三相電子式電能表在線運(yùn)行異常狀況分析

曹建凱，丁 志，周和平

長期以來，安裝在電力用戶的三相電能表由于數(shù)量多、分布廣，出現(xiàn)計(jì)量不準(zhǔn)確問題很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，待日后發(fā)現(xiàn)時(shí)，只能根據(jù)電能表所計(jì)量的電量及用電情況進(jìn)行協(xié)商解決。即便是安裝了自動(dòng)化抄表系統(tǒng)，其用途也僅僅是根據(jù)上傳到主站的電量作為電費(fèi)發(fā)行的依據(jù)。三相電能表出現(xiàn)故障將會(huì)導(dǎo)致電量丟失，直接造成經(jīng)濟(jì)損失，引起線損率波動(dòng)較大。針對(duì)這一問題，對(duì)自動(dòng)化抄表系統(tǒng)功能進(jìn)行了擴(kuò)展。電能表本身采集和計(jì)量的數(shù)據(jù)應(yīng)滿足主站對(duì)電能表設(shè)定的判斷條件所需要的數(shù)據(jù)，從中篩選出運(yùn)行異?；蚬收系碾娔鼙?。

1 GPRS自動(dòng)化抄表系統(tǒng)組建

自動(dòng)化抄表系統(tǒng)有多種方式，現(xiàn)介紹目前已運(yùn)行的一種通過無線GPRS信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。通信網(wǎng)絡(luò)在統(tǒng)一通信規(guī)約的條件下，電能表與數(shù)據(jù)采集通信模塊做成一體化，簡稱為GPRS電能表。電能表一般以銘牌上的資產(chǎn)號(hào)作為數(shù)據(jù)通信地址，通過系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和發(fā)送，在通信過程中不做任何數(shù)據(jù)處理。正常情況下，每個(gè)GPRS電能表通過內(nèi)部安裝的SIM卡登陸網(wǎng)絡(luò)后，通過Internet接入點(diǎn)獲得外部IP地址，并建立起訪問Internet的通道。主站服務(wù)器根據(jù)Internet協(xié)議（TCP/IP）直接獲得具有外部固定IP地址。這樣，主站與GPRS電能表通過無線網(wǎng)絡(luò)就建立起通道并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。GPRS自動(dòng)化抄表系統(tǒng)的組建見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

對(duì)上傳到主站的電能表數(shù)據(jù)，在設(shè)定判斷條件時(shí)，要考慮三相三線制與三相四線制的電能表及計(jì)量裝置所承受的電壓、接線方式、計(jì)算表達(dá)式及故障形式的不同，因此要分別進(jìn)行篩選，下面針對(duì)具體接線方式進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 三相三線制電能表判斷條件

三相三線制電能表通常應(yīng)用在電源中性點(diǎn)不

2.1 三相三線制電能表電壓判斷條件

在10 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，電能計(jì)量通常采用三相三線制電能表，一般采用2個(gè)元件進(jìn)行計(jì)量，第Ⅰ元件所承受的電壓為Uab，流過的電流為Ia，夾角為30°+φ；第Ⅱ元件所承受的電壓為Ucb，流過的電流為Ic，夾角為30°-φ。接線方式見圖2所示。

圖2 三相三線制電能表

對(duì)于10 kV電壓等級(jí)，電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程規(guī)定電壓合格率的標(biāo)準(zhǔn)為額定電壓的±7%，通過電壓互感器反映到二次側(cè)電壓為107～93 V，即定為判斷電壓合格率的標(biāo)準(zhǔn)，考慮大功率設(shè)備的啟停，故，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間在10 h以上，均超出這個(gè)規(guī)定電壓范圍的篩選出來。

10 kV電能計(jì)量裝置在運(yùn)行中因某種原因造成電壓互感器一次鉛絲熔斷，由于電壓鉛絲管結(jié)構(gòu)不同，通過電壓互感器感應(yīng)到二次側(cè)的電壓也不同，例如：A相鉛絲熔斷時(shí)，對(duì)于無填充物的鉛絲管，二次側(cè)的電壓為Uab≈0 V；Ucb=100 V，C相熔斷時(shí)，Uab=100 V；Ucb≈0 V，B相熔斷時(shí)，二次側(cè)的電壓分別為Uab=50 V、Ucb=50 V。

