METROLOGY TEST TECHNOLOGY & VERIFICATION計量測試與檢定向電氣化鐵道對無功電能計量影響的研究閔永智'，劉禾'， 李曉東'(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州730070;2.安康供電局，陜西安嫌725000)[摘要] 電氣化鐵道為電網(wǎng)注入了大量諧波電流，降低了電網(wǎng)電能質(zhì)最。而目前諧波對無功電能表計量待性影響的研究還不完善。文章在傳統(tǒng)無功功率定義的基礎上,按照C.Budeanu頻域法，給出諧波下非正弦無功功率的定義，并且比較了電氣化鐵道中諧波對目前無功計量兩種電能表的準確度影響，給出了電氣化鐵道中無功電能表的選擇原則。[關鍵詞]電氣化鐵道;諧波;無功;計量[中圖分類號] TM933.3[文獻標識碼] B[文章編號] 1002 -1183 (2009) 03 -0001 -04Study of Influence of Electric Railway on Measurement ofReactive Electric EnergyMIN Yong -zhi', LIU He', LI Xiao - dong'(1. School of Automaion and Elctical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Ankang Supply Bureau)Abstract: In eletrie railway, a vast amount of harmonic current has been injected into electrie grid, and power quality has beenreduced. At present, research of influence of harmonics on measurement performance of reactive electric energy meter is imper-fect. Based on definition of traditional reactive power, definition of nonsinusoidal reactive power is provided according toC Budeanu frequency domain method. Inpluence of electric railway harmonic on two kinds of reactive electrie energy meter in mar-ket is compared. Finally, selection principle of reactive electrie enengy meter in elcetric railway is proposed.Key words; eletric railway; harmonic; reactive power; measurement無功電能的傳輸將直接降低發(fā)電機出力和變壓人系統(tǒng)導致系統(tǒng)電能質(zhì)量惡化。因此電氣化鐵道的無器、線路的有功電能傳送能力，并增加線路、變壓器功電能計量有其特殊性。損耗、降低電壓等，諧波的存在將進一步加劇無功電但目前在諧波環(huán)境下電能計量方面的主要研究工能計量的這些負面作用，諧波還會降低幾乎所有電力作是有功電能的計量，已提出了時域、頻域、轉(zhuǎn)盤阻設備和負載的運行效率、壽命等。此外，無功電能計抗、磁路分析、自制動力矩等分析方法;而針對無功量還通過功率因數(shù)直接影響計費，直接影響負荷預的研究工作還處于探索階段川。測、無功電源規(guī)劃等，是技術經(jīng)濟分析的基礎。因此本文首先給出了電氣化鐵道的諧波特性，然后從無功電能計量非常重要。理論上分析了各種常用無功電能表的移相誤差，并根電氣化鐵道具有牽引重量大、速度快、節(jié)約能據(jù)目前諧波條件下的無功電能計量存在缺陷，給出了源、對環(huán)境污染小等優(yōu)點，電力牽引已成為中國鐵路適宜于電氣化鐵道無功電能計量的方式。發(fā)展的主要方向。