摘要：电气化铁路具有节能、高速等优点，在我国得到了迅速发展和广泛应用。与此同时,作为一个典型的电力系统谐波源负载,电气化铁路将不可避免地产生大量的谐波在操作的过程中,这将影响电网的安全经济运行,并使能量测量变得不准确,所以线性用户和供电部门承担一定的经济损失。因此，量化谐波条件下的功率测量损耗，提出切实可行的措施，以提高功率测量的精度和电费的合理性，具有十分重要的意义。
关键词：电气化铁路；谐波；电能计量；基波电能表；
现阶段，随着经济的发展和基础设施的完善，电气化铁路设施建设也取得了长足的发展。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，电源谐波影响能量测量的精度。
一、我国铁路电气牵引用电负荷的特点
1.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。
2.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。
3.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。
4.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。
二、电力系统中谐波问题及研究现状
由于电网中整流器、变频调速装置、电弧炉以及各种电力电子装置等非线性负荷的存在，当正弦电压施加在这些非线性负荷上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，从而使电压波形也产生畸变，变为非正弦波。谐波对公用电网及其它电力系统的危害有以下几个方面：（1）谐波使公用电网中元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电和用电设备的效率；（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。使电机产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热；还会使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏；（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，增加了上述危害，并可能引起严重事故；（4）谐波会干扰通信系统、降低信号传播质量，破坏信号正常传递，甚至损坏通信设备。由于谐波在电力系统中的普遍存在，谐波所造成的危害日趋严重，世界各国都对谐波问题予以充分的重视。目前，有关谐波问题的研究大致可以划分为以下几个方面：（1）与谐波有关的功率的定义和功率理论的研究；（2）谐波分析及谐波影响和危害的研究；（3）谐波的抑制和补偿；（4）与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究。
三、电气化铁路供电谐波对电能计量的影响
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产、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。
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。电能表反应电能的公式如下所示：
其中，E代表电能表的电能，E 1代表电能表的基波电能；E l代表电能表的谐波电能；K l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.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。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。 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.加强谐波检测及治理。(1)加强对电气化铁路负荷谐波的监测力度供电部门通过建立谐波在线监测平台，对变电所各级电压母线的谐波电压畸变率、公用馈线谐波电流含有率及谐波源用户注入PCC点的谐波电流应定期测试，据此评估电力客户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。(2)安装滤波装置。在谐波含量较高的牵引变电所安装滤波装置，能有效减少注入电网的谐波，是提高电能计量准确度的有效途径。但是实现功能越复杂，维护就越困难，造价也越高，需要根据实际的情况综合考虑选择较为合适的滤波装置。
总之，谐波的存在对电网测量的精度和合理性有着重要的影响。特别是不合理的电能计量给系统中线性负荷用户和供电部门造成了巨大的经济损失。因此，在电气化铁路供电系统中，应规范谐波引起的不合理测量，使供电和用电量达到合理、公平的协议。
参考文献
[1]张华.试述电气化铁路供电谐波对电能计量的影响.2017.
[2]岳波，.浅谈电气化铁路供电谐波对电能计量的影响.2017.
论文作者:李程,付永强
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/18
标签：谐波论文; 电能论文; 基波论文; 电气化铁路论文; 电能表论文; 负荷论文; 功率论文; 《电力设备》2019年第9期论文;