安科瑞 任心怡

技術支持：彭峰

電能是國民經濟的重要支撐，推動了我國工農業的飛速發展。為保證提供足夠的電，現代電網中接入了許多非線性的大容量電力設備，這些設備的應用會在電網中產生電流或電壓諧波污染，所產生的諧波不僅會影響電流或電壓的穩定性，增大電能的損耗，還非常容易對電網中的設備造成損壞。應用于電能計量的相關裝置在測量存在諧波的電網電路時，其精度也會受到諧波的影響，從而造成測量誤差的增大。為降低或消除諧波對電能計量的影響，就必須對其性能以及作用原理進行分析，進而選取或使用適當的改進方式促使計量裝置在對電能進行計量時保持較小的測量誤差。

1 電力系統中的諧波概述

理想情況下電力系統中傳輸的是正弦交流電，當大量非線性設備或其他噪聲被引入到電力系統中時，正弦交流電會產生畸變。這種畸變既包含由非線性負荷所造成的電流畸變，也包括由電流畸變所引起的電壓畸變。

1.1 產生諧波的原因

實際應用的電力系統不是理想的系統，故在其中產生諧波是不可避免的，具體來說，產生諧波的原因主要集中在以下兩個方面。

（1）電網內部設備所引起的諧波。在電力系統內部存在大量的非線性設備，電能通過這些非線性設備時必然會發生改變，進而出現諧波。若供電網絡中的變壓器出現過負荷情況，則變壓器會因為磁通量的飽和而呈現出非線性狀態，進而導致流經變壓器兩段的電流和電壓失真，形成諧波。除了上述兩種原因以外，發電所使用的三相發電機、電力傳輸過程中所使用的高壓輸電線等同樣也會造成電流和電壓的畸變，使供電網絡中出現不同能級的諧波分量。

（2）負載端所引起的諧波。相較于供電網絡而言，用戶端能夠導致電力系統中出現諧波的負載設備更多，影響更大，是主要諧波源。人們日常生活常用的計算機、電視機、微波爐等家電設備中均添加了整流器和開關穩壓，以保證其正常工作或工作的穩定性。這些器件都屬于非線性器件，在使用過程中會產生諧波，雖然這些家電的單臺功率較小，但是其使用量非常大，會在電網中產生大量的諧波污染。其他生活或工業生產中所使用的變頻設備或生產設備中同樣會使用到非線性器件，這些器件不同程度的都會在電力系統中引入電壓或電流諧波。特別是近幾年來的工業設計中更多地選擇設計設備運行在接近飽和狀態，這就進一步加大了諧波對供電網絡的影響。

1.2 諧波在電能損耗方面的影響

電力系統中的諧波不僅會對電力設備的穩定性帶來威脅，還會增加系統的電能損耗，造成電能的浪費。具體來說，諧波所造成的電能損耗主要體現在如下幾部分。

（1）電力電纜中的電能損耗。電能是在電力傳輸介質中傳輸的，這些傳輸介質本身存在阻抗。當交變電流流經這些傳輸介質時，諧波中的高頻分量會使得傳輸導體中產生較大的集膚效應，進而造成電能的有功損耗，有功功率的大小由公式決定的。r 表示傳輸介質的電阻。諧波分量越多，損耗在傳輸電纜中的能耗越多。實際測量數據表明，非線性設備所產生的諧波電流最高可達到基波電流有效值的百分之七十，若不采用相關的濾波措施，其所產生的線路損耗是非常大的。

（2）變壓器中的電能損耗。變壓器中同樣存在電阻，電流流經變壓器時變壓器中的電阻會將部分電能轉變為熱能消耗掉，可適用的公式與上節中所述的公式相同。可見，諧波經過變壓器時同樣會產生能耗的浪費。除此之外，流經變壓器的電流和電壓還會在變壓器鐵芯中引起磁通量的變化，由于變壓器是不理想的，這些變化的磁通量會在變壓器中產生渦流損耗和磁滯損耗。交變磁場的磁場密度和頻率越高，磁滯損耗越高。

（3）和發電機中的電能損耗。這些設備中同樣存在上述兩節中描述的銅耗和鐵耗，除此之外三階諧波及三階整數倍的諧波還會在這些設備中產生額外的電能損耗，甚至會造成電動機的損壞。

（4）其他設備中的電能損耗。其他諸如工業設備和家用電器等使用直流供電電源或整流器件的設備在并網使用過程中也會產生電能的損耗，造成電能計量的誤差。

2 電力計量裝置及其計量原理

電子式電能表

（1）模擬乘法器電子式電能表

該電能表的結構示意圖如圖所示。

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由于該電能表所使用的電子器件不能直接處理較高的電壓值，故在應用其對負載進行測量時需要對負載電壓和電流進行預處理：利用電壓按照一定的轉換原理將負載電壓轉換為對應的低電壓，輸送到模擬乘法器中進行處理；利用按照一定的轉換原理將負載電流轉換為對應的電壓或先轉變為小電流再轉換成電壓，輸送到模擬乘法器中進行處理。

v-f 變換器主要用于對乘法器的輸出電壓進行轉換，便于計數器統計與顯示。

（2）數字乘法器電子式電能表

該電能表所使用的乘法器集成了數字處理芯片，可以將輸入的電壓值和電流值由模擬信號轉換為數字信號，進而使用數字處理芯片對這些數字信號進行運算和處理，實現對負載的電。

3 諧波對電能計量的影響

在使用模擬乘法器的電子式電能表中，計量精度是由時分割頻率決定的，時分割頻率越高說明采樣時間越短，而電能表所能處理的信號頻帶越寬，可以將更多的高頻分量計入計量結果中，減少計量所產生的損失。

通常情況下，時分割頻率較高的電能表在對負載進行能量計量時，即便負載電路中存在諧波功率，其測量結果與理論計算值之間的吻合度也能夠維持在較高的水平，也就是測量精度較高。但是目前需要該類電能表所需要解決的主要問題是不同頻帶寬度內的相位補償問題。實際應用中，負載電路具有頻率選擇特性，這就導致測量頻帶內不同頻率所具有的相移不同，若直接對這些頻率范圍內的信號進行能量測量會產生較大的誤差。因此在計量系統中引入了相位補償的方法對50hz 處的頻率進行相位補償，但是這種補償不是全頻帶范圍內的補償，故對于未補償的計量頻率，其仍舊會產生不同程度的計量誤差。

4 產品選型

該系列諧波保護器對用電設備產生的隨機高次諧波、脈沖尖峰、電涌等具有抑制和吸收作用，能有效濾除電壓尖峰雜波、矯正畸變的電壓波形、對諧波噪聲進行消化和吸收、防止保護裝置誤跳閘、保證用電設備正常運行。

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4.1產品簡介

功能：

該系列諧波保護器對用電設備產生的隨機高次諧波、脈沖尖峰、電涌等具有抑制和吸收作用，能有效濾除電壓尖峰雜波、矯正畸變的電壓波形、對諧波噪聲進行消化和吸收、防止保護裝置誤跳閘、保證用電設備正常運行。

應用范圍：

適用于電子計算機、精密醫療儀器、微處理器以及其它數字化電子設備等。

4.2 技術參數

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4.3 主要功能

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4.4 外形尺寸

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