但由于電氣化鐵道中電力機車為波1電氣化鐵道 的供電方式及負荷特點動性很大的大功率單相整流負荷，對于三相對稱的電1.1供電方式力系統(tǒng)供電來說，電氣鐵道牽引負荷具有非線性、不電氣化鐵道供電方式主要有:直接供電方式;帶對稱和波動性特點，將產(chǎn)生三相不平衡的諧波電流注回流線的直接供電方式;吸流變壓器(BT) 供電方[收稿日期] 2008 -10 -27[基金項目]甘肅省自然基金( 3ZB082 - B25 -031)蘭州交大科研基金(207110)[作者簡介]閔永智(1975-),男，陜西城固人，講師，博十生，主要從事電氣測試與傳動研究。工業(yè)計量2009年第19 卷第3期可◎計量測試與檢定METROLOGY TEST TECHNOLOGY & VERIFICATION式;自耦變壓器(AT) 供電方式;三相-兩相斯科17特(Scott) 變壓器接線;阻抗匹配平衡變壓器接fuoin(20m)sin(6ot-φ-氣)di =線等。近年來，我國電氣化鐵道多單相接線(多數(shù)為-(1)i(t-氣)di(2)220kV,部分為110kV)和三相V, V接線(110kV)式中: w為角速度，T為電網(wǎng)周期，l 為時間。進行供電。其中單相接線以其容量利用率最高、接線測量時:先通過采樣和A/D轉(zhuǎn)換將電網(wǎng)的模擬簡潔、有利于提速等因索成為優(yōu)先考慮的接線型式，電壓和電流信號采集到微處理器，然后進行離散化處但其負序影響較大，往往需要采用更高電壓等級。當理。這里假設對每個周期的電壓和電流采樣N次，則牽引負荷較重(如高速鐵路)時，負序影響又較大，式(1)離散化得對電力系統(tǒng)供電能力要求較高，一般采用220kV供電[0。Q=六客E uinf(3)1.2 負荷特點式中: un 是第h個電壓采樣值，ig是第k +N/4個由于電力機車的整流調(diào)速裝置采用晶閘管技術，電流采樣值。這樣，只要對電流和電壓進行較高頻率因而運行中的電力機車在吸收電網(wǎng)功率的同時又將產(chǎn)的采樣，就能根據(jù)式(3) 求得無功功率。生高次諧波并將諧波注入電網(wǎng)，嚴重時遠超過國家標移相法在電壓電流諧波含量較低的情況下能達到準規(guī)定的指標。再者,為了減少牽引網(wǎng)單相供電的不較高的準確度，最主要的缺點是在信號頻率變化時會平衡度，雖然電氣化鐵道采取了一些均載措施，但由產(chǎn)生較大的誤差。于各區(qū)段的行車密度不同，運行在每個區(qū)段的機車本2.2積分法身的負荷也不同，造成了負荷的不平衡度經(jīng)常相差數(shù)采用積分法測量無功電能和移相法相似，它的理倍。因此，電氣化鐵道的用電負荷具有非線性、大容論基礎是sinφ=| cosφdφ。 積分法也能實現(xiàn)余弦和正量、三相負荷嚴重不平衡和電壓、電流波形非正弦化弦之間的轉(zhuǎn)換'4。其原理為:同時并存的特點，這是影響電氣化鐵道電能計量準確u(1) =J2Usinwt(4)性的重要因素[)]。i(I) =J2Isin(wt -φ)(5)1.3電能的計量方式電氣化鐵道目前常用的電能計量方式為高供高計M= f() x {u()d}dt .(6)方式，即分別通過電壓和電流互感器(或者帶有互感器的電力計量箱)在牽引變電所的高壓進線側(cè)進行令其中M為中間變量，把式(4)和式(5)分別代入式(6),化簡后可以得到計量。2正弦電路中無功功率的計量M=LUoIoinφ=TQ(7)傳統(tǒng)的無功功率定義都是假定電壓電流不含諧波的情況下，在諧波干擾比較小時有較高的準確度。這Q= OM=≌M(8)里先討論電力系統(tǒng)中電壓電流都是正弦波的理想求出M后就可以求出Q值。下面對式(8)做離散化情況。.處理，設在一個周期內(nèi)對電壓和電流都采樣N次，用無功功率的定義如下:1 (k)表示第h次電流采樣值，U (k) 表示第k次電,Q = UIssinφ(1)壓的采樣值，U (k)'表示u (t)的積分量。則有:式中: Q為無功功率，U。、1。 分別為電壓和電流的有Q=出M=迎M=效值，φ為電壓和電流相位差?；谶@種定義，常用的無功測量方法可以分為移相法和積分法。