牽引機(jī)車(chē)引起諧波對(duì)電能計(jì)量的影響

本文格式為Word版，下載可任意編輯——牽引機(jī)車(chē)引起諧波對(duì)電能計(jì)量的影響報(bào)告》，注入高樓站110kV公共點(diǎn)的諧波允許值為3次6.25A、5次6.76A、7次5.41A、9次3.18A、11次4.03A；110kV電壓總畸變率允許值為2%，其中注入110kV線路的5次諧波電流為8.02A，7次為6.12A，超過(guò)允許值的1.1倍。

4牽引機(jī)車(chē)引起的諧波對(duì)計(jì)量的影響

4.1對(duì)計(jì)量方式的影響

電網(wǎng)中基波功率由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，而負(fù)荷又分為線性負(fù)荷與非線性負(fù)荷。非線性負(fù)荷吸收電網(wǎng)的基波功率，并將基波功率的一部分轉(zhuǎn)化為諧波功率反送回電網(wǎng)；線性負(fù)荷不僅吸收電網(wǎng)的基波功率，也吸收諧波功率。為了便于研究諧波對(duì)電能計(jì)量的影響，簡(jiǎn)化電網(wǎng)中的有功功率潮流，如圖2所示。

基波功率源是發(fā)電機(jī)G，它的末端用戶為線性電力用戶WhM和非線性電力用戶WhR，發(fā)電機(jī)發(fā)出功率P1G，被末端兩用戶各吸收功率P1M和P1R，諧波功率源為非線性用戶，它也有兩個(gè)末端用戶即：發(fā)電機(jī)和線性電力用戶，諧波源送出功率PhR，末端各吸收功率PhG和PhM，在線性用戶和非線性用戶各安裝電能表，從有功潮流分布看，通過(guò)兩個(gè)用戶的功率為：

WhM：P1M+PhM1-1

WhR：P1R-PhR1-2

暫時(shí)不考慮諧波對(duì)電能表誤差的影響，從上式可以看出，由于諧波電流源使線性用戶多計(jì)了電量，其值為∫（P1M+PhM）dt，非線性用戶少計(jì)了電量，其值為∫（P1R-PhR）dt。

基波在送變電設(shè)備和線路功率損耗合并為ΔP1M和ΔP1R，諧波在送變電設(shè)備和線路功率損耗合并為ΔPhM和ΔPhGM。基波功率中P1M和P1R是被用戶利用的有用功率，而諧波功率源PhR是從P1R轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的，即全部諧波功率是無(wú)用的損耗，它可能引起設(shè)備附加發(fā)熱、振動(dòng)、噪聲等不利影響。因此，造成供電企業(yè)線損增加，而且還會(huì)給供電系統(tǒng)造成污染，對(duì)電力設(shè)備構(gòu)成危害。

4.2對(duì)電能表的影響

感應(yīng)式電能表是按50Hz設(shè)計(jì)制造的，對(duì)2次以上諧波有逐漸增大的衰減特性，到9次時(shí)已衰減掉80%以上，由于頻率的變化引起感應(yīng)式電能表磁通量的變化，從而導(dǎo)致電壓、電流幅值以及它們間相位角的改變，使得感應(yīng)式電能表的驅(qū)動(dòng)力矩、抑制力矩、補(bǔ)償力矩以及鐵芯損耗的大小發(fā)生相對(duì)變化，從而引起電能表誤差的變化。根據(jù)感應(yīng)式電能表頻率響應(yīng)曲線，隨著頻率的增大，電能表誤差向負(fù)方向增大，其誤差與頻率關(guān)系如表2、表3。

因此，諧波功率的大小決定了計(jì)量誤差的大小，諧波功率越大，對(duì)電能表產(chǎn)生的誤差越大

電子式電能表因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原因，不存在磁路變化，頻率響應(yīng)呈寬帶響應(yīng)的特性，因此，電子式電能表對(duì)諧波功率的響應(yīng)和對(duì)基波功率的響應(yīng)是一致的，即電子式電能表對(duì)各次諧波的響應(yīng)系數(shù)Kh≈1。現(xiàn)在，電子式多功能電能表計(jì)量方法有兩種設(shè)計(jì)方案，一種是按基波設(shè)計(jì)，它對(duì)50Hz附近電壓、電流進(jìn)行采樣，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后與輸入的電壓信號(hào)相乘，然后再由乘法器輸出到電壓/頻率變換電路，使電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，最終再到計(jì)數(shù)電路和驅(qū)動(dòng)電路。另一種是諧波電能表，它在設(shè)計(jì)上可對(duì)基波、高次諧波分別進(jìn)行采樣，然后取絕對(duì)值進(jìn)行累加計(jì)量。

