电能计量知识基础

电能计量基础知识主讲人：申海波一相电压和线电压三二四主要培训内容相电流和线电流地线和零线的区别及工作原理电能计量用功率的简介五无功功率是无用的吗？六四象限电能简介七功率因数及无功补偿简介八谐波的产生及常见的危害线电压和相电压火线和零线间的电压为220伏，称为“线电压”；而两根火线间的电压为380伏，称为“相电压”。可以这样理解：1、三相电——发电机中三个固定线圈，它们在磁场中运动相应产生三个感应电压，而且每个电压的相角相差120度，这就是日常所谓的ABC三相；2、发电机的三相电输出接法若采用“三相四线制星形接法”，就会有一根零线和三条相线；ACBNZAZBZC负载星形接法示意图线电压和线电流4、线电压、电流——相线与相线之间的电压称为线电压（例如AB相线之间的电压，一般为380V），相线与相线之间形成回路所产生的电流称线电流相电压，相电流——相线与零线之间的电压称相电压（一般为220V），相线与零线之间形成回路所产生的电流为相电流相电压是各个相与地的电压。线电压是相与相的电压，就三相四线制的380伏、相电压是220伏，线电压是380伏。两个是1.732的关系地线和零线及区别3、零线——变压器低压侧一般采用Y型接法，中性点用导线与大地相连，同时在中性点拉出一条导线，该导线便是零线。零线的好处是把中性点的电位保持为零电位，使相线（A、B、C相拉出的导线）与零线之间的电压保持相对稳定，有利于用户电器使用。零线是电源的回路，当然它在变压器附近接地，如果接地不好可能带电。地线是单独接地，它不是电源回路，是保护线，单根与地同电位，也就是零电位。家里应该是单相三线制，就是火线、零线、地线。1、结构的区别：零线（N）：从变压器中性点接地后引出主干线。地线（PE）：从变压器中性点接地后引出主干线，根据标准，每间隔20-30米重复接地。地线和零线工作原理不同2、原理的区别：零线（N）：主要应用于工作回路，零线所产生的电压等于线阻乘以工作回路的电流。由于长距离的传输，零线产生的电压就不可忽视，作为保护人身安全的措施就变得不可靠。地线（PE）：不用于工作回路，只作为保护线。利用大地的绝对“0”电压，当设备外壳发生漏电，电流会迅速流入大地，即使发生PE线有开路的情况，也会从附近的接地体流入大地。有功功率在交流电路中，由电源供给负载功率有两种：其中一种是有功功率。即交流电力系统需要电源供给两部分能量，一部分将用于作功而被消耗掉，这部分电能将转换为其他形式能量（机械能、光能、热能或化学能）的电功率，我们称为“有功功率”，在电力系统负载中，只有电阻才消耗有功功率。即有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率。比如：5.5千瓦的电动机就是把5.5千瓦的电能转换为机械能，带动水泵抽水或脱粒机脱粒；各种照明设备将电能转换为光能，供人们生活和工作照明。有功功率的符号用P表示，单位有瓦（W）、千瓦（KW）、兆瓦（MW）。无功功率那么另一种就是无功功率。无功功率比较抽象，这一部分能量是用来建立磁场，交换能量使用的。它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。对于外部电路它并没有作功，由电能转换为磁能，再由磁能转换为电能，周而复始，并没有消耗，这部分能量我们称为“无功功率”，无功是相对于有功而言，不能说无功是无用之功，没有这部分功率，就不能建立感应磁场，电动机、变压器等设备就不能运转，凡是有电磁线圈的电气设备，都需要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率（镇流器也需消耗一部分有功功率）来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏（Var）或千乏（kVar）在电力系统中，电感元件是消耗无功功率的。。三相对称负载电路功率功率因数三角形视在功率（S）、有功功率（P）及无功功率（Q）之间的关系，可以用功率三角形来表示，如下图所示。它是一个直角三角形，两直角边分别为Q与P，斜边为S。S与P之间的夹角Ф为功率因数角，它反映了该交流电路中电压与电流之间的相位差（角）。由功率三角形推得以下公式

