METROLOGY TEST TECHNOLOGY & VERIFICATION計(jì)量測(cè)試與檢定向電氣化鐵道對(duì)無功電能計(jì)量影響的研究閔永智'，劉禾'， 李曉東'(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)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(duì)無功電能表計(jì)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(chǔ)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(duì)目前無功計(jì)量?jī)煞N電能表的準(zhǔn)確度影響，給出了電氣化鐵道中無功電能表的選擇原則。[關(guān)鍵詞]電氣化鐵道;諧波;無功;計(jì)量[中圖分類號(hào)] TM933.3[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] B[文章編號(hào)] 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(jī)出力和變壓人系統(tǒng)導(dǎo)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(jì)量有其特殊性。損耗、降低電壓等，諧波的存在將進(jìn)一步加劇無功電但目前在諧波環(huán)境下電能計(jì)量方面的主要研究工能計(jì)量的這些負(fù)面作用，諧波還會(huì)降低幾乎所有電力作是有功電能的計(jì)量，已提出了時(shí)域、頻域、轉(zhuǎn)盤阻設(shè)備和負(fù)載的運(yùn)行效率、壽命等。此外，無功電能計(jì)抗、磁路分析、自制動(dòng)力矩等分析方法;而針對(duì)無功量還通過功率因數(shù)直接影響計(jì)費(fèi)，直接影響負(fù)荷預(yù)的研究工作還處于探索階段川。測(cè)、無功電源規(guī)劃等，是技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的基礎(chǔ)。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(jì)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(jì)量存在缺陷，給出了源、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，電力牽引已成為中國(guó)鐵路適宜于電氣化鐵道無功電能計(jì)量的方式。發(fā)展的主要方向。但由于電氣化鐵道中電力機(jī)車為波1電氣化鐵道 的供電方式及負(fù)荷特點(diǎn)動(dòng)性很大的大功率單相整流負(fù)荷，對(duì)于三相對(duì)稱的電1.1供電方式力系統(tǒng)供電來說，電氣鐵道牽引負(fù)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(duì)稱和波動(dòng)性特點(diǎn)，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(xiàng)目]甘肅省自然基金( 3ZB082 - B25 -031)蘭州交大科研基金(207110)[作者簡(jiǎn)介]閔永智(1975-),男，陜西城固人，講師，博十生，主要從事電氣測(cè)試與傳動(dòng)研究。工業(yè)計(jì)量2009年第19 卷第3期可◎計(jì)量測(cè)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(guó)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(shí)間。進(jìn)行供電。其中單相接線以其容量利用率最高、接線測(cè)量時(shí):先通過采樣和A/D轉(zhuǎn)換將電網(wǎng)的模擬簡(jiǎn)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(hào)采集到微處理器，然后進(jìn)行離散化處但其負(fù)序影響較大，往往需要采用更高電壓等級(jí)。當(dāng)理。這里假設(shè)對(duì)每個(gè)周期的電壓和電流采樣N次，則牽引負(fù)荷較重(如高速鐵路)時(shí)，負(fù)序影響又較大，式(1)離散化得對(duì)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(fù)荷特點(diǎn)式中: un 是第h個(gè)電壓采樣值，ig是第k +N/4個(gè)由于電力機(jī)車的整流調(diào)速裝置采用晶閘管技術(shù)，電流采樣值。這樣，只要對(duì)電流和電壓進(jìn)行較高頻率因而運(yùn)行中的電力機(jī)車在吸收電網(wǎng)功率的同時(shí)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(yán)重時(shí)遠(yuǎn)超過國(guó)家標(biāo)移相法在電壓電流諧波含量較低的情況下能達(dá)到準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)。再者,為了減少牽引網(wǎng)單相供電的不較高的準(zhǔn)確度，最主要的缺點(diǎn)是在信號(hào)頻率變化時(shí)會(huì)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(yùn)行在每個(gè)區(qū)段的機(jī)車本2.2積分法身的負(fù)荷也不同，造成了負(fù)荷的不平衡度經(jīng)常相差數(shù)采用積分法測(cè)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(fù)荷具有非線性、大容論基礎(chǔ)是sinφ=| cosφdφ。 