电气化铁路供电谐波对电能计量的影响研究

唐水莲

摘 要：现阶段，随着经济的发展，各项基础设施的完善，电气化铁路设施的建设也获得了长足的发展。在电气化铁路的日常运行中，单相负荷是主要的牵引负荷。在运行过程中，供电谐波对电能计量的准确度产生了影响。文章对电气化铁路供电谐波对电能计量的影响进行了研究，通过理论分析、试验验证等方式，对电能计量影响的实际情况进行分析，为电气化铁路运输的完善奠定坚实的基础。

关键词：电气化铁路；谐波；电能计量；基波电能表

众所周知，在现阶段电气化铁路的运行过程中，电力牵引的电源由110kV或220kV的双电压电源提供，当电流经过牵引变压器后，变为27.5kV供电力机车直接使用，从而驱动直流电动机，实现交直牵引供电制式。在电力机车的运行过程中，谐波的产生直接与机车的整流装置和方式密切相关，此外，电气化牵引变电所的类型、主变结线方式、接入电网电压等因素也是谐波产生的重要因素。

1 铁路电气牵引用电负荷的特点

其一，单相移动负荷。由于铁路以及供电臂的不同相之间，电能的供应特点具有滑动性，再加上运行过程中换相的随机性，回流线功能由大地和钢轨共同承担。其二，单相冲击负荷。现阶段，铁路运输不断提速，日趋现代化，对于列车质量和运行速度提出了更高的要求，列车运行中的速度、加速度，列车途经线路的坡度、曲率半径以及列车的牵引、制动方式都在发生变化，负荷波动幅度不断增大，牵引用电负荷所承受的瞬时冲击或短时冲击更是不断增加。其三，单相无功负荷。电气化铁路供电运行过程中，整流消耗的无功功率较大，机车变压器存在消耗，接触网消耗严重，大量的无功电流在牵引负荷中产生，导致功率因数不能得到有效提高。其四，单相整流负荷。在电气化铁路的供电运行过程中，由于机车变压器和整流设备的使用，电力才得以在机车多台直流电动机中传递，但是由于整流，产生大量基波电流供给的同时，也造成大量谐波电流的产生，从而产生谐波电压，影响铁路电气牵引的用电负荷。

2 电力系统中谐波问题分析

在电网中，由于整流器、变频调速装置、电弧炉以及其他电子装置的存在，会对供电负荷产生重要影响：如果在电网中正弦电压作用于非线性负荷，电流便会以非正弦波的方式呈现。大量的非正弦波存在于电网中，从而导致电网阻抗，进而导致电网降压，电压波形在被逼迫的情况下发生畸变，产生大量的谐波，进而威胁整个供电网络。首先，谐波的存在，会增加电网系统中元件的损耗，尤其是由于谐波所导致的额外损耗，从而也有损于元件工作效率、输电效率和用电设备效率；其次，由于谐波的存在，电网中的电器设备无法拥有良好的工作环境，无法正常发挥功能，从而导致电机过电压现象的产生，不良机械振动、噪音等问题也是谐波的主要不良影响之一。与此同时，谐波的存在，容易诱发变压器局部过热问题，从而引起电缆、电容器等设备的过热问题，加速设备的绝缘老化，缩短设备的使用寿命；再次，由于谐波的存在，电网中局部并联谐振、局部串联谐振现象长期存在，并进一步扩大谐波的威力，谐波的危害成倍增加，诱发事故的发生。第四，在系统中，由于谐波的存在，通信系统信号质量难以提高，信号不能正常传递，甚至导致通信设备的损坏。

3 电气化铁路供电谐波对电能计量的影响

3.1 电能计量的重要性

电能由于其方便和清洁的原因，已成为人们赖以生活的重要部分，就同其他商品会经历生產、销售和消费三个阶段一样，电能也是一种商品，它同样也会涉及到发电、供电和用电三个阶段，所以也会牵扯到销售和购买的结算问题，此时就需要将电能计量数据作为考量的依据，而且它的准确与合理会关系到相关者的利益和交易的公平。除了相关的经济问题之外，电能计量还会涉及到技术和生产的问题，比如发电量、供电量、用电量以及线损和煤耗的问题。

