分布電容對(duì)電能計(jì)量的影響

肖 冀，程 帆，趙福平

(重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶401123)

0 引言

隨著電力的市場(chǎng)化，電力營(yíng)銷對(duì)電能計(jì)量工作提出了更高的要求。同時(shí)近年來(lái)電力用戶的法律意識(shí)和專業(yè)電氣知識(shí)也在不斷的提高，對(duì)電力公司的一些計(jì)量方式提出了新的見解。筆者在現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)工作中也多次發(fā)現(xiàn)線路處于空載熱備用運(yùn)行狀態(tài)(刀閘合上，開關(guān)斷開)時(shí)，電能表存在著正反向計(jì)量有功電能和線路輕載功率因數(shù)cosφ過(guò)低，導(dǎo)致用戶受罰等現(xiàn)象。由此，供用電雙方的爭(zhēng)議也就出現(xiàn)了。

1 典型案例分析

1.1 案例1:輕載負(fù)荷線路功率因數(shù)cosφ過(guò)低

重慶市長(zhǎng)安福特馬自達(dá)工廠從重慶市電力公司江北供電局茅坪變電站引出兩回110kV茅馬Ⅰ、Ⅱ線路，如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)安福特馬自達(dá)工廠與江北供電局茅坪變電站的接線圖

線路長(zhǎng)度2km，負(fù)載為變壓器及施工基建，有功負(fù)荷極輕。經(jīng)實(shí)測(cè)一次側(cè)電流為3A，二次電流為0.05A(CT變比為300/5)。供電方根據(jù)茅坪變電站貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)安裝的電能表所記錄的有無(wú)功電量計(jì)算出平均功率因數(shù)cosφ=0.5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》中規(guī)定160kVA以上高壓供電工業(yè)用戶功率因率標(biāo)準(zhǔn)0.90的要求，應(yīng)對(duì)該用戶進(jìn)行功率因數(shù)考核。但用戶提出該廠采用就地?zé)o功自動(dòng)補(bǔ)償，監(jiān)控裝置顯示cosφ=0.96，且根據(jù)用戶側(cè)參考計(jì)量點(diǎn)電能表上有無(wú)功電量計(jì)算平均功率因數(shù)同樣為cosφ=0.96，達(dá)到《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》要求，不應(yīng)進(jìn)行功率因率考核。

1.2 案例2:線路熱備用電能表正反向有功進(jìn)字

重慶市電力公司南岸供電局220kV金家?guī)r變電站110kV金重線是該局供重慶發(fā)電廠的專用線路，線路全長(zhǎng)4.5km，該線路作為電廠備用電源，線路長(zhǎng)期處于熱備用運(yùn)行方式。該計(jì)量點(diǎn)安裝的是瑞士蘭吉爾公司的ZMD型0.2S級(jí)三相四線電子式電能表，線損統(tǒng)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)該電能表正反向有功電量都存在進(jìn)字情況，每月累計(jì)數(shù)千度電量。技術(shù)人員在該計(jì)量回路上用萬(wàn)分之五的電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀對(duì)實(shí)際二次電流、有無(wú)功功率、相角進(jìn)行測(cè)量，校驗(yàn)儀均顯示為零，無(wú)向量圖顯示。這一切仿佛是合乎邏輯的，一次線路開關(guān)斷開，二次回路應(yīng)無(wú)電流。但電能表每月又確實(shí)在進(jìn)字，這又難以解釋。最后技術(shù)人員又用筆記本電腦上廠家提供的專用讀表軟件對(duì)電能表的負(fù)荷曲線及相關(guān)信息進(jìn)行解讀，線索終于出現(xiàn)了，電能表二次電流采樣回路有10mA的電流，并且超前相電壓89°～91°。

2 分布電容對(duì)電能計(jì)量的影響

筆者認(rèn)為，電能表在線路熱備用運(yùn)行方式下正反向有功電量都存在進(jìn)字，及輕載負(fù)荷線路功率因數(shù)cosφ過(guò)低均是分布電容的產(chǎn)生及其對(duì)CT、PT、二次回路計(jì)量時(shí)相位角發(fā)生位移造成。

