电力系统谐波对电能计量的影响分析

    1　正弦交流电路的电能计量

    正弦交流电路中正弦交变量的三个要素是幅值(有效值)、角速度(频率、周期)与初相角。正弦交流电路中的瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率都与正弦交变量的三要素有关,它们的波形为图1所示:

    瞬时电压:u=Umsin(ω_t+φ₁)= Usin(ω_t+φ₁);

    瞬时电流:i=Imsin(ω_t+φ₂)= Isin(ω_t+φ₂);

    瞬时功率:P=ui=U_msinω_t·I_msin(ωt-φ)=2UIsinωt·sin(^ωt-φ)=UI_cosφ-UI_cos(2ωt-φ)

    即交流电路消耗的功率包含两部分:一部分为UI_cosφ;另一部分为-UI_cos(2ω_t-φ),它是以两倍于电源频率的频率随时间作正弦变化的分量。

式中U_m,I_m为电压、电流的幅值(最大值);ω为角频率:ω=2πf=2π1T(T为周期);ω1、ω2为电压、电流的初相角;ω为电流初相角与电压初相角之差(功率因数角)。

    由此可见,在正弦交流的电能计量中,电压、电流产生的有功电能与它们间的功率因数角φ、角频率ω有关。只有当同频率的正弦电压和正弦电流在同相位的情况下才全部合成有功。当然大家对电流、电压只有同相位部分才做有功电能都非常清楚,但是往往对同频率这个关键会被疏忽。我们必须指出:“不同频率的电流、电压之间不产生有功”,50·0Hz的额定电压和50·1Hz的满度电流是不产生有功的。当电流和电压频率不一样,那么它们之间相位始终是在变化着的,就不可能确定功率因数值。这个基本概念是决定我国目前进行谐波电能正确计量问题的关键所在。

    由于感应式电能表的频率特性范围很窄,它的铁芯只能工作在(45~65)Hz的工频范围,测量基波功率和电能。随着频率增高,误差向负方向增大,即计量所得到的电能量就减少。频率响应曲线下降主要是铝盘的等效阻抗角随着频率增高而增大所至。由于高次谐波的频率远远高于这个频率范围,故不可能计量谐波电能,因此在使用感应式电能表时就不用讨论谐波计量技术。然而随着电子式电能表新技术不断发展,使其频率特性可以达到极宽的频率范围,谐波电能计量就成为大众关注的焦点。在有谐波的情况下,如何测量功率和计量电能以用来进行收费结算,这个问题和谐波标准密切相关,是一个关键的基础理论问题。

    2　非线性负载的危害性

    以前所用电器一般都是电工机电式的,是铁芯和电磁线圈组成的负载,这种负载常常称为线性负载。而所有的半导体元件都属于非线性负载。顾名思义:非线性负载的负载特性为电压增加与电流变化不成比例关系,例如半导体器件二极管在阻断状态(反向电压下)时仅有极小的漏电流,因此在电压正弦波过零前后时并不导通,当瞬时电压值高于二极管结压降时才导通;二极管导通时当达到饱和时即电压升高而电流增加很快,一旦超过最大允许电流时即被软击穿或超过二极管耐压时被硬击穿,因此形成如图2所示的波形,所以它是非线性的。