對(duì)于填充石英砂的鉛絲管，當(dāng)A相鉛絲熔斷時(shí)，鉛絲熔斷點(diǎn)的電源側(cè)與填充物石英砂形成極間電容，這樣在二次側(cè)Uab=90 V，這實(shí)質(zhì)是一個(gè)虛幻電壓，Ucb=100 V，C相熔斷時(shí)，二次側(cè)的電壓則與A相鉛絲熔斷時(shí)相反，B相熔斷時(shí)，Uab≈80 V、Ucb≈80 V左右。綜合上述情況，判斷電能表失壓的條件為：Uab或Ucb≤90 V，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間在4 h以上均滿足這個(gè)條件，應(yīng)篩選出來。

2.2 三相三線制電能表電流判斷條件

2.3 三相三線制電能表錯(cuò)誤接線判斷條件

三相三線制電能表的三相功率計(jì)算公式為式

中：Uab、Ucb指線電壓；Ia、Ib指線電流；φa、φc是A相和C相的功率因數(shù)角。

根據(jù)它們的余弦函數(shù)值（x1）和（x2），求解A相功率因數(shù)角φa=arccos（x1）-30°；C 相功率因數(shù)角φc=30°-arccos（x2），考慮A、C相電流互感器的正負(fù)角差及每相負(fù)荷功率因數(shù)角略有差異，故，判斷正確接線方式的條件為φa=±10°=φc，超出這個(gè)范圍就被篩選出來。

世上只有一種英雄主義，即是遭受了不公正的命運(yùn)，認(rèn)清生活本質(zhì)后依然能無畏前行。作為一名老師，我感到慚愧，因?yàn)槲覐乃砩蠈W(xué)到的遠(yuǎn)比我教給他的要多。

3 三相四線制電能表判斷條件

3.1 三相四線制電能表電壓判斷條件

這里提及到的三相四線制電能表，主要是應(yīng)用于低壓0.4 kV側(cè)的電能計(jì)量，電能計(jì)量裝置通常采用Y0/Y0接線方式，見圖3所示。

圖3 三相四線制電能表

對(duì)于低壓三相四線制供電系統(tǒng)，電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程規(guī)定電壓合格率的標(biāo)準(zhǔn)為額定電壓的+7%，-10%。即相電壓合格率為235.4～198 V，同樣考慮大功率設(shè)備的啟停，故，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間在10 h以上均超出這個(gè)范圍的篩選出來。

三相四線制電能表的電壓直接來自電源，當(dāng)電能表任一相電壓斷線時(shí)，對(duì)地電壓均為0值，同時(shí)考慮電壓低于170 V以下時(shí)，電能表不能夠正確計(jì)量。為此，電能表故障電壓選擇為Ugz＜170 V作為判斷條件，當(dāng)滿足這個(gè)條件時(shí)，即被篩選出來。

3.2 三相四線制電能表電流判斷條件

在低壓三相四線制供電系統(tǒng)中動(dòng)力負(fù)荷和照明負(fù)荷是在一起的，導(dǎo)致三相用電負(fù)荷在一般情況下是不平衡的。從電力需求側(cè)用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)中得出，三相中最小的一相負(fù)荷電流Imin與最大電流Imax的比值為Ibz=（Imin/Imax）×100%=75%，以此為依據(jù)，判斷三相電能表或計(jì)量裝置電流運(yùn)行異常的條件為Ibz＜70%，超出這個(gè)范圍的將被篩選出來。設(shè)定這個(gè)條件的目的是判斷電流回路是否有被分流或兩點(diǎn)接地現(xiàn)象。要說明一點(diǎn)的是，各地區(qū)用電負(fù)荷構(gòu)成不盡相同，其定值可以進(jìn)行調(diào)整。

3.3 三相四線制電能表錯(cuò)誤接線判斷條件

三相四線制電能表的三相功率計(jì)算公式為

式中：Ua、Ub、Uc為相電壓；Ia、Ib、Ic為相電流；φa、φb、φc為負(fù)荷功率因數(shù)角。

圖4 電能表計(jì)量380 V電焊機(jī)向量圖

電能表第Ⅰ元件計(jì)量的功率為PI=Ua·Ia·cos（30°-φa），電能表第Ⅱ元件計(jì)量的功率為PII=Ub·Iba·cos（30°+φb），電焊機(jī)本身是一個(gè)電感線圈，功率因數(shù)比較低，當(dāng)cosφb＜0.5時(shí)，φb＞60°，這時(shí)電能表的第Ⅱ計(jì)量元件所計(jì)量的功率就是負(fù)值，與任一相電流極性接反的現(xiàn)象相同，為區(qū)分開這2種情況，判斷設(shè)定條件為：三相中，任一相功率為負(fù)值并連續(xù)運(yùn)行10 h，即被篩選出來。

