三相電能表在線運行異常情況的判斷

潘英吉，毛天舒，周和平

（1.吉林供電公司，吉林吉林132001；2.華立儀表集團(tuán)股份有限公司，杭州310023）

三相電能表在線運行異常情況的判斷

潘英吉1，毛天舒1，周和平2

（1.吉林供電公司，吉林吉林132001；2.華立儀表集團(tuán)股份有限公司，杭州310023）

對安裝在電力用戶處的電能表運行狀況進(jìn)行自動巡檢，一直是電能儀表計量工作中未能有效解決的課題。通過開發(fā)數(shù)據(jù)篩選軟件，利用自動化抄表系統(tǒng)，將電能表計量的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡?，主站根?jù)三相電能表正確接線方式下的運行參數(shù)范圍對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，從中找出故障電能表，即可及時發(fā)現(xiàn)問題并及時處理。利用數(shù)據(jù)篩選的方法，解決了多年來依靠人工到現(xiàn)場檢查用電方式的弊端，保證了在線運行電能表的正確計量。

三相電能表；運行異常；判斷條件；實例

0 引言

根據(jù)電力公司的需求側(cè)統(tǒng)計，全年有65%以上的售電量是通過10 kV線路輸送的，因此三相電能表計量的正確與否對供電公司十分重要。由于10 kV線路所帶的電力用戶多、分布廣，電能計量裝置或電能表出現(xiàn)問題時很難被及時發(fā)現(xiàn)，特別是一些異?，F(xiàn)象并不清晰，又容易被忽視，最終將導(dǎo)致電量丟失，即便日后發(fā)現(xiàn)，也容易在追繳電費問題上與用戶產(chǎn)生糾紛。

通過開發(fā)數(shù)據(jù)篩選軟件，利用自動化抄表系統(tǒng)將沿線各電力用戶的電能表運行數(shù)據(jù)上傳到主站，主站通過設(shè)定的條件對其數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，判斷三相電能表運行是否有異常，可查找出運行異常的電能表。

10 kV電力用戶的電能計量有2種方式，一種是在變壓器10 kV側(cè)計量，即高供高計，電能計量裝置一般采用V/V接線方式，通過三相三線制電能表進(jìn)行計量；另一種是在變壓器0.4 kV側(cè)計量，即高供低計，通過電流互感器接入三相四線制電能表進(jìn)行計量。由于計量方式和接線方式不同，其判斷條件也有所不同，本文將對此進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 三相三線電能表

三相三線制電能表的標(biāo)準(zhǔn)接線方式如圖1所示。第Ⅰ個計量元件承受的電壓為Uab，流過的電流為Ia，其向量夾角為30°+φ；第Ⅱ個計量元件承受的電壓為Ucb，流過的電流為Ic，其向量夾角為30°-φ，三相功率計算表達(dá)式為

式中：Uab，Ucb為線電壓；Ia，Ic為線電流；φ為功率因數(shù)角。

圖1 三相三線電能表接線方式

1.1 接線判斷條件

用于10 kV系統(tǒng)電能計量的三相三線制電能表的錯誤接線方式有很多種，以圖1的正確接線方式為標(biāo)準(zhǔn)，凡不符合標(biāo)準(zhǔn)的都視為錯誤接線。2個計量元件所計量功率的代數(shù)和為三相功率。10 kV系統(tǒng)中性點一般采用不接地方式，即IA+IB+IC=0，在數(shù)值上IA=IC，并且A，C相的功率因數(shù)角也是相等的，即φA=φC，可基于這些條件來判斷電能表的接線方式[2]。

設(shè)：x=cos（30°+φ），y=cos（30°-φ），則A相功率因數(shù)角φa=acrcos（x）-30°，B相功率因數(shù)角φb=30°-acrcos（y），考慮A，C相電流互感器的正負(fù)角差及電能表各計量元件誤差略有差異，故判斷三相三線制電能表正確接線方式的條件為

如果超出這個范圍即可認(rèn)為不正常而被篩選出來。

1.2 電流判斷條件

在高壓電力用戶中，無論0.4 kV側(cè)三相負(fù)荷電流是否平衡，反映到10 kV側(cè)的三相電流仍是平衡的。因此，通過設(shè)定A，C相電流的不平衡度，可以監(jiān)測電流互感器二次回路是否開路或另有一點接地而產(chǎn)生分流現(xiàn)象，同時也可起到監(jiān)測互感器和電能表本身是否存在故障的作用?？紤]計量器具本身的誤差，設(shè)定相線電流的最大不平衡百分?jǐn)?shù)為

式中：Imax為最大電流；Imin為最小電流。當(dāng)不平衡電流百分?jǐn)?shù)大于設(shè)定值時，即可被篩選出來。在用電高峰時段，若有一相電流互感器的二次電流I2≤0.5 A也應(yīng)被篩選出來，主要是考慮二次回路可能存在分流現(xiàn)象或者電流互感器變比選擇過大，在負(fù)荷低谷時將導(dǎo)致計量誤差過大。