三相交流电路中的功率计算

对于三相对称负载来说，不论是Y形接法还是△形接法，其功率的计算均可按下式进行：

无功功率是无用的吗？无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机的转子磁场就是靠从电源取得无用功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。为了形象地说明问题，现举一个例子：农村修水利需要挖土方运土，运土时用竹筐装满土，挑走的土好比是有功功率，挑空竹筐就好比是无功功率，竹筐并不是没用，没有竹筐泥土怎么运到堤上呢？在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。智能电能表具有的双向计量功能1、功率方向的定义正向有功，是电网向用户送电，用户用电，+P表示。反向有功，是用户向电网送电，用户发电，-P表示。输入有功+P输出有功-P输入无功+Q输出无功-Q有功和无功功率的方向示意图1）输入有功率2）输出有功率3）输入无功功率正向无功，是电网向用户输送无功功率，用户吸收无功，+Q表示。4）输出无功功率反向无功，是用户向电网输送无功功率，-Q表示。四象限电能计量四象限电能浅析一

其实电能表的正、反向是与电能的受（送）相关的，一般用户接受系统的电能，叫正向，用户内部发电向系统送电，叫反向；1、当系统向用户输送有功和无功时，电能表工作在第Ⅰ象限，电能表显示有功是正值，无功也是正值；这最常见的一种方式，大部分用户也都是这种方式；2、当系统向用户输送无功，用户向系统反送有功时，电能表工作在第Ⅱ象限，电能表显示有功是负值，无功是正值；有些自发电的用户在有功电能发的多的情况下，可能有有功电能向网上送的情况；四象限电能浅析二3、当用户向系统反送有功和无功时，电能表工作在第Ⅲ象限，电能表显示有功是负值，无功也是负值；有些自发电的用户在内部没有负荷时，出现和专业电厂一样，有功和无功全部向网上输送；4、当系统向用户输送有功，用户向系统反送无功时，电能表工作在第Ⅳ象限，电能表显示有功是正值，无功是负值；说明该用户在从网上取有功，但内部电容器等投多了，向网上输送无功；无功补偿基础知识无功分类感性无功：电流矢量滞后于电压矢量90°

如电动机、变压器、晶闸管变流设备等容性无功：电流矢量超前于电压矢量90°

如电容器、电缆输配电线路等什么是功率因数一

实际供用电系统中的电力负荷并不是纯感性或纯容性的，是既有电感或电容、又有电阻的负载。这种负载的电压和电流的相量之间存在着一定的相位差，相位角的余弦cosφ称为功率因数，又称力率。它是有功功率与视在功率之比。三相功率因数的计算公式为：

什么是功率因数二

式中：cosφ—功率因数

P—有功功率，KWQ—无功功率，KvarS—视在功率，KVA功率因数通常分为自然功率因数、瞬时功率因数和平均功率因数三种。在三相对称电路中，各相电压、电流为对称，功率因数也相同。那么三相电路总的功率因数就等于各相的功率因数。什么是无功补偿

电力系统中，不但有功功率要平衡，无功功率也要平衡。有功功率、无功功率、视在功率之间的相量关系如图一由式cosφ=P/S可知，在一定的有功功率下，功率因数cosφ越小，所需的无功功率越大。为满足用电的要求，供电线路和变压器的容量就需要增加。这样，不仅要增加供电投资、降低设备利用率，也将增加线路损耗。为了提高电网的经济运行效率，根据电网中的无功类型，人为的补偿容性无功或感性无功来抵消线路的无功功率。

无功补偿基础知识：

在交流电网中，如负载是纯电阻，电压和电流是同相位，那么电压和电流的乘积就是有功功率，但在有电感或电容的电路中，电压和电流有着相位差，所以电压和电流的乘积并不是负载电路实际吸收的电功率，而是表面上的数值，叫做视在功率，用字母S表示。通常视在功率的单位用千伏安，用字母kVA表示。有功功率与视在功率的比值就是功率因数，用COSφ表示，它是没有单位的。

cosφ＝P/S（％）

无功补偿基础知识

根据全国用电规定，在电网高峰负荷时，用户的功率因数应达到的标准：高压用电的工业用户和高压用电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为0.9以上，其它用户，100kVA及以上电力用户和大中型电力排灌站，功率因数为0.85以上；农业用电功率因数为0.80以上。凡功率因数达不到上述规定的用户，供电部门会在其用户使用电费的基础上，按一定比例对其进行罚款。所以，需要提高用户的功率因数，必须进行无功补偿。无功补偿的作用1．提高电压质量把线路中电流分为有功电流Ia和无功电流Ir，则线路中的电压损失:

