曲妍 李本德

【摘 要】本文以諧波、間諧波時頻域特性以及應(yīng)對沖擊性負(fù)荷的措施進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】沖擊性負(fù)荷條件；電能計量方法；技術(shù)

引言

沖擊性負(fù)荷因快速、隨機的功率波功帶來了嚴(yán)重的波形畸變，傳統(tǒng)的電能計量方式在沖擊性負(fù)荷條件下難以準(zhǔn)確計量，為了準(zhǔn)確計量沖擊性負(fù)荷，通過對沖擊性負(fù)荷下諧波特性的分析，從不同計量算法角度對計量誤差展開測試研究，針對傳統(tǒng)諧波電能計量誤差較大的問題，提出沖擊負(fù)荷條件下電能計量誤差補償方案，設(shè)計了電能計量軟硬件方案，為沖擊性負(fù)荷條件下的計量準(zhǔn)確性提供了理論和技術(shù)支撐.

1諧波、間諧波時頻域特性

典型的沖擊性負(fù)荷主要包括電弧爐、軋鋼機、電氣化鐵路等，本研究也將針對選取其中電弧爐的時域和頻域展開分析.

1.1時域特性

沖擊性負(fù)荷因含有大量非線性元件，負(fù)荷波形在時間軸上會呈現(xiàn)出不規(guī)則與隨機變化的特性，從宏觀上來看，其產(chǎn)生的各次諧波的含量會隨機發(fā)生變化，從微觀特性上來看，負(fù)荷波形會呈現(xiàn)出正負(fù)半波不對稱、波形輪廓不規(guī)則、隨機變化等特性.在各種類型的沖擊性負(fù)荷中，以電弧爐產(chǎn)生的波形時變特性最為明顯，特別是電弧爐熔煉初期，其波形的瞬時變化現(xiàn)象極為明顯.電弧爐的運行周期一般分為熔化期、氧化期和還原期3個階段.熔化期的主要任務(wù)是迅速熔化爐料，該階段消耗的電能占整個運行周期的60%70%.電弧是由于熱游離作用而產(chǎn)生一種動態(tài)不穩(wěn)定的放電現(xiàn)象，其電阻及長度主要受爐內(nèi)影響游離作用的運行條件影響.電極與爐料的距離、爐內(nèi)的溫度、爐料的性質(zhì)，甚至爐內(nèi)表面光滑程度等均關(guān)系到電弧燃燒條件.在熔化期電極會對爐料放電，從而產(chǎn)生電弧，電弧點則會根據(jù)最優(yōu)的燃燒條件，從爐料的一個尖端或末梢跳躍到另一個尖端或末梢，頻繁的經(jīng)歷截斷和重燃，會不斷地產(chǎn)生有功和無功沖擊，且電流/電壓波形的變化劇烈，上下半個周期內(nèi)的波形不對稱，波形幅值、相位、頻率在不同周期內(nèi)會出現(xiàn)波動，當(dāng)三相運行工況不平衡時，系統(tǒng)中會出現(xiàn)較大的負(fù)序和零序分量.圖1所示為某一小型鑄鋼廠電弧爐熔化期實錄電流波形.從圖1可以看到，負(fù)荷波形的隨機性變化從穩(wěn)態(tài)諧波角度已經(jīng)難以進(jìn)行分析，對電能計量的準(zhǔn)確性提出了較高的要求，特別在信號采樣端能夠及時跟蹤波形的細(xì)微變化，是準(zhǔn)確計量電能的前提保證.

1.2頻域特性

電弧爐是一種利用氣體電離燃弧時產(chǎn)生的巨大熱量來熔煉金屬的裝置.電弧電阻受弧長、弧柱半徑、弧柱溫度等各種因素的影響，在熔煉過程中由于爐料的轉(zhuǎn)動、熔解、崩塌，電弧電阻呈現(xiàn)出明顯的非線性特性.加上電弧爐供電系統(tǒng)中往往會存在限流電抗器和無功補償裝置，電弧爐供電系統(tǒng)中會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的3、5、7、9次諧波.此外，電流波形的幅值在不同周期內(nèi)會出現(xiàn)較為明顯的波動，存在調(diào)幅波，即波形中除了整次諧波外，還包含有次諧波及間諧波.

2應(yīng)對沖擊性負(fù)荷的措施

在實驗室模擬現(xiàn)場沖擊負(fù)荷試驗中，由于標(biāo)準(zhǔn)電能表準(zhǔn)確性要求在功率穩(wěn)定情況下工作，對于電流沖擊情況下有些標(biāo)準(zhǔn)電能表可能無法正常工作，為了解決此問題，設(shè)計將0.05級標(biāo)準(zhǔn)電能表與被試表計電流串接，通過給被試表電流回路并聯(lián)可控制通斷1個繼電器，模擬測試沖擊性負(fù)荷下電能表的電流變化，進(jìn)行誤差測試。在現(xiàn)場實際進(jìn)行電能表誤差測試過程中，由于某些標(biāo)準(zhǔn)電能表量程有自動切換功能等原因，發(fā)現(xiàn)電能表誤差不能正常顯示且重復(fù)性較差，該方法無法測量沖擊性負(fù)荷對電能表的影響。同樣在現(xiàn)場測試中，用現(xiàn)場校驗儀對電能表進(jìn)行測試，負(fù)荷平穩(wěn)時，電能表均符合等級要求；在軋鋼階段出現(xiàn)沖擊性負(fù)荷時，現(xiàn)場校驗儀本身無法正常工作，不能正常評估電能表誤差。為了分析沖擊性負(fù)荷的影響，可采用母線電量平衡分析方法，即在一定負(fù)荷下，比較處于沖擊性負(fù)荷下的電能表電量和母線平衡電量。數(shù)字采樣式電能表，采樣速度較快，基本可以正確計量沖擊負(fù)荷的電能值。但如果采樣速度較慢，實時性不好，電能表無法滿足計量沖擊負(fù)荷下電能值的需要。在實際運行環(huán)境中，為減少沖擊性負(fù)荷對設(shè)備的影響，應(yīng)減少運行設(shè)備的諧波、沖擊污染，創(chuàng)造清潔電網(wǎng)環(huán)境。對于沖擊性負(fù)荷影響較重的區(qū)域，計量設(shè)備應(yīng)具有壓敏熱敏保護(hù)電路。由于諧波經(jīng)過變壓器后有一定衰弱，會減少諧波污染對計量設(shè)備的影響，因此采用“高供高計”計量方式，能夠減少部分沖擊性負(fù)荷對計量設(shè)備的影響。同時為避免沖擊性負(fù)荷造成低壓電流互感器和電能表長期處于飽和和過負(fù)荷狀態(tài)，應(yīng)使用較大變比的低壓電流互感器，以保證運行安全。

結(jié)語

當(dāng)負(fù)荷波形中含有不同次數(shù)的間諧波分量時，單個周期的電能計算會出現(xiàn)不同程度的失準(zhǔn)，計量誤差會隨著采樣頻率及納入計算的周期數(shù)的增加而逐漸減小，且傅立葉算法與點積和算法的理論精度不同，傅立葉算法因為存在頻譜泄漏現(xiàn)象，會導(dǎo)致能量的損失，誤差會大于點積和算法.針對沖擊性負(fù)荷條件下傳統(tǒng)諧波電能計量方式誤差較大的問題，提出了電能計量誤差補償軟硬件方案，能有效減小沖擊性負(fù)荷條件下產(chǎn)生的諧波計量誤差。

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（作者單位：1國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院；2國網(wǎng)新疆電力有限公司建設(shè)分公司）