按照工作原理划分，目前用于电能计量的电能表分为电子式电能表和感应式电能表两类。其中，感应式电能表的准确度等级为0.5-3.0，频率范围为45-55Hz，启动电源为0.003L，过载能力为4倍，功率消耗大，受外磁场的影响也大，而电子式电能表的准确度等级为0.001-2.0，频率范围为40-1000Hz，启动电源为0.001L，过载能力为5-10倍，功率消耗小，受外磁场的影响也小，所以无论从功能还是性能，电子式功能表更加适应现代电力系统的发展和要求。

3.2 电能计量的准确性

谐波功率可分为无功功率和有功功率两类，文章仅研究有功功率，无功功率不在研究范围内，所以本章节的研究目标即为：电能表能否在谐波情况下对流经它的所有有功功率做出准确计量。众所周知，电网负荷主要包括非线性负荷、线性负荷两种[1]。电能表反应电能的公式如下所示：

E=E1+■K■E■

其中，E代表电能表的电能，E1代表电能表的基波电能；El代表电能表的谐波电能；Kl为响应系数。大量实践表明，电子式电能表会受到乘法器时钟与互感器频带的限制而呈现出宽带响应的特性。对于线性负荷，感应式电能表计量的电能比基波电能大，比谐波和基波电能之和小，而电子式电能表所计量的电能等于谐波和基波电能之和；对于非线性负荷，感应式电能表所计量的电能比谐波和基波电能之和大，比基波电能小，而电子式电能表所计量的电能是基波和谐波之差，同样也会比基波电能小。

3.3 电气化铁路谐波对电能计量误差的影响

在我国的电气化铁路中，计量方式采用高供高计的方式。这种方式一改电气化铁路发展初期低压侧设置计量装置的弊端，不合理现象也基本摒除。关于电气化铁路谐波对电能计量误差的影响，文章主要通过试验的方式进行研究。试验中以0°和180°分别标记谐波功率角，以便增加试验的真实性和可靠性，准确得出电能计量过程中的误差情况[2]。在试验过程中，其具体的接线如下图1所示。

在本次试验研究中，所需要的设备包括PQ102C谐波源发生装置、SB2300电能表现场校验仪、红相、科陆基波电能表、FPA-1全功率测试仪、电能质量测试仪。谐波源发生装置在试验中，需要发出基波电压和电流信号，并按照既定的要求释放叠加谐波电压和电流，并承担着改变基波和谐波信号相位的任务。电能表现场校验仪能够对电能表功能、全波电能误差、基波电能误差进行测量。红相和科陆基波电能表用于基波电能和全波电能的测量。全功率测试仪能够精确地对谐波功率和方向进行测试。电能质量测试仪用于对电能质量的监测。通过试验，能够得出电气化铁路谐波对电能计量误差的影响：一方面，基波电能表全波电能测量过程中，全波电能表产生的误差，能够符合国家要求。这样的前提必须是谐波电压和电流相位为0°和180°。另一方面，在这个前提下，基波电能表基波电能计量对基波电能标准表的影响误差也在有效的范围内。此外，关于回路叠加基波的电压和电流信号测定，基波电能表的计量误差为9%，试验结果显示与理论值吻合，也就是说，在谐波影响下，电量的计量要多于实际值。

4 结束语

谐波的存在，对于电网计量准确性和合理性有着重要影响。尤其是，不合理的电能计量对于系统中的线性负荷用户和供电部门造成了巨大的经济损失，为此，在电气化铁路供电系统中，应该对由于谐波造成的不合理计量进行规范，使供电和用电双方达成合理、公平的协议。

参考文献

[1]田华.试述电气化铁路供电谐波对电能计量的影响[J].城市建设理论研究（电子版），2013（23）.

[2]岳国义，段晓波，耿建坡，等.电气化铁路供电谐波对电能计量的影响研究[J].电测与仪表，2009，46（8）：39-43.