式中：P—有功功率，KW Q—无功功率，Kvar U—额定电压，KVR—线路总电阻，Ω Xl—线路感抗，Ω

因此，提高功率因数后可减少线路上传输的无功功率Q，若保持有功功率不变，而R、Xl均为定值，无功功率Q越小，电压损失越小，从而提高了电压质量。无功补偿的作用2．减少用户电费支出（1）可避免因功率因数低于规定值而受罚。（2）电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工作的，他们在能量转换过程中建立交变的磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。电源能量在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅在负荷与电源之间往复交换，在三相之间流动，由于这种交换功率不对外做功，因此为无功功率。可减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，电费可相应降低。无功补偿的作用3提高电力网传输能力有功功率与视在功率的关系式为：

P=Scosφ

可见，在传输一定有功功率的条件下，功率因数越高，需要电网传输的功率越小。

无功补偿基础知识3、无功补偿的原理和方法把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷，并联接在同一电路；当容性负载释放能量时，感性负荷吸收能量；而当感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量；能量在两种负荷之间交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率，可以从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本。

无功补偿基础知识

无功功率补偿的方法很多，以采用电力电容器或采用具有容性负荷的装置进行补偿比较多。这里，重点介绍电力电容器的补偿方法。电力电容器的补偿，有两种方法：并联补偿和串联补偿。

无功补偿基础知识

串联补偿：是把电容器直接串联到高压输电线路上，以改善输电线路参数，降低电压损失，提高其输送能力，降低线路损耗。这种补偿方法的电容器称做串联电容器，应用于高压远距离输电线路上，应用比较少。

无功补偿基础知识

并联补偿：是把电容器直接与被补偿设备并联连接到同一电路上，以提高功率因数。这种补偿方法所用的电容器称作并联电容器，用电企业都是采用这种补偿方法。电容器的补偿形式，以无功就地平衡为原则。

电网谐波的危害谐波的基本概念与定义谐波次数必须为正整数如我国电力系统的标称频率F（也称为工业频率，简称工频）为50Hz，则基波为50Hz，2次谐波为100Hz，3次谐波为150Hz，5次谐波为250Hz等。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为2≤n≤40。

国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。

一、谐波定义电网谐波来自于3个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。二、谐波的产生

其中用电设备产生的谐波最多。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。二、谐波的产生在用电设备中，下面一些设备都能产生谐波。

1、晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。二、谐波的产生

2、变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。

3、电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是27次的谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达45%。二、谐波的产生

4、气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。

5、家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。二、谐波的产生电网谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障，情况日趋严重。谐波的危害电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面：三、谐波的危害1.对供配电线路的危害

（1）影响线路的稳定运行——供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，它们容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。

（2）影响电网的质量——电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，从而降低电网电压，浪费电网的容量。三、谐波的危害2.对电力设备的危害

（1）对电力电容器的危害——当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

（2）对电力变压器的危害——谐波使变压器的铜耗增大，谐波还使变压器的铁耗增大。由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，有时还发出金属声。

（3）对电力电缆的危害——由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。三、谐波的危害3.对用电设备的危害

（1）对电动机的危害——谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。

（2）对低压开关设备的危害——全电磁型的断路器；热磁型的断路器；电子型的断路器，都可能因谐波产生误动作。

三、谐波的危害4.谐波对人体有影响——从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位（请看注释）基础上发生快速电位波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。三、谐波的危害

静息电位示意图

静息电位注释静息电位指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差膜内的电位较膜外低几乎所有的动植物细胞的静息电位膜内均较膜外低，若规定膜外电位为零，则膜内电位即为负值。大多数细胞的静息电位在-10~-100mV之间。5.影响电力测量的准确性－特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。三、谐波的危害

（1）从工作方式和误差特性分析可知，电磁感应式电能表是以基波为参比条件进行设计制造，只能在基波情况下准确地记录负载消耗的有功电能；在谐波存在时，由于不能实现将多个不同频率的正弦电压和电流产生的机械转矩相叠加，因此不能准确记录负载