2.1 線路無(wú)功電流的產(chǎn)生與估算

當(dāng)交流電壓加在輸電線路上，在三相導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，在它的作用下，不同相導(dǎo)線之間，以及導(dǎo)線和大地之間會(huì)產(chǎn)生容性電流，形成容性充電功率，如圖2所示。

圖2 輸電線路導(dǎo)線和大地之間電容電流示意圖

線路處于空載熱備用狀態(tài)，若忽略相與相間的電容電流的影響，其產(chǎn)生的電流應(yīng)為對(duì)地的電容電流。其方向應(yīng)為流向合閘側(cè)，其值可按簡(jiǎn)易公式進(jìn)行估算:

式中:U—線路的額定電壓(kV)、L—線路長(zhǎng)度(km)。

對(duì)于典型案例2，110kV金重線由于該專線有架空地線，所以系數(shù)值取3.3，可算出單相對(duì)地電容電流:

該線路 CT變?yōu)?600/5，折算到二次約為13.5mA，與專用讀表軟件讀出電能表取樣電流基本一致。若為電纜輸電線路，則可根據(jù)電纜生產(chǎn)廠提供的電容參數(shù)，計(jì)算出無(wú)功電流。經(jīng)以上分析，典型案例2中的二次回路的微小電流應(yīng)為線路產(chǎn)生的無(wú)功電流。但理論上容性電流只會(huì)引起無(wú)功計(jì)量，有功電能應(yīng)為0，可電能表計(jì)上正反向都存在有功電量，下文將就此問(wèn)題繼續(xù)探討。

2.2 CT對(duì)電能表電流相位的影響

輸電線路上容性無(wú)功電流通過(guò)CT感應(yīng)到二次側(cè)，供電能表進(jìn)行計(jì)量，由于互感器需要激磁電流I0，以供給鐵心激磁并消耗功率，造成了電流互感器的誤差。電流互感器的誤差由比值誤差f1和相位角誤差δI組成。相位角誤差δI是二次電流反向后與一次電流的相角差，當(dāng)前者超前后者δI為正值;反之，滯后時(shí)為負(fù)值。CT相位角誤差應(yīng)按下式計(jì)算:

由(2)可知，當(dāng)CT一次電流 I1越小，I0/I1越大，相位角誤差δI向正方向增大，查閱0.5級(jí)電流互感器歷次檢驗(yàn)報(bào)告，可以看出CT相位角誤差隨電流變化的曲線十分陡峭，當(dāng)一次電流很小時(shí)，二次電流超前一次電流相位差δI甚至可能大于2°。

2.3 PT及PT二次回路對(duì)電能表電壓相位的影響

同理，由于激磁電流和繞組阻抗的存在，電壓互感器二次電壓與一次電壓間也會(huì)產(chǎn)生相位偏移，二次電壓反向后超前一次電壓時(shí)相位角差δu為正，滯后時(shí)為負(fù)。δu由空載相位角誤差與負(fù)載相位角誤差組成，δu的大小與正負(fù)同樣受電壓變化、二次負(fù)載及負(fù)載功率因數(shù)的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)110kV金重線計(jì)量電壓取自110kV母線電壓互感器，且一直工作在額定電壓狀態(tài)，所以δu受電壓變化影響不大。根據(jù)相量分析，δu可能為正值，也可能為負(fù)值。變電站電壓互感器二次出線端與電能表間連有較長(zhǎng)的導(dǎo)線，會(huì)產(chǎn)生電壓降造成電能表輸入端電壓產(chǎn)生相位偏移，對(duì)電能表而言，這部份誤差時(shí)比PT本身的誤差要大得多，產(chǎn)生的相位角誤差為:

式中:rI—導(dǎo)線電阻;B2—PT二次負(fù)載電納。

由上式可知，由PT二次壓降引起的相位差δr與導(dǎo)線電阻及回路負(fù)載電納成正比，導(dǎo)線越長(zhǎng)、負(fù)載功率因數(shù)越低，rI、B2越大，相位差δr越大，一般情況下δr為正值，即電能表輸入端電壓超前于PT二次出口電壓。