4.3對(duì)電流互感器的影響

確鑿級(jí)較高的電流互感器，一般多采用鐲環(huán)鐵芯結(jié)構(gòu)，并使用磁性能較好的材料制造，而且設(shè)計(jì)上磁通密度選得較低，在正常使用狀況下，遠(yuǎn)離磁飽和區(qū)域。因此，一般電流互感器頻率特性較好，能比較確鑿反映畸變波形的實(shí)際狀況。電流互感器等值電路為圖3所示。

頻率增高會(huì)使Ze加大，即Ie減小，同時(shí)Zcs降低，Ics增大，實(shí)際上，只要Cs限制在10-9F數(shù)量級(jí)以內(nèi)，對(duì)于電網(wǎng)中畸變波的頻率范圍來(lái)說(shuō)，Zcs值是很高的，也就是說(shuō)Ics在電流互感器的二次側(cè)電流中所占的份額很小，因此在上述頻率范圍內(nèi)，即使Ics本身有較大變化，但對(duì)總體來(lái)講，影響不大。

4.4對(duì)電壓互感器的影響

用于畸變波形下的電壓互感器必需具有較好的頻率特性，電磁式電壓互感器可具有251000Hz的寬頻帶范圍。電壓互感器等值電路如圖4所示。

當(dāng)頻率改變時(shí)，互感器鐵芯的磁密也隨著改變，假使鐵芯不飽和，且一次繞組的漏抗很小，則電壓互感器在負(fù)荷接近空載的狀況下，頻率改變對(duì)誤差影響不大。要使電壓互感器的誤差小，就應(yīng)使Zb、Ze、Zcs盡量大，而Zps則盡量小，，它的物理意義可以這樣說(shuō)明：1/Zb、1/Ze、1/Zcs分別對(duì)應(yīng)流過(guò)負(fù)載阻抗Zb、激磁阻抗Ze及電容Cs中的電流，而Zps乘以這些電流之和表示負(fù)載兩端電壓偏離電壓互感器理想電壓百分率。增大負(fù)載阻抗Zb的方法是使電壓互感器工作在欠額定負(fù)載條件下。加大Ze的方法是使磁路工作在較低的磁通密度區(qū)域，而減少Zps的方法是降低繞組電阻和減小繞組的漏抗。通過(guò)改變Zb、Ze、Zps參數(shù)等措施可以制造出頻率特性較好的電壓互感器。

電容式電壓互感器就是利用串聯(lián)電容分壓，高電壓加在整個(gè)分壓器上，再?gòu)姆謮浩鞯姆謮涸习幢壤〕龈唠妷旱囊徊糠肿鳛檩敵鲭妷骸こＴ陬~定頻率時(shí)，電抗壓降Δux=0，互感器的比差和相角差由各種等效電阻決定。當(dāng)頻率為非額定值時(shí)，XL-XC≠0則電抗壓降為Δux=（ωLk-1/ωC）I，因此，由電抗壓降引起的比差和相角差為：

通過(guò)上式可以看出，電容式電壓互感器基本上是一個(gè)調(diào)諧到50Hz的裝置，一般只能使用在50Hz為中心的有限頻率范圍內(nèi)，否則將會(huì)產(chǎn)生附加誤差，而諧波頻率遠(yuǎn)超出這一范圍，因此電容式電壓互感器不適用于測(cè)量含諧波的電壓。

5諧波下保證正確計(jì)量電能問(wèn)題的探討

5.1電能計(jì)量方式的探討

針對(duì)產(chǎn)生諧波的不同以及對(duì)電能計(jì)量的影響，目前電力系統(tǒng)采用三種計(jì)量方式。

（1）感應(yīng)式電能表：由于受諧波影響，感應(yīng)式電能表計(jì)量的電能是基波與各次諧波電能的“部分〞矢量之和，即基波與部分諧波的綜合電能，在這種計(jì)量方式下，諧波源用戶不僅向系統(tǒng)注入諧波功率，危害電力系統(tǒng)及其它用戶，而且少支付了該部分對(duì)應(yīng)電費(fèi)；而線性用戶電能表計(jì)量大于基波電能，受到諧波損壞還要多交電費(fèi)，這顯然不合理。