積分法也能實(shí)現(xiàn)余弦和正量、三相負(fù)荷嚴(yán)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(shí)并存的特點(diǎn)，這是影響電氣化鐵道電能計(jì)量準(zhǔn)確u(1) =J2Usinwt(4)性的重要因素[)]。i(I) =J2Isin(wt -φ)(5)1.3電能的計(jì)量方式電氣化鐵道目前常用的電能計(jì)量方式為高供高計(jì)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(jì)量箱)在牽引變電所的高壓進(jìn)線側(cè)進(jìn)行令其中M為中間變量，把式(4)和式(5)分別代入式(6),化簡(jiǎn)后可以得到計(jì)量。2正弦電路中無功功率的計(jì)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(shí)有較高的準(zhǔn)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(duì)式(8)做離散化情況。.處理，設(shè)在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)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(cè)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(cè)量無功功率的理論基礎(chǔ)是sin =招x 21(k) xU(k)'=|cos (90° -φ) |, 即通過移相來實(shí)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(tái)“◎◎METROLOGY TEST TECHNOLOGY & VERIFICATION計(jì)量測(cè)試與檢定積分法在定頻采樣時(shí)誤差較大,對(duì)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(dá)到無功電能測(cè)量的目的，最后通過電磁感能大大減小誤差。應(yīng)組件來驅(qū)動(dòng)機(jī)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(duì)它的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)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(shí)，它無法區(qū)分基波(1)電磁感應(yīng)式無功電能表的設(shè)計(jì)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(dāng)負(fù)載含有諧波時(shí)，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(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電壓工作磁通流之間產(chǎn)生的無功功率。因此必須先對(duì)無功功率有個(gè)和對(duì)應(yīng)的電流磁通變化，從而影響電能表的計(jì)量準(zhǔn)明確的定義。確度。非正弦電路無功功率目前還沒有一個(gè)完全理想的(2)當(dāng)存在諧波電壓與電流時(shí)，由諧波和基波疊定義，目前最為普遍接受的是ANSI IEEE標(biāo)準(zhǔn)459 -加而成的電壓電流波形發(fā)生畸變，但由于對(duì)應(yīng)鐵心導(dǎo)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(yīng)地成線性變化。根據(jù)電路無功功率數(shù)學(xué)表達(dá)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(yīng)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(duì)應(yīng)變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩不能與平均功率成正比而產(chǎn)生僅用式(10)計(jì)算非正弦電路的無功功率是不完附加誤差。整的，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差[)。將這個(gè)誤差記為D,且正弦感應(yīng)式無功電能表在諧波環(huán)境下將因?yàn)殡姸x: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(yīng)式無功電能表在諧波環(huán)境下的理論誤差與不對(duì)D°= 2 Z(U.1_cosφ_ - UJIcos$.)”稱誤差分析類似，主要原因是對(duì)負(fù)序分量不能正確移+ 2 E(.J_sinp. - UJsin,), (11)相，而3k+2 (h為非負(fù)整數(shù))次諧波就是負(fù)序特性;對(duì)于n次諧波電壓U,而言，1.cosφ, 為該次諧波還不能計(jì)量零序分量(因?yàn)殡娏鞑涣魍?。在忽略諧波阻抗變化的情況下，常用的余弦感應(yīng)式電能表計(jì)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(duì)誤差最大將達(dá)到3倍的諧波視在量，所以式(11)前一項(xiàng)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(xiàng)中則4.2非正弦無功電 能對(duì)電子式無功電能計(jì)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(jì)量技術(shù)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(jì)量環(huán)節(jié)。與有功計(jì)量相比，-般電子的諧波所致，故可將D稱為畸變功率。因?yàn)橹C波電壓式無功電能表通過對(duì)電壓延時(shí)一-段時(shí)間來計(jì)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(shí)時(shí)間基于基波。