沈明炎

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福州 350003)

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經(jīng)電流互感器工作的三相電子式電能表在直流和偶次諧波影響下的計(jì)量性能分析

沈明炎

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福州 350003)

本文旨在探討直流和偶次諧波對(duì)經(jīng)電流互感器工作的電子式電能表計(jì)量準(zhǔn)確度的影響情況。著重分析了經(jīng)電流互感器工作的電子式電能表的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，以及在直流和偶次諧波影響下所產(chǎn)生的計(jì)量偏差。在直流和偶次諧波原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)電子式電能表的直流和偶次諧波的試驗(yàn)，對(duì)其理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，指出直流和偶次諧波對(duì)經(jīng)電流互感器工作的電子式電能表的影響，對(duì)此類(lèi)電子式電能表在抗直流和偶次諧波干擾方面，提供了參考數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

直流和偶次諧波；電能表；儀用電流互感器；電流采樣；諧波影響試驗(yàn)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，許多工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和負(fù)荷具有非線性特性，如交直流換流設(shè)備、電子調(diào)壓設(shè)備、電弧爐、感應(yīng)爐以及家用的照明和加熱設(shè)備等，這些非線性負(fù)荷在工作會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，會(huì)對(duì)供電電網(wǎng)產(chǎn)生一定的危害。同時(shí)，伴隨著諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，電能計(jì)量的準(zhǔn)確度和可靠度也受到一定的干擾，這就要求電子式電能表具備較好的抗諧波干擾的能力。因此，在電子式電能表型式試驗(yàn)時(shí)，都會(huì)模擬實(shí)際情況，對(duì)電子式電能表進(jìn)行各類(lèi)諧波的影響試驗(yàn)，但在GB/T 17215.321—2008《交流電測(cè)量設(shè)備 特殊要求 第21部分：靜止式有功電能表(1級(jí)和2級(jí))》明確指出交流電流線路中直流和偶次諧波試驗(yàn)不適用于經(jīng)互感器工作的電能表[1]。由于儀用電流互感器工藝的發(fā)展，使其具有較好的計(jì)量性能和抗干擾能力，目前，投入使用的三相電子式電能表的大部分都是基于儀用電流互感器工作的電能表，因此，有必要對(duì)此類(lèi)電子式電能表的直流和偶次諧波影響試驗(yàn)進(jìn)行研究。

1 直流和偶次諧波產(chǎn)生及危害

在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，由于非線性負(fù)載的存在，當(dāng)在負(fù)載兩端施加的電壓與負(fù)載電流為非線性關(guān)系時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生非正弦電流，即在線路中產(chǎn)生諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變。由于構(gòu)成電力系統(tǒng)的元件具有雙向?qū)ΨQ(chēng)性，即半波對(duì)稱(chēng)的特性。當(dāng)半波對(duì)稱(chēng)時(shí)，系統(tǒng)中的電壓和電流所產(chǎn)生的偶次諧波被抵消，系統(tǒng)線路中只存在奇數(shù)次諧波分量；當(dāng)半波不對(duì)稱(chēng)時(shí)，系統(tǒng)線路中則會(huì)存在奇數(shù)次諧波分量和直流偶次諧波分量。直流和偶次諧波主要常見(jiàn)于電弧型設(shè)備、電磁飽和型設(shè)備、電子開(kāi)關(guān)型設(shè)備等，如各種煉鋼設(shè)備、電弧焊機(jī)、電抗器、各種交直流換流裝置(整流器、逆變器)以及晶閘管可控開(kāi)關(guān)設(shè)備等。諧波會(huì)增加用電設(shè)備的附加損耗、干擾通信系統(tǒng)的正常工作、影響自動(dòng)裝置可靠性和計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性等[2]。

2 電子式電能表原理及儀用電流互感器的特點(diǎn)

