諧波對平均值原理儀表測量的影響分析

1、    諧波對平均值原理儀表測量的影響分析    鐘曉珊【摘 要】諧波在電力系統(tǒng)中的問題日趨嚴重，目前電力系統(tǒng)中大多采用的是整流式儀的交流電壓表與電流表， 這種儀表的工作原理是首先獲取電網中電壓以及電流的平均值， 利用平均值和與有效值之間的比例關系獲得信號的有效值。因為設計是按照50 hz的正弦波標準，所以當電網電壓與負荷電流中產生高次諧波時，此類儀表的正常工作便會受到影響?？梢娭C波對平均值原理儀表的測量結果存在著原理性的誤差?！娟P鍵詞】諧波；平均值；誤差我國電力電子技術不斷發(fā)展，如今在在各行各業(yè)中都有廣泛的應用。但是整流裝置的應用卻為電力系統(tǒng)帶來了嚴重

2、的畸變波形， 使我國供電質量有所下降。在眾多的交流測量儀表中， 之前一般使用的是電磁式儀表。但是，近些年整流式的交流電壓表與電流表相繼出現(xiàn)在了電網中。整流式儀表是由整流電路以及磁電式儀表兩部分組合而成的。之所以整流式儀表會得到廣泛的應用是因為其刻度是線性的。整流式儀表在正弦波時不會產生附加的誤差，但是在非正弦波的情況下測量結果便會受到很大的影響。一、諧波的產生原因以及危害在理想的供電系統(tǒng)中，電流與電壓都是正弦波。在只含有線性原件的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓將成正比。但是在實際電力系統(tǒng)中的負載往往是非線性的。當電流流經這樣的負載時，便會產生與所加電壓不呈線性關系的非正弦電流，也就是諧波。

3、理想的公用電網所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對公用電網是一種污染，它使用電設備環(huán)境惡化，并干擾其他設備。電力電子設備廣泛應用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研究，并有一定認識，但還沒有引起足夠的重視。近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速發(fā)展使得公用電網的諧波污染日趨嚴重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生，引起人們高度的關注。諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒

4、毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。諧波對公用電網和其他系統(tǒng)的危害：1、加大企業(yè)的電力運行成本由于諧波不經治理是無法自然消除的，因此大量諧波電壓電流在電網中游蕩并積累疊加導致線路損耗增加、電力設備過熱，加大了電力運行成本，電費支出。2、降低了供電的可靠性諧波電壓在許多情況下能使正弦波變得更尖，不僅導致變壓器、電容器等電氣設備的磁滯及渦流損耗增加，而且使絕緣材料承受的電應力增大。諧波電流能使變壓器的銅耗增加，所以變壓器在嚴重的諧波負荷下將產生局部過熱，噪聲增大，從而加速絕緣老化，縮短了變壓器、電動機的使用壽命，降

5、低供電可靠性，造成斷電的嚴重后果。3、引發(fā)供電事故的發(fā)生電網中含有大量的諧波源（變頻或整流設備）以及電力電容器、變壓器、電纜、電動機等負荷，這些電氣設備處于經常的變動之中，極易構成串聯(lián)或并聯(lián)的諧振條件。當電網參數(shù)配合不利時，在一定的頻率下，形成諧波振蕩，產生過電壓或過電流，危及電力系統(tǒng)的安全運行，如不加以治理極易引發(fā)輸配電事故的發(fā)生。4、導致設備無法正常工作對旋轉的發(fā)電機、電動機，由于諧波電流或諧波電壓在定子繞組、轉子回路及鐵芯中產生附加損耗，從而降低發(fā)輸電及用電設備的效率，更為嚴重的是諧波振蕩容易使汽輪發(fā)電機產生震蕩力矩，可能引起機械共振，造成汽輪機葉片扭曲及產生疲勞循環(huán)，導致設備無法正常工