綜上所述，無論三相三線制或三相四線制的電能表，在進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選時(shí)，都要根據(jù)總有功功率和功率因數(shù)判斷變壓器容量是否過載運(yùn)行，即Se=P/cosφ。在全天24 h中，任一時(shí)刻滿載或過載的變壓器要分別列出。

另外需要說明一點(diǎn)，上述判斷條件最好是在峰、平負(fù)荷時(shí)段進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，否則負(fù)荷在低谷或空載時(shí)，因?qū)Ь€對(duì)地電容和其它耦合雜散電容的影響，電能表其中某一相也會(huì)顯示負(fù)功率，將導(dǎo)致誤判斷。

4 案例分析

通過上述對(duì)三相三線制電能表和三相四線制電能表所制定的篩選條件，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，并已查找出電能計(jì)量裝置運(yùn)行異常情況，如：接線錯(cuò)誤、電壓互感器一次鉛絲熔斷、電流互感器二次側(cè)兩點(diǎn)接地及變比配備不一致等問題。從這些問題中挑選出較為復(fù)雜并具有代表性的3家電力用戶的計(jì)量裝置所出現(xiàn)的異常情況作為案例分析。

（1）案例1

這是一家冶煉制造廠，電能計(jì)量裝置采用高供高計(jì)V/V接線方式，變壓器容量Se=800 kVA，電壓互感器變比Yb=10 000/100（V）電流互感器變比Lb=50/5（A）。電流互感器二次側(cè)運(yùn)行電流Ia=3.25 A；Ic=1.07 A，電流不平衡度Ibd=［（3.25-1.07）/3.25］×100%=67%，被篩選出來。從每月用電量看，這種運(yùn)行狀況已有1年多時(shí)間。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，C相電流互感器變比變大，返回廠家打開檢查發(fā)現(xiàn)，二次線圈匝間有短路現(xiàn)象，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況認(rèn)定，是因諧波電流導(dǎo)致鐵心磁飽和而發(fā)熱所致。

（2）案例2

這是一家制糖廠，電能計(jì)量裝置采用高供高計(jì)V/V接線方式。電能表顯示Uab與Ia之間的余弦夾角值為0.629；Ucb與Ic的余弦夾角值為-0.988。A相與C相的功率因數(shù)角分別為φa=arccos（0.629）-30°=21°；φc=30°-arccos（-0.988）=-141°，因A相與C相的功率因數(shù)角超出規(guī)定范圍，故被篩選出來。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，C相電流極性接反。按照電能計(jì)量規(guī)程計(jì)算的更正系數(shù)，及時(shí)進(jìn)行了電量追補(bǔ)。

（3）案例3

這是一家食品加工廠，電能計(jì)量裝置采用高供低計(jì)Y0/Y0接線方式，數(shù)據(jù)庫檔案的電流互感器變比為30/5。電能表顯示的電流分別為Ia=3.25 A；Ib=3.44 A；Ic=2.12 A。按照判斷條件，最小電流與最大電流的比值Ibz=（Imin/Imax）×100%＜70%，將電流數(shù)據(jù)代入此式中得：Ibz=（2.12/3.44）×100%=61.6%即被篩選出來。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)用電檢查發(fā)現(xiàn)，A相和B相的電流互感器的變比為30/5，而C相電流互感器變比為50/5，并得到及時(shí)處理。

5 小結(jié)

這是一個(gè)縣級(jí)市電力公司，所轄區(qū)的10 kV高壓電力用戶有6 522戶，在自動(dòng)化抄表系統(tǒng)主站中，開發(fā)了對(duì)電能計(jì)量裝置運(yùn)行異?，F(xiàn)象的檢測(cè)功能。至開展這項(xiàng)工作以來，共查找出62戶電能計(jì)量裝置有問題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)共追繳電費(fèi)50多萬元。同時(shí)還開發(fā)了理論線損計(jì)算和實(shí)際線損統(tǒng)計(jì)工作，對(duì)查找電能計(jì)量裝置所出現(xiàn)的問題起到了積極的推動(dòng)作用。

電能表所計(jì)量的電量是電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的一部分，只有保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確才能有效的開展其它方面的工作。通過上述判斷方法，大大提高了電能計(jì)量裝置正確計(jì)量的可靠性，為電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。