電子式電能表的主要由電參數(shù)采集單元、計(jì)量處理單元、微機(jī)總控單元和其它外設(shè)模塊四個(gè)部分構(gòu)成，其中微機(jī)總控單元和其它外設(shè)模塊能夠滿足電子式電能表基本功能、可視化功能以及通訊和控制的實(shí)現(xiàn)，計(jì)量處理單元是電子式電能表的核心單元，更多的是保證電能表計(jì)量性能的準(zhǔn)確可靠，其中專(zhuān)用計(jì)量芯片承擔(dān)重要角色，其內(nèi)部集成了A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP數(shù)字處理器和電壓/頻率轉(zhuǎn)換器等用以處理電能信號(hào)的模塊。而電參數(shù)采集單元?jiǎng)t是計(jì)量處理單元的基礎(chǔ)支持，采集單元易受到電氣類(lèi)影響量的干擾，如諧波影響、頻率影響和電壓影響等，將導(dǎo)致測(cè)量電能與實(shí)際電能產(chǎn)生偏差[3]。因此，在研究電子式電能表抗干擾的能力時(shí)，電參數(shù)采集單元應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注。

電子式電能表的電流采樣單元常見(jiàn)的有兩種方式：一種是經(jīng)電流互感器工作的方式，是利用儀用電流互感器進(jìn)行電流采樣，具有抗干擾性較強(qiáng)，線路簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)；另一種是利用電阻溫度系數(shù)很小的專(zhuān)用錳銅片進(jìn)行電流采樣，在起動(dòng)電流、線性范圍、功耗和精度等指標(biāo)，具有比儀用電流互感器更好的性能，尤其是小電流時(shí)更為突出，且其基本不受直流和偶次諧波的影響。由于儀用電流互感器的特點(diǎn)及三相電子式電能表的結(jié)構(gòu)，目前，三相電子式電能表多采用經(jīng)電流互感器工作的方式。

3 直流分量與偶次諧波分量對(duì)電子式電能表的影響

電子式電能表的電能計(jì)量是利用A/D采樣數(shù)值計(jì)算方法，由采樣的電壓瞬時(shí)值、電流瞬時(shí)值和它們的相位差的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再將其計(jì)算出的瞬時(shí)功率與采樣周期相乘得到電能，顯然，電能的累積是由瞬時(shí)功率與時(shí)間的積分得到的，因此，瞬時(shí)值的采樣精確度直接決定計(jì)量的精確度。而諧波是影響電壓、電流準(zhǔn)確采樣的重要因素，由直流和偶次諧波的性質(zhì)可知，直流和偶次諧波會(huì)對(duì)電子式電能表內(nèi)儀用電流互感器產(chǎn)生較大的影響，儀用電流互感器只能將被測(cè)的交流量進(jìn)行轉(zhuǎn)換傳遞，如果互感器一次側(cè)含有其他直流分量，則會(huì)影響其二次側(cè)的值，就會(huì)使其采樣的信號(hào)失真，從而導(dǎo)致電能計(jì)量偏差[4]。由含有諧波的電壓和電流的瞬時(shí)值u和i可得到有功瞬時(shí)功率p，如下：

在t=0時(shí)

式中，Ub、Ib、Un、In分別為基波和n次諧波電壓電流的有效值；φb、φn為基波和n次諧波的電壓電流相位差[5]。以下簡(jiǎn)要說(shuō)明偶次諧波分量和直流分量分別對(duì)電子式電能表產(chǎn)生影響的工作原理。

