探析谐波对电流互感器的传变特性及电能计量影响

探析谐波对电流互感器的传变特性及电能计量影响

李广山牛建平窦瑞军

国网新疆电力有限公司电力科学研究院新疆省乌鲁木齐市830000

摘要：随着电力系统的发展，新型动态负荷越来越多，电网中的谐波源明显增多，谐波畸变不仅会损耗变压器和电缆等设备的使用寿命，造成使保护装置误动、干扰数据通信等危害，而且还会影响电磁式电流互感器的传变特性，还会对电能计量产生很大影响。本文综合目前谐波研究现状，探析了其对电流互感器传变特性的影响和对电能计量造成的影响。

关键词：电磁式电流互感器；等效模型；直流分量；谐波畸变；电能计量

0、引言

电流互感器作为电流信号的传变设备，已经在电力系统中得到了广泛应用，比如继电保护、系统监控、故障分析及电能计量等方面，是整个电力系统运行的重要设备。由于目前电磁式电流互感器的应用占主导地位，其铁芯存在非线性特征：当不超过其允许的负荷电流时，电流互感器工作在不饱和区间，其传变特性比较稳定，但当存在大量谐波时，电流互感器的铁芯磁通会很快进入饱和状态，造成传变特性变差，输出的二次侧电流波形发生畸变，不能够准确的反映一次侧电流。目前随着工业的发展和科技的进步，电力系统中接入了越来越多的工业电弧炉、大型电焊机、整流换流设备以及其它非线性和冲击性负荷，供电系统中谐波成分不断增加，这给电力运行带来了一系列问题，如不利于用电设备的安全，增加了电力供应企业的经营成本等。其中，对电流互感器传变特性和电能计量影响的研究已经成为重要研究课题之一。

1、谐波概述

从广义上讲，对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，任何不同于工频基波频率的成分都可称为谐波，一般所说的谐波为频率为基波频率整数倍的正弦波分量，频率不是基波频率整数倍的正弦分量称为间谐波，也称分数谐波。电气系统所产生的谐波主要来源于频率变换器、换流器、感应电机等，可分为以下2类：①暂态谐波：由于在电力系统中所使用的电气开关操作所引起，或者电力系统及电力设备发生故障，也将产生暂态谐波；②稳态谐波：由电力系统中非线性负荷所产生。谐波的危害有很多：增加输、供和用电设备的额外附加损耗；使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短；影响继电保护和自动装置的工作可靠性；对通讯系统工作产生干扰等，如今谐波污染愈来愈受到人们的重视。

2、电磁式电流互感器传变特性

图1电流互感器等效电路

3、谐波对电磁式电流互感器的传变特性影响

当一次电流是由两种或着更多种的频率信号所组成时，由于电磁式电流互感器是非线性装置，因此当一次电流由两种或更多种频率信号叠加组成时，叠加定理不能应用来分析谐波条件下电流互感器的传变特性。即使两个有效值相同的电流信号也可以存在完全不同的谐波频谱，当这两种信号分别作用于TA时，二次电流会有很大差异。在谐波干扰的情况下，主磁通会是基波分量和谐波分量产生的磁通叠加，使铁芯磁导率下降，励磁电流增加，使误差曲线向负方向偏移，二次侧电流谐波成分由两部分组成：一部分是TA铁芯的非线性产生的谐波成分，另一部分是一次侧电流的谐波成分，二次感应电流的基波成分比无谐波情况下相对减少，因此造成比差向负方向变化，角差向正方向变化。

经过研究发现：奇次谐波的比值差和相位差随着基波位移有显著的变化，而偶次谐波随基波位移变化不大；在谐波的比值差方面，3次谐波的误差变化幅度最大，甚至会超出等级要求的误差限值。总之谐波的比值误差和相位误差会比频率特性中所对应的误差要大，这主要是由于TA励磁铁芯的非线性所导致。

4、谐波对电能计量影响

4.1关于谐波对电能计量影响的概述

对于谐波对电能计量影响的研究，普遍都更偏向于谐波对电能表计量的准确度的探讨，这可能会忽略掉计量装置中的电流互感器带来的影响，而谐波对电能计量的影响主要就体现在电流互感器上。在实际的电能计量操作上主要是针对电流互感器转换后的小电流进行的。一旦被计量的电信号波形在转换中发生了变化，那么即使后续的计量再准确也会产生很大误差。综上，谐波的误差可能对谐波功率产生很大影响，从而导致电能计量不准确。

4.2谐波功率误差

图2三相四线计量系统接线

此时电能表计量的基波总功率为:

可以看出，电流互感器比差角差的变化造成功率计算出现偏差，影响电能计量的结果，比差增大或角差正向增大时，多计电量，角差负向增大时，少计电量。

4.3改善谐波对电能表计量影响的对策

首先可以对一次电源做滤波处理，降低电网谐波畸变率；其次对存在有谐波功率的电能计量，可以建议采用把基波功率和谐波功进行分别计量的办法，并且对产生谐波情况比较严重的用户可以采取惩罚制度。这种方法是限制电网系统中的谐波负载的一项积极有效的措施，有利于对谐波源的限控。但这种方式本身也具有局限性，比如制造计量谐波电能表的费用成本比较高，并且在技术上也有较高的难度。

结束语

在电能计量中，电能表一般与电流互感器总是配套使用，本文从理论上通过对谐波及其对电流互感器的传变特性的影响进行了分析，并对由于电流互感器的误差变化对计量的影响进行了研究，得出因为电流互感器非线性特性，谐波会引起电流互感器误差变大，从而会对电能计量造成严重影响的结论。

参考文献：

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[2]段蒙聪.电流互感器非线性特性影响电能计量的研究[D].长春工业大学，2017.

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