摘 要：对于电力网来说，谐波产生的主要来源大致可分为两类：一是电子元器件中的非线性元件；二是含电弧和铁磁非线性设备。目前我们电能计量所使用的电能表是按50Hz工频设计制造的，它对2次以上的谐波是呈逐渐衰减特性，其衰减的幅度与谐波的次数呈正比。由于频率的变化引起感应式电能表磁通量的变化,从而导致电压、电流幅值以及它们间相位角的改变，使得感应式电能表的驱动力矩、抑制力矩、补偿力矩以及铁芯损耗的大小发生相对变化,从而引起电能表计量误差偏负变化。
关键词：谐波 电力网 电能计量
中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）002-064-02
理想的电力网的电压应是有固定的频率及幅值。而现实中由于用电设备或负荷中，存在着大量的非线性元件或设备，其产生的谐波电流、电压，加大了用电设备的负荷、增大了电力线路的损耗、干扰了通讯设施的稳定，对我们来说是一种无形的且十分严重的污染。近年来，由于我国的经济迅速发展，大型冶炼、电解等企业也如雨后春笋的发展，又由于人们对谐波污染认识的单薄，使我们本来就薄弱的电力网，受谐波污染日益严重，由谐波引起的各种事故频发，谐波污染危害的严重性应得到人们应有的重视了。
1 对电力网的影响
电力线路的损耗是电力线路中的负荷电流的平方与电力线路阻值的乘积，而由于电力线路中存在着谐波电流，通过电力线路时也会在产生有功损耗，从而就增大了电力线路的损耗。在正常情况下谐波电流较基波电流相比，所占的比例很小，但是随着频率的变高，由于电力线路的趋肤效应作用，使谐波电阻增大，从而加大了谐波电流所引起电力线路损耗。在电力线路趋肤效应的作用下，谐波电阻与谐波电流所引起电力线路损耗是呈正比的。
谐波污染对电力网的危害不光体现在增大电力线路的线损方面，对电力网中其它设备也对造成很大的危害，如：(1)大量的3次谐波电流流过中性线时，使导线过热烧坏绝缘甚至起火，发生电力火灾；(2)谐波对电机等电气设备的影响除增大损耗外，还会产生机械震动、噪声和过电压；(3)谐波会使变压器内部或瓷套管等部位过热，造成绝缘老化、使用寿命缩短，影响安全生产工作；(4)谐波会引起电力网中局部的并联谐振和串联谐振，导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确；(5)谐波对临近的通信系统产生干扰，产生噪声污染，降低通讯质量，传输信息丢失，使通讯系统无法正常工作。
2 对电能计量的影响
在电力网中由于用电设备的构造或用电性质的不同，分为线性用电设备与非线性用电设备，其用电负荷分为线性负荷与非线性负荷。在一般情况下，非线性用电设备所产生非线性用电负荷吸收电力网中的基波功率，并将基波功率的一部分转化为谐波功率注入到电力网中，而线性用电设备所产生的线性负荷不仅吸收电力网中的基波功率，也同时吸收了谐波功率。为了便于研究谐波对电能计量的影响，简化电网中的有功功率潮流，如图1所示。
图1 电网中的基波和谐波有功潮流
对于电能表本身来说，由于频率的变化引起感应式电能表磁通量的变化,从而导致电压、电流幅值以及它们间相位角的改变，使得感应式电能表的驱动力矩、抑制力矩、补偿力矩以及铁芯损耗的大小发生相对变化,从而引起电能表误差的变化。根据感应式电能表频率曲线及误差变化分析，当电能表频率越大时，电能表的负误差就越大，其误差与频率关系如表1、表2所示。
表1 单相电能表频率误差表 表2 三相电能表频率误差
因此，谐波功率的大小决定了计量误差的大小，谐波功率越大，对电能表产生的误差越大。
在实际中，电力客户的用电负荷是随时变化的，电子式电能表是无法快速而精确的测量每个周期时的电压、电流、以及它们之间的相位差值的。但一般的电子式电能表测量元件是由A/D采样器和乘法器组成的，功率既然无法直接计算得出，但可以通过对用电负荷的电压、电流的瞬时值采样计算得出，将采样的电流、电压瞬时值相乘相加再乘以采样周期得出平均电能。那么如何将A/D采集器所采集的模拟量准确的、无误的转换成为数字量就成为了关键问题。通过几个月观察和实践，发现对于电子式电能表，所引起的计量误差除了是由于A/D采样器的采样次数和转换精度的问题，电能计量装置中的电压、电流互感器自身的比差及角差和其造成的幅值误差和相位误差也同样有很大的影响。在电能表在电能计量时，电力线路中电压和电流通过计量用的电压、电流互感器后，通过电磁感应原理转换成二次电压、电流通过二次导线传入电能表，因此计量用电压、电流互感器的配备的准确度是否合适，其比差、角差是否合格直接影响着计量结果的准确性，如果计量用电压、电流互感器存在非线性特性，当畸变信号经过电压、电流互感器时，那么互感器在各次谐波的影响下的转换二次电压、电流就发生了畸变。在这种情况下，计量误差就会加大，且与谐波次数呈正比。
对电流互感器来说，准确等级较高的电流互感器，一般多采用镯环铁芯结构，并使用磁性能较好的材料制造，而且设计上磁通密度较低，在正常使用情况下，远离磁饱和区域。因此，一般电流互感器频率特性较好，能比较准确反映畸变波形的实际情况。
频率增高会使Ze加大，即Ie减小，同时Zcs降低，Ics增大，实际上，只要Cs限制在10-9F数量级以内，对于电网中畸变波的频率范围来说，Zcs值是很高的，也就是说Ics在电流互感器的二次侧电流中所占的份额很小，因此在上述频率范围内，即使Ics本身有较大变化，但对总体来讲，影响不大。
用于畸变波形下的电压互感器必须具有较好的频率特性,电磁式电压互感器可具有25-1000Hz的宽频带范围。电压互感器等值电路如图2所示。
图2 电压互感器等值电路
当频率改变时，互感器铁芯的磁密也随着改变，如果铁芯不饱和，且一次绕组的漏抗很小，则电压互感器在负荷接近空载的情况下，频率改变对误差影响不大。要使电压互感器的误差小，就应使Zb、Ze、Zcs尽量大，而Zps则尽量小，，它的物理意义可以这样说明：1/Zb、1/ Ze、1/Zcs分别对应流过负载阻抗Zb、激磁阻抗Ze及电容Cs中的电流，而Zps乘以这些电流之和表示负载两端电压偏离电压互感器理想电压百分率。增大负载阻抗Zb的方法是使电压互感器工作在欠额定负载条件下。加大Ze的方法是使磁路工作在较低的磁通密度区域，而减少Zps的方法是降低绕组电阻和减小绕组的漏抗。通过改变Zb、Ze、Zps参数等措施可以制造出频率特性较好的电压互感器。
电容式电压互感器就是利用串联电容分压，高电压加在整个分压器上，再从分压器的分压元件上按比例取出高电压的一部分作为输出电压。通常在额定频率时，电抗压降 ux=0，互感器的比差和相角差由各种等效电阻决定。当频率为非额定值时，XL－XC≠0则电抗压降为 ux=（ Lk－1/ C）I，电容式电压互感器基本上是一个调谐到50Hz的装置，一般只能使用在50Hz为中心的有限频率范围内，否则将会产生附加误差，而谐波频率远超出这一范围，因此电容式电压互感器不适用于测量含谐波的电压。