培x fi(t)x {u(z)dr}dr=2.1移相法(9)移相法測量無功功率的理論基礎是sin =招x 21(k) xU(k)'=|cos (90° -φ) |, 即通過移相來實現(xiàn)正弦余弦之間的轉(zhuǎn)換，其基本的原理如下:紅x El(k)x z U(k)'Q = Ulosinφ =臺“◎◎METROLOGY TEST TECHNOLOGY & VERIFICATION計量測試與檢定積分法在定頻采樣時誤差較大,對此通?？梢园呀泳€方式或者在電壓電流線閣中串接附加電阻或附加式(9)中的U(k)'用[U(k)'+U(k+1)']/2 代替，線圈等以達到無功電能測量的目的，最后通過電磁感能大大減小誤差。應組件來驅(qū)動機械記數(shù)裝置，把電能記錄下來。這3非正弦電路情況下的無 功功率算法樣，非正弦無功電能對它的影響主要體現(xiàn)在兩個正弦電路下的無功功率定義只適用于電壓電流沒方面。有諧波的情況，在電網(wǎng)含有諧波時，它無法區(qū)分基波(1)電磁感應式無功電能表的設計是按基波考慮電壓和電流之間產(chǎn)生的無功功率，同頻次諧波電壓電的，當負載含有諧波時，電能表電壓線圈阻抗和轉(zhuǎn)盤流之間產(chǎn)生的無功功率，以及不同頻率諧波電壓和電阻抗在諧波條件下都會發(fā)生變化，導致電壓工作磁通流之間產(chǎn)生的無功功率。因此必須先對無功功率有個和對應的電流磁通變化，從而影響電能表的計量準明確的定義。確度。非正弦電路無功功率目前還沒有一個完全理想的(2)當存在諧波電壓與電流時，由諧波和基波疊定義，目前最為普遍接受的是ANSI IEEE標準459 -加而成的電壓電流波形發(fā)生畸變，但由于對應鐵心導2000中C. Budeanu提出的頻率分析法，其單相非正弦磁率的非線性，磁通并不能相應地成線性變化。根據(jù)電路無功功率數(shù)學表達式為:電路原理，只有同頻率的電壓和電流相互作用才產(chǎn)生平均功率;根據(jù)電磁感應式電能表工作原理，只有同Q;= 2 UJIsnp。(10)頻率的電壓和電流產(chǎn)生的磁通相互作用才能產(chǎn)生轉(zhuǎn)式中:U。和1分別表示n次諧波電壓和電流的有效矩，畸變的波形通過電磁組件以后，由于磁通不與波值，φ為n次諧波電壓和電流的相角差。形對應變化，導致轉(zhuǎn)矩不能與平均功率成正比而產(chǎn)生僅用式(10)計算非正弦電路的無功功率是不完附加誤差。整的，會產(chǎn)生較大的誤差[)。將這個誤差記為D,且正弦感應式無功電能表在諧波環(huán)境下將因為電定義:壓、電流回路的阻抗變化而產(chǎn)生較小的相位變化。余弦感應式無功電能表在諧波環(huán)境下的理論誤差與不對D°= 2 Z(U.1_cosφ_ - UJIcos$.)”稱誤差分析類似，主要原因是對負序分量不能正確移+ 2 E(.J_sinp. - UJsin,), (11)相，而3k+2 (h為非負整數(shù))次諧波就是負序特性;對于n次諧波電壓U,而言，1.cosφ, 為該次諧波還不能計量零序分量(因為電流不流通)。在忽略諧波阻抗變化的情況下，常用的余弦感應式電能表計量電流的有功分量, Lsind, 為該次諧波電流的無功分的諧波無功絕對誤差最大將達到3倍的諧波視在量，所以式(11)前一項中包含了各次諧波電壓與其功率。它不同次諧波電流的有功分量的乘積，而后一項中則4.2非正弦無功電 能對電子式無功電能計量的影響包含了各次諧波電壓與其它不同次諧波電流的無功分電子式無功電能計量技術的核心是采用電子器件量的乘積。它們都是由于電壓電流的波形畸變后產(chǎn)生及其電路構(gòu)成計量環(huán)節(jié)。與有功計量相比，-般電子的諧波所致，故可將D稱為畸變功率。因為諧波電壓式無功電能表通過對電壓延時一-段時間來計量無功，和諧波電流的頻率不同，由三角函數(shù)的正交性可知,其延時時間基于基波。在諧波環(huán)境下，n次諧波電壓對應的瞬時功率在-一個周期內(nèi)的平均值為零，所以畸將被移相? nx90°，這樣只有4k+1 (1, 5, 9, ..變功率也具有無功功率的特征，它應該是非正弦無功次諧波才被正確移相。電子式電能表計量的諧波無功功率的一-個組成部分。功率計量的絕對誤差最大將達到2倍的諧波視在4非正 弦無功電能對無功電能計量的影響功率[6]。4.1非正弦無功 電能對電磁式無功電能計量的影響而且在對非正弦無功功率的計算- -直采用Q =電磁式無功電能計量的核心元件是基于電磁感應的機械式運動機構(gòu)，且目前的電磁式無功電能計量絕2 U/1.sinφn,三相非正弦電路無功功率依然為各相無大多數(shù)采用跨相法或基于跨相原理研制出專用無功電功功率之代數(shù)和。