器式，时分割乘法器式两大类。热电乘法器式构成的电子式电能表，理论上频响特性十分优良。而采用时分割乘法器构成的电子式电能表理论上频带的宽窄受分割频率的影响，时分割频率高，频带就宽，时分割频率低，频带就窄。但实际上，我们目前引进和国产的各类电子式电能表的频带都不很宽，绝大部分仅适于1kHz内的电能测量。其频带不可能足够宽的主要原因是输入器件对不同频率的信号产生的相移不同，致使在50Hz时的相位补偿不能补偿其它频率的相位移，导致了计量误差随频率不同而变化。
从频响特性的意义上分析，我们可以把电子式电能表分为A、B两类：A类，能反映宽频范围内电能；B类，仅能反映基波电能和二次谐波电能。两类电能表的频响特性见图2。
2 现场测试与计量室检定
20010年12月份，我们使用日本日置公司生产的3166电力品质测试仪和9556谐波分析软件，对任8306（二机厂）、任1610、河 2615、苏2606、苏2607、霸1615等计量点进行现场测试，这些线路的主要负荷是具有非线性阻抗特性的电气设备----中频炉。3166测试、显示的最大谐波次数到40次，我们只记录1～20次。
现场测试工作结束后，选择油田电网中现使用的各种类型的电能表送到计量检定室进行谐波下的误差检定，检定装置是河南思达高科技股份有限公司生产的ST-9001D5型三相电能表检定台，该检定装置的工作可由PC控制系统控制，具有谐波误差测试功能。16只样表根据三相三线与三相四线的区别分成两组，每一组模拟三个谐波方案进行误差检定，A组三个方案的编号分别为A001、A002和A003，B组三个方案的编号分别为B001、B002和B003，A组与B组中对应方案的区别在于所选择的电压值不同，而电压总谐波畸变率THDu基本一致，模拟谐波方案通过3166电力品质测试仪记录。
从检定结果看，随着谐波含量的增加，大部分样表的误差增大，在谐波方案三下，大部分感应式电能表负超差，当然，如果谐波源是负荷端，应该是正超差。大多数电子式电能表的误差基本稳定。
3 研究与试验结果总结
（1）当电网存在高次谐波时，对电能计量的准确性有影响，谐波含量愈高电能计量误差愈大。目前广泛使用的电子式电能表和感应式电能表都不能准确计量出谐波的电能，并且随谐波次数的增加，准确度都会相应地下降。但从原理上全电子式电能表可以记录负载消耗的基波和谐波总平均功率，因此电子式电能表误差变化较小。
流为正弦波，电压畸变时，感应式电能表产生负误差。电压畸变率在30%以内时，计量误差在准确度范围内。而在谐波功率下，对三次谐波功率少计量5%～30%、五次谐波功率少80%～95%，基本上不反映五次以上的谐波功率。重要的理论是谐波的功率潮流对计量的影响，当用户为线性用户时，基波和谐波潮流一致，感应式电能表少计量了用户消耗的电能，但计量的电能仍大于基波电能；当用户为非线性用户时，用户自身向电网输送谐波分量，谐波潮流与基波潮流相反，感应式电能表计量的值大于用户消耗的电能，而小于用户所消耗的基波电能。
（3）对电子式电能表，可分为能反映宽频范围内电能的A类表和仅能反映基波电能和二次谐波电能的B类表。目前国产的电子式电能表大多采用时分割乘法器原理的A类表，A类表在计量1kHz内的谐波功率时误差变化不大。
（4）在电网中，无论谐波流向如何，负载本身不产生电能量。当谐波从负载流向电网时，实际上是负载将电网中的基波经过滤波和整流后形成的谐波电流反送回电网，这是一种电能污染。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。
（5）在谐波超过国标规定时，对同一计量点，采用相同准确级别的全电子式电能表和电磁感应式电能表计量电能量是有较大差别的；当谐波源是电网时，前者数值较大；当谐波源是用户时，则情况相反，均属正常现象。
（6）对大功率变流设备、电弧炉，电铁牵引等产生高次谐波的电力负载，为了只记录负荷消耗的基波有功电能，用电磁感应式电能表比用同准确级别的全电子式电能表更合理。
（7）最合理的方法是将基波功率与谐波功率分别计量，并区别出谐波潮流，对向电网注入谐波的用户采用谐波电能表具有惩罚性的计费方式，强制用户采取措施减少向电网注入的谐波量，以保证电网的可靠运行，保护线性用户的利益。
4 计量方案选择
经实际调查核实，华北油田电网中产生谐波源的站所有10多座，从监测谐波的含量和类型来看，造成影响的低谷时段大负荷多为三相桥式整流装置所产生的特征谐波，即六脉动特征谐波，在其交流侧产生的高次谐波为5、7、11、13、17…次谐波，谐波电流中5次和7次的含量分别占到20%和14%。平均电压总谐波畸变率达到5.8%。
针对上述情况和我们的研究结论，对供电企业的电费计量点，应采取以下对策：
方案一：从供电效益最大化的角度考虑，在遵守《电力法》、《供电营业规则》、满足电能计量现行相关标准、规程的前提下，应采用以下计量方案：对非线性负载即产生谐波源的用户应采用能单独计量基波电能的计量仪表，以提供给用户的基波电能为收费依据；对线性负载的用户，宜采用频响特性最优良的、能计量各次谐波的全电子式电能表，以用户消耗的总电能为收费依据。
方案二：从计量与用电管理最科学的角度出发，应采用以下计量方案：无论是非线性负载用户还是线性负载用户，都应采用能单独计量基波电能的计量仪表，以提供给非线性用户的基波电能和线性用户消耗的基波电能作为收费依据。
作者简介
吕伟元（1972-）男，山东昌邑，大本，河北任丘华北油田公司水电厂，助理工程师，河北任丘华北油田公司水电厂工程所。