在諧波環(huán)境下，n次諧波電壓對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)功率在-一個(gè)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(yīng)該是非正弦無功次諧波才被正確移相。電子式電能表計(jì)量的諧波無功功率的一-個(gè)組成部分。功率計(jì)量的絕對(duì)誤差最大將達(dá)到2倍的諧波視在4非正 弦無功電能對(duì)無功電能計(jì)量的影響功率[6]。4.1非正弦無功 電能對(duì)電磁式無功電能計(jì)量的影響而且在對(duì)非正弦無功功率的計(jì)算- -直采用Q =電磁式無功電能計(jì)量的核心元件是基于電磁感應(yīng)的機(jī)械式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，且目前的電磁式無功電能計(jì)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(jì)量元件的工作原理依然是的無功定義，未計(jì)人畸變無功，從而造成了理論上的有功電能計(jì)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(cè)量原理，通過改變電壓、電流線圈的(下轉(zhuǎn)第10頁(yè))回◎◎計(jì)量測(cè)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(cè)量035 f- + FD-3025礦石的品位Q。=x,雖然計(jì)算方法存在- -定的問題,唱0i5F一- FD- 122060經(jīng)驗(yàn)表明，在高品位的礦段顯示礦體邊界劃分過寬,0.05儲(chǔ)量計(jì)算過大"。從理論上分析主要原因是該方法實(shí)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(cè)量品位對(duì)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(zhǔn)確，品位計(jì)算合理，比較接近實(shí)際情況。在不需要特別精確的生產(chǎn)過2.程中，這一辦法應(yīng)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(shí)測(cè)品位對(duì)比。-■- FD-122G6兩者的測(cè)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(cè)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(cè)品位對(duì)比圖地認(rèn)識(shí)掌握這些規(guī)律，對(duì)于正確客觀地評(píng)價(jià)該儀器的測(cè)量結(jié)果，為礦山生產(chǎn)提供可靠的原始物探資料，進(jìn)0.15行地質(zhì)儲(chǔ)量評(píng)價(jià)和開采非常必要。0.1[參考文獻(xiàn)]- 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(cè)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(cè)量品位對(duì)比圍[編輯:鄧茂煥](上接第3頁(yè))功，還能計(jì)量各次諧波產(chǎn)生的無功功率。這樣不僅準(zhǔn)但使用Budeanu的定義進(jìn)行無功功率的測(cè)量時(shí)在確計(jì)量了無功功率，還同時(shí)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(jì)量的管理。等來支持，測(cè)量表計(jì)的成本也大幅提高，使其應(yīng)用受其次，還應(yīng)修改和制定- - 些相應(yīng)的無功電能管理到限制。和計(jì)費(fèi)規(guī)范，達(dá)到電能管理的科學(xué)化、規(guī)范化。實(shí)際應(yīng)用過程中，在電力公司與牽引變電所的各自計(jì)量表上反映的最大量差也出現(xiàn)在無功電能計(jì)量上面。[1]邱海鋒，周浩.電力系統(tǒng)無功測(cè)量方法綜述[J].電測(cè)5結(jié)論與儀表，2007. 44 (1): 5-9.無功電能計(jì)量在我國(guó)過去相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不很受重[2] 盧斌，冉波，朱曉麗，李詢，電鐵計(jì)量方式研究及運(yùn)用[J] .四川電力技術(shù)，2006, 29 (5): 40-43.視，無功電能計(jì)量技術(shù)尚落后于有功電能計(jì)量，特別[3]謝婷，李群湛，王月紅.牽引供電網(wǎng)絡(luò)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(jì)量更加川電力技術(shù)，2007, 30 (5): 9-12.滯后，給電力管理部門的管理與計(jì)費(fèi)帶來了極大.[4] 富致超，王倫展，耿心志，積分法測(cè)最無功功率的原理麻煩。初探[J] .電測(cè)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(jì)量[5]章健栗，鵬輝，賀芳，沈煢.非正弦電路無功功率及其對(duì)無時(shí)，一般不宜選用感應(yīng)式無功電能表，也不能選用通功計(jì)量的影響[J] .電測(cè)與儀表, 2007, 44 (4):9-12常的移相式電子式無功電能表。應(yīng)當(dāng)選用考慮諧波影[6]許儀勛，程浩忠，葛乃成，張偉政.諧波對(duì)無功電能表計(jì)最響的，高準(zhǔn)確度多功能電能表,不僅能計(jì)量基波的無特性的影響[J] .電網(wǎng)技術(shù)，2005505 29 (I6): 56-60.●10.Industrial Measurement 2009 Vol.19 No.3