6、作。二、諧波對平均值原理儀表測量誤差分析當信號為正弦波時， 有效值與平均值的關系為：a1=1.11a2（其中a1是電流或者電壓的有效值；a2表示電流或者電壓的平均值）。此時，波形系數(shù)為kf = a1/ a2= 1. 11。按照這個關系獲取交流電壓或者電流的有效值的時候，如果被測的信號不是正弦波，則會產生極大的測量偏差。1、單一諧波經計算得出單一偶次、3次以及5次諧波在不同諧波含量、不同相位角時的誤差值分別如表1-1、表1-2、表1-3 所示。綜表1-1、表1-2、表1-3可看出：（1）單一偶次諧波產生的誤差與諧波的次數(shù)沒有關系，并且都是負誤差；相對奇次諧波而言，偶次諧波引起的誤差相對較少；（2

7、）奇次諧波的誤差比較大， 其中3次諧波最大， kn= 0. 03時， 誤差值最大分別為0. 956%和-1. 045% ， kn= 0. 10時， 誤差值最大分別為2. 821%和-3.813%。2、多次諧波實際系統(tǒng)中的波形是多次諧波的疊加， 且諧波頻次越高， 含量越小。根據長期理論和實際研究， 將2、3、4、5、6、7 次諧波分別按照40%、25%、15% 、10%、6%、4%比例混合， 諧波總量以畸變率表示分析計算，如圖1 所示。表1-1 偶次諧波對平均值原理儀表的誤差表1-2 3次諧波對平均值原理儀表的誤差（%）表1-3 5次諧波對平均值原理儀表的誤差（%）圖1 諧波對平均值原理儀表的誤

8、差分析圖1描述的是不同相位角、多次諧波下，平均值原理儀表的誤差結果。由圖可知，在同一個的諧波含量下，相位角從0°180°，誤差值由正逐漸變成負， 并且負誤差值更大。3、實際分析然而電力系統(tǒng)中的波形是多種多樣且不斷變化的，實際的誤差只有根據實際的波形方能準確地計算出來。為了說明情況，此處將選擇實驗室測得的波形、數(shù)據進行誤差分析。對普通的日常用電， 利用平均值原理儀表測量，盡管各次諧波會產生正負不同的誤差， 但是大部分的誤差之間可以相互抵消， 誤差僅為0. 2%左右。然而，對其它高畸變率的線路，由于各次諧波相位方向接近，測量的誤差則會更大。高壓電網對電壓諧波畸變率的要求不高于3

9、%， 事實上，隨著非線性設備的增多與 電氣化的鐵路發(fā)展， 許多的線路早已超過了其規(guī)定值范圍。此時仍然采用平均值原理儀表， 便會產生原理性的誤差，并且極有可能超過系統(tǒng)里規(guī)定的誤差范圍。4、結論依照上述分析， 諧波對平均值原理儀表的影響是不容小覷的， 特別是3次諧波的影響，在電網中要格外重視。（1）平均值原理儀表測量時，對正弦波信號不會產生附加誤差，而對非正弦波的信號則會產生比較大的誤差；（2）單一偶次諧波不會引起很大的誤差。其誤差值比較小，誤差值不受諧波次數(shù)影響并且均為負誤差；（3）奇次諧波的誤差通常是很大的。最大的誤差往往是由3次諧波引起的；（4）由各次諧波引起的誤差在實際的電路中大多可相互抵消。但隨著非線性負載的增加與電氣化鐵路的快速發(fā)展，由諧波分量導致的測量誤差是不容忽略的。所以，在測量電網電壓、電流有效值的時候。建議盡量避免采用平均值原理儀表，從而減小非正弦波形測量時產生的原理性誤差。三、總結隨著對非線性電力設備應用的增加，電系統(tǒng)中的諧波問題亦越來越嚴重。諧波問題不僅可造成電力設備的損壞，使線路絕緣老化，還會給計算機、電視系統(tǒng)等電子設備的正常工作帶來影響，從而擾亂人們的正常生活。根據諧波產生的原因和諧波的特性，利用相應的手段進行抑制，既可以使諧波對設備的影響減小，延長設備的使用年限，還能夠使