2.4 輕載負(fù)荷線路功率因數(shù)cosφ的計(jì)算

案例1中供電側(cè)與用戶側(cè)電能表所記錄功率因數(shù)cosφ不一致的原因分析:電力公司用每月供電側(cè)貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)累計(jì)有無(wú)功電量進(jìn)行平均功率因數(shù)計(jì)算，即

從圖1上分析可以看出，供電側(cè)貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)無(wú)功功率Q應(yīng)為線路上形成的無(wú)功充電功率Q1，加上用戶側(cè)實(shí)際消耗的無(wú)功功率Q2;即Q=Q1+Q2，而用戶側(cè)參考點(diǎn)無(wú)功功率只包含用戶實(shí)際所消耗無(wú)功功率Q2。用戶側(cè)參考點(diǎn)用每月累計(jì)有無(wú)功電量進(jìn)行平均功率因數(shù)計(jì)算，即

輸電線路在空載熱備用及輕載情況下，由于無(wú)功充電功率的存在，WQ=WQ1+WQ2且WQ1＞W(wǎng)Q2。

用實(shí)測(cè)值帶入本文(4)、(5)式，計(jì)算出貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)的cosφ1確實(shí)低于用戶側(cè)參考計(jì)量點(diǎn)cosφ2。根據(jù)以上分析貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)cosφ1，功率因數(shù)偏低是因?yàn)榫€路產(chǎn)生無(wú)功充電功率及有功負(fù)荷過(guò)低造成的，根據(jù)與用戶簽定的供用電合同規(guī)定，貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)設(shè)置在產(chǎn)權(quán)分界處，用戶理應(yīng)承擔(dān)線損電量及線路無(wú)功充電功率導(dǎo)至cosφ低而受罰的責(zé)任。

3 結(jié)論及解決方法

(1)由于CT、PT及PT二次回路壓降對(duì)電能表電流、電壓相位的影響，使空載熱備用線路實(shí)際二次側(cè)電能表計(jì)量功率與一次側(cè)功率不一致，將產(chǎn)生誤差。二次側(cè)電能表計(jì)量功率為:

在三相對(duì)稱的理想情況下，當(dāng)δI-δr±δu＞00時(shí)，P為負(fù)值，有功電能反向計(jì)量。當(dāng)δI-δr±δu＜00時(shí)，P為正值，有功電能正向計(jì)量。當(dāng)δI-δr±δu=00時(shí)，有功電能不計(jì)量。這說(shuō)明了在空載熱備用輸電線路中有功正向走字，反向走字都有可能。

(2)當(dāng)輸電線路上有功負(fù)荷較小時(shí)，因?yàn)榉植茧娙莸目陀^存在而形成的無(wú)功充電功率，將導(dǎo)致用戶cosφ過(guò)低而受罰的情況。

(3)要減小線路充電無(wú)功功率對(duì)電能計(jì)量的影響，必須通過(guò)減小合成相位角誤差，通過(guò)配置0.2S級(jí)電流互感器減小小電流情況下相位誤差，同時(shí)減小PT二次回路負(fù)載，提高二次負(fù)載功率因數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(4)建議電力調(diào)度部門及線路兩側(cè)供用電雙方變電站運(yùn)行人員，記錄好線路空載熱備用運(yùn)行時(shí)的起止有功電量、功率因數(shù)、時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)，并在電量結(jié)算時(shí)將這部分有功電量剔除。

(5)線路帶電后用戶可根據(jù)生產(chǎn)需要及時(shí)增加有功負(fù)荷，防止線路無(wú)功充電功率導(dǎo)致cosφ過(guò)低而受罰的情況。如果用戶是雙回供電線路，線路帶電后，有功負(fù)荷較小，那么用戶可以和供電方協(xié)商，暫時(shí)停用一條線路。這樣全部有功負(fù)荷可以轉(zhuǎn)移到一條線路上來(lái)。停用一條線路后，無(wú)功充電功率減小，cosφ自然提高。

［1］鐘新華.配電網(wǎng)電容電流估算公式的修正［J］.供用電，2004，(1).

［2］劉強(qiáng)，劉永放.空載熱備用輸電線路電能表計(jì)量分析［J］.電測(cè)與儀表，2006，(2).