（2）電子式多功能電能表：一般狀況下電子式多功能電能表計(jì)量是按頻率為50Hz設(shè)計(jì)制造的，該電能表反映基波電能，不計(jì)諧波電能。在電費(fèi)支付上，這種計(jì)量方式避免了用戶因計(jì)量諧波電能而造成額外經(jīng)濟(jì)損失，但這種方式無(wú)法計(jì)量諧波源用戶注入電網(wǎng)的諧波電能，這是一種保護(hù)了諧波源用戶的利益而損壞了電力系統(tǒng)廣大線性用戶利益的計(jì)量方式，是不可取的。

（3）電子式多功能諧波電能表：這種分別計(jì)量基波電能和諧波電能，記錄諧波電能方向的計(jì)量方式是比較合理的。依照電力成本合理分?jǐn)偟碾妰r(jià)體系，對(duì)吸收諧波電能的客戶在電力價(jià)格或用電量上適當(dāng)給予諧波分量補(bǔ)償；對(duì)向電網(wǎng)注入諧波電能的客戶要給予電力成本合理分擔(dān)，按諧波分量的比例對(duì)其用電價(jià)格進(jìn)行調(diào)整或處罰，是十分有必要的。但是，由于國(guó)家目前尚無(wú)相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也無(wú)電力部門(mén)收費(fèi)政策，因此，重視和研究電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)規(guī)范以及電網(wǎng)商業(yè)營(yíng)運(yùn)規(guī)則，出臺(tái)相關(guān)政策法規(guī)才顯得特別重要和關(guān)鍵。

5.2計(jì)量裝置的選型的幾點(diǎn)建議

5.2.1計(jì)量裝置的配置

根據(jù)牽引站的運(yùn)行方式和設(shè)備要求，一般在牽引變電站110kV進(jìn)口處設(shè)為計(jì)費(fèi)關(guān)口。由于電鐵負(fù)荷簡(jiǎn)單造成三相負(fù)荷不對(duì)稱且波形畸變，建議采用帶計(jì)量諧波功能的電子式多功能電能表，它應(yīng)將基波正序有功功率和其它電參量（包括負(fù)序、零序基波和諧波分量）分開(kāi)，即除計(jì)量基波電能外，其它都計(jì)入“污染〞之列單獨(dú)計(jì)量。

由于牽引站負(fù)荷沖擊大，可造成變壓器過(guò)負(fù)荷50%。規(guī)程規(guī)定0.2s級(jí)電流互感器在1%-120%之間能正確計(jì)量，超過(guò)該誤差點(diǎn)，計(jì)量將不確鑿。應(yīng)選擇電流互感器時(shí)應(yīng)考慮沖擊負(fù)荷的影響。

電容式電壓互感器與電磁式電壓互感器相比，電容式電壓互感器具有一定的優(yōu)勢(shì)，其耐雷電沖擊性能好，可降低雷電波的波頭陡度，對(duì)變電站一次電氣設(shè)備有一定保護(hù)作用，同時(shí)還可兼做載波通信的耦合電容器之用。但電容式互感器也有不足之處，當(dāng)頻率改變時(shí)會(huì)引起附加誤差，溫度改變也會(huì)引起附加誤差，因此，鐵路牽引變電站選擇電壓互感器時(shí)應(yīng)使用電磁式電壓互感器，以保證電能計(jì)量的確鑿性。

5.2.2電量數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控方式：

（1）假使?fàn)恳冸娬灸軌蚺c主網(wǎng)實(shí)施綜自控制，敷設(shè)網(wǎng)絡(luò)和電話線，電量數(shù)據(jù)采集采用變電站電量遠(yuǎn)方終端采集器采集電能表數(shù)據(jù)，傳輸以網(wǎng)絡(luò)方式為主，電話傳輸為輔。

（2）假使不能實(shí)施綜自控制，應(yīng)在用戶側(cè)安裝用電負(fù)荷管理終端，通過(guò)用電負(fù)荷管理終端采集電能表數(shù)據(jù)，用GPRS/CDMA或230M無(wú)線方式上傳主站。

5.3加強(qiáng)電能質(zhì)量管理，合理治理諧波

（1）在進(jìn)行牽引站的設(shè)計(jì)時(shí)要求鐵路部門(mén)要報(bào)出牽引站的諧波狀況，制定出治理措施，并根據(jù)其提出的資料，對(duì)將要接入系統(tǒng)的牽引站提出具體要求，特別是對(duì)諧波的治理要提出有效地制約措施。

（2）應(yīng)開(kāi)展新建牽引站的電能質(zhì)量評(píng)估、無(wú)功補(bǔ)償和諧波治