3.1 偶次諧波分量對(duì)電子式電能表電流回路的影響

由于實(shí)際用電負(fù)荷變化不定，致使電子式電能表的電流采樣和轉(zhuǎn)換受采樣次數(shù)和A/D精度的影響，并且儀用電壓電流互感器及其后的放大線路元器件的分散性也易造成的幅值誤差和相位誤差[2]。電子式電能表正常工作時(shí)，由電子式電能表內(nèi)部?jī)x用電路互感器采樣供電線路的電流，并將其轉(zhuǎn)換成弱電信號(hào)后送入電能計(jì)量芯片進(jìn)行處理，因此，儀用互感器的采樣準(zhǔn)確度直接影響測(cè)量的結(jié)果，如果儀用互感器存在非線性，當(dāng)畸變信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器時(shí)，由于各諧波成分不同，導(dǎo)致互感器一次側(cè)和二次側(cè)的電流不能按變比對(duì)應(yīng)，從而測(cè)得的是失真的信號(hào)，此時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生偏差。在采集含有諧波的畸變波形時(shí)，互感器的波形變換誤差成非線性，特別是偶次諧波會(huì)使互感器的波形變換誤差更大。

3.2 直流分量對(duì)電子式電能表電流回路的影響

電子式電能表在直流情況下，短時(shí)間通過(guò)很小的直流電流，不會(huì)使儀用電流互感器飽和，當(dāng)直流電流較大會(huì)很快使互感器鐵芯飽和，且被單向磁化，儀用電流互感器飽和會(huì)使勵(lì)磁電流急劇上升，勵(lì)磁電流在一次電流中所占的比例大為增加，使比差逐漸移向負(fù)值并迅速增大，引起二次電流幅值減小，從而使電流采樣產(chǎn)生較大的負(fù)偏差，即使電子式電能表計(jì)量的電能功率為負(fù)，會(huì)少計(jì)量實(shí)際用電電量。隨電力電子類(lèi)負(fù)載的日益增多，不可避免的在電子式電能表的電流回路中引入直流分量，從而使電能計(jì)量少計(jì)。如果用戶惡意竊電，只要人為的在用戶端的用電負(fù)荷回路中，加入簡(jiǎn)單的整流電路，就可以在電子式電能表的電流回路中引入直流分量，從而達(dá)到竊電目的。

4 電子式電能表的直流偶次諧波影響試驗(yàn)技術(shù)依據(jù)

直流與偶次諧波試驗(yàn)也叫半波整流試驗(yàn)：主要考驗(yàn)的是電子式電能表在有直流及偶次諧波電流的情況下，電能準(zhǔn)確計(jì)量的能力?！禛B/T 17215.321—2008 交流電測(cè)量設(shè)備 特殊要求 第21部分：靜止式有功電能表(1級(jí)和2級(jí))》規(guī)定，在電子式電能表的電流回路中串入整流二極管和電阻器，當(dāng)接入電子式電能表的電流最大值為0.707Imax時(shí)，電能計(jì)量誤差不得超出規(guī)定的范圍[1]。由于是半波整流線路，此時(shí)，電子式電能表的電流回路中具有較大的直流分量(超過(guò)30%)，試驗(yàn)線路如圖1所示。

圖1 直流和偶次諧波試驗(yàn)線路圖

圖中，平衡阻抗為與被試表同型號(hào)的儀表，整流二極管D同型號(hào)，兩支路電阻R的阻值近似等于被檢表的10倍，電流波形頻率為50Hz。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)與結(jié)果分析

依據(jù)上文提及的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，選取不同電壓、電流規(guī)格的儀表各兩臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，如表1所示。根據(jù)《JJG 596—2012 電子式交流電能表檢定規(guī)程》要求，對(duì)試驗(yàn)電子式電能表進(jìn)行檢測(cè)，確保其試驗(yàn)前符合相應(yīng)計(jì)量等級(jí)的要求[6]。分別選取經(jīng)電流互感器接入式的有功等級(jí)為1級(jí)的三相電子式電能表，其電流規(guī)格為1.5(6)A、1(10)A、5(60)A和10(100)A，將其編號(hào)為A、B、C、D，如表1所示。根據(jù)《GB/T 17215.321—2008 交流電測(cè)量設(shè)備 特殊要求 第21部分：靜止式有功電能表(1級(jí)和2級(jí))》內(nèi)要求的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)用微型導(dǎo)軌式三相多功能電力儀表參數(shù)