而未能考慮到使用C. Budeanu 提出能表?？缦酂o功電能表其計量元件的工作原理依然是的無功定義，未計人畸變無功，從而造成了理論上的有功電能計量原理，因此二者的本質(zhì)是相同的，都是偏差。利用有功電能測量原理，通過改變電壓、電流線圈的(下轉(zhuǎn)第10頁)回◎◎計量測試與檢定METROLOGY TEST TECHNOLOGY & VERIFICATION0.45[6與FD-122G6閃爍輻射儀的效果比較0351FD -3025能直接顯示并打印結(jié)果，能提供測量035 f- + FD-3025礦石的品位Q。=x,雖然計算方法存在- -定的問題,唱0i5F一- FD- 122060經(jīng)驗表明，在高品位的礦段顯示礦體邊界劃分過寬,0.05儲量計算過大"。從理論上分析主要原因是該方法實距離/mm際上是給定含量法的變形，而給定含量法代數(shù)精度零圖1 FD-3025 與FD-122G6剖面測量品位對比圄階，誤差較大”。但該儀器也可用1/2或4/5最大值法處理，可做到礦體邊界劃分清楚準確，品位計算合理，比較接近實際情況。在不需要特別精確的生產(chǎn)過2.程中，這一辦法應值得推廣。圖1~圖3是某鈾礦某巷道內(nèi)FD- -3025 與FD一一FD-3025122G6不帶屏條剖面實測品位對比。-■- FD-122G6兩者的測量結(jié)果基本吻合，說明FD -3025通常0.情況下用于鈾礦γ定向測量可行，誤差可控。7結(jié)論綜上所述，F(xiàn)D-3025 的誤差是有規(guī)律的，很好圍2FD-3025與FD-122G6剖面測品位對比圖地認識掌握這些規(guī)律，對于正確客觀地評價該儀器的測量結(jié)果，為礦山生產(chǎn)提供可靠的原始物探資料，進0.15行地質(zhì)儲量評價和開采非常必要。0.1[參考文獻]- FD-122G6[1]章眺，華榮洲，石柏慎.放射性方法勘查[M],北京:原子能出版社，1990.123456789[2] 湯彬.γ測井分層解釋法[M],北京:原子能出版社，1993.圖3 FD-3025 與FD-122G6剖面測量品位對比圍[編輯:鄧茂煥](上接第3頁)功，還能計量各次諧波產(chǎn)生的無功功率。這樣不僅準但使用Budeanu的定義進行無功功率的測量時在確計量了無功功率，還同時分析了各次諧波，方便了硬件.上一般需要高性能的數(shù)字處理芯片如DSP, ARM電能計量的管理。等來支持，測量表計的成本也大幅提高，使其應用受其次，還應修改和制定- - 些相應的無功電能管理到限制。和計費規(guī)范，達到電能管理的科學化、規(guī)范化。實際應用過程中，在電力公司與牽引變電所的各自計量表上反映的最大量差也出現(xiàn)在無功電能計量上面。[1]邱海鋒，周浩.電力系統(tǒng)無功測量方法綜述[J].電測5結(jié)論與儀表，2007. 44 (1): 5-9.無功電能計量在我國過去相當長時間內(nèi)不很受重[2] 盧斌，冉波，朱曉麗，李詢，電鐵計量方式研究及運用[J] .四川電力技術，2006, 29 (5): 40-43.視，無功電能計量技術尚落后于有功電能計量，特別[3]謝婷，李群湛，王月紅.牽引供電網(wǎng)絡諧波分析[J] .四是在電氣化鐵道這種特定環(huán)境下的無功電能計量更加川電力技術，2007, 30 (5): 9-12.滯后，給電力管理部門的管理與計費帶來了極大.[4] 富致超，王倫展，耿心志，積分法測最無功功率的原理麻煩。初探[J] .電測與儀表，2004, 41 (3): 1-2.通過上述分析，建議在電氣化鐵道的無功計量[5]章健栗，鵬輝，賀芳，沈煢.非正弦電路無功功率及其對無時，一般不宜選用感應式無功電能表，也不能選用通功計量的影響[J] .電測與儀表, 2007, 44 (4):9-12常的移相式電子式無功電能表。應當選用考慮諧波影[6]許儀勛，程浩忠，葛乃成，張偉政.諧波對無功電能表計最響的，高準確度多功能電能表,不僅能計量基波的無特性的影響[J] .電網(wǎng)技術，2005505 29 (I6): 56-60.●10.Industrial Measurement 2009 Vol.19 No.3