圖2 直流和偶次諧波試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)電流波形

被檢電能表與電能表檢驗(yàn)裝置和直流偶次諧波發(fā)生裝置相連接，試驗(yàn)布置如圖1所示，電能表電壓線路通以參比電壓，電壓畸變因數(shù)低于1%，電流源輸出最大值為0.707Imax的正弦波，經(jīng)過(guò)直流偶次諧波發(fā)生裝置產(chǎn)生直流和偶次諧波電流，波形如圖2所示，被測(cè)電能表電流線路通入直流和偶次諧波電流，實(shí)測(cè)電流波形如圖3所示，由電能表檢驗(yàn)裝置測(cè)得被測(cè)電能表在直流和偶次諧波時(shí)的誤差，并與電能表在無(wú)諧波的正弦波電流時(shí)的誤差相比較，得到電能表的百分比誤差改變值，結(jié)果如表2所示。

圖3 直流和偶次諧波試驗(yàn)實(shí)測(cè)電流波形

由表2的測(cè)試結(jié)果可以得出，在本次的試驗(yàn)中，內(nèi)置普通型的儀用電流互感器的電子式電能表的百分比誤差改變量要遠(yuǎn)大于技術(shù)要求的百分比誤差改變極限，而內(nèi)置抗直流型儀用電流互感器的電子式電能表的百分比誤差改變量則在規(guī)定的改變極限內(nèi)。試驗(yàn)表明，直流和偶次諧波對(duì)電子式電能表誤差的影響主要取決于儀用電流互感器的性能，在抗直流和偶次諧波分量干擾的性能方面，抗直流型儀用電流互感器的抗干擾能力要比普通型儀用電流互感器出色得多。因此，為了使電子式電能表具備優(yōu)秀的抗直流和偶次諧波的能力，需要對(duì)儀用電流互感器的類(lèi)型進(jìn)行選擇，以保證電能表電流采樣的準(zhǔn)確可靠。

表2 交流電流線路中的直流和偶次諧波試驗(yàn)的結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

三相電子式電能表的電流采樣方式多采用儀用電流互感器采樣，電流采樣作為電能計(jì)算的基礎(chǔ)，儀用電流互感器在抗干擾方面的性能決定了電能表計(jì)量的精確度，在GB/T 17215.321—2008《交流電測(cè)量設(shè)備 特殊要求 第21部分：靜止式有功電能表(1級(jí)和2級(jí))》明確指出交流電流線路中直流和偶次諧波試驗(yàn)不適用于經(jīng)互感器工作的儀表。本文就經(jīng)電流互感器工作的電子式電能表的抗直流和偶次諧波的能力進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，根據(jù)電能表內(nèi)置儀用電流互感器的不同，分別對(duì)內(nèi)置普通型儀用電流互感器和抗直流型儀用電流互感器的電能表進(jìn)行試驗(yàn)，并從試驗(yàn)結(jié)果中得到，選擇內(nèi)置抗直流型儀用電流互感器的電能表的抗直流和偶次諧波的能力能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。根據(jù)儀用電流互感器在三相電子式電能表中使用的情況，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)地作出更改，以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用的需求，確保電能表的計(jì)量準(zhǔn)確可靠，保證貿(mào)易結(jié)算的公平公正。

[1] GB/T 17215.321—2008 交流電測(cè)量設(shè)備 特殊要求 第21部分：靜止式有功電能表(1級(jí)和2級(jí))[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008

[2] 王龍森，趙龍.諧波對(duì)電子式電能表計(jì)量的影響分析研究 [J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2009(19)

[3] 張勤，曹瑞基.計(jì)量檢測(cè)人員培訓(xùn)教材·電磁計(jì)量 [M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007

[4] 藍(lán)永林.交流電能計(jì)量 [M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2009

[5] 溫和，滕召勝，胡曉光，王永，曾博.諧波存在時(shí)的改進(jìn)電能計(jì)量方法及應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32(1)

[6] JJG 596—2012電子式交流電能表 [S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2013

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.10