1.3 電壓判斷條件

對于10 kV電壓等級，電力系統(tǒng)運行規(guī)程規(guī)定電壓合格的范圍為額定電壓的±7%，通過電壓互感器反映到二次側(cè)是107～93 V時，即可判定電壓合格。而電壓互感器一次側(cè)保護(hù)大多采用填充石英砂的鉛絲管，因某種原因，若A相鉛絲熔斷時，熔斷點的電源側(cè)與填充物石英砂將形成極間電容，使感應(yīng)到二次側(cè)的Uab電壓在很多情況下仍處在合格范圍內(nèi)，這實質(zhì)上是一個虛幻電壓，很容易被忽略，但這個虛幻電壓總是低于實際電壓值。為此，可通過線電壓比對方式進(jìn)行篩選，即Uab與Ucb首先滿足電壓合格率的標(biāo)準(zhǔn)，同時滿足，否則即被篩選出來。

2 三相四線電能表

在電源中性點間接接地或直接接地的系統(tǒng)中，如0.4 kV系統(tǒng)為三相四線制供電方式，在三相負(fù)荷電流不平衡的情況下，流過中性點的電流Io=IA+IB+Ic，故采用三相四線制電能表進(jìn)行計量的接線方式如圖2所示[3]。

三相四線制電能表每個計量元件所承受的電壓為相電壓，對應(yīng)流過的電流為相電流，它們之間的夾角為功率因數(shù)角。三相功率計算表達(dá)式為

式中：Uao，Ubo，Uco分別為相電壓；Ia，Ib，Ic為三相的相電流；φa，φb，φc為三相功率因數(shù)角。

圖2 三相四線電能表接線方式

2.1 接線判斷條件

從圖2（b）向量圖中可以看出，正常運行情況下，用電負(fù)荷的功率因數(shù)角φ＜90°，當(dāng)其中一相，如A相電流極性接反時，Uao與Ia的夾角為180° +φ或180°-φ，計量的A相功率為負(fù)值。在三相負(fù)荷平衡的情況下，從式（4）可看出，有二相功率會相互抵消，三相功率代數(shù)之和僅為三分之一功率。

以電焊機為例。當(dāng)跨相（兩相）電焊機在正常情況下用電時，其中一相余弦函數(shù)角大于90°，這相計量功率將為負(fù)值。為區(qū)分計量功率為負(fù)值是否為錯誤接線，首先要確定電焊機接線方式，它可以跨接在任意兩相上，其計算結(jié)果是一樣的。設(shè)電焊機接在A，B相上，計算功率表達(dá)式為

式中：φ為電焊機功率因數(shù)角，一般情況下φ= 60°～70°。因此式（5）中第一項為正值，第二項為0～（-0.174），而三相四線制電能表中若A相電流極性接反，Uao與Ia的夾角為180°-φ，正常用電負(fù)荷功率因數(shù)角為φ=0°～40°，功率因數(shù)為-1～（-0.77）。也就是說，用電負(fù)荷為電焊機時，功率因數(shù)在0～（-0.174）；若電能表有一相錯接線時，功率因數(shù)變?yōu)?1～（-0.77）。因此，從電能表中的每個計量元件的余弦函數(shù)值范圍不同，就可以判斷出是否為錯誤接線。

2.2 電流判斷條件

在低壓三相四線制供電系統(tǒng)中，動力負(fù)荷和單相負(fù)荷是合在一起的，因此，三相用電負(fù)荷在一般情況下是不平衡的。但如果出現(xiàn)計量設(shè)備故障或人為等因素，也會造成三相用電負(fù)荷不平衡，如何區(qū)分這種不同的不平衡是問題的關(guān)鍵。為準(zhǔn)確判斷三相負(fù)荷電流不平衡，可在圖2（a）的零線中串接1個零序電流互感器進(jìn)行實時采樣，零序電流IO2經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，通過電能表RS485接口輸入到電能表中，并隨表中相關(guān)數(shù)據(jù)一同打包上傳到主站。通過上傳數(shù)據(jù)求解電能表中的零序電流，向量分析如圖3所示。

圖3 向量分析

將三相功率因數(shù)轉(zhuǎn)換成角度，即φa=arc（cosφa）；φb=arc（cosφb）；φc=arc（cosφc），以A相電流角度為基準(zhǔn)，求解電表中的零序電流，即

式（6）中的電表零序電流IO1僅取了三相電流向量之和的模數(shù)，與上傳到主站零線中的零序電流IO2值進(jìn)行比對，考慮計量設(shè)備誤差等因素，設(shè)定零序電流不平衡百分?jǐn)?shù)為

如果零序電流不平衡度Ibp＞7%，即被篩選出來。設(shè)定這個條件的目的是判斷計量二次電流回路是否有分流現(xiàn)象，并監(jiān)測計量設(shè)備運行狀況。

2.3 電壓判斷條件

對于低壓0.4 kV三相四線制供電系統(tǒng)，電力系統(tǒng)運行規(guī)程規(guī)定電壓合格的范圍為額定電壓的+7%～-10%，即相電壓合格率為235.4～198 V?？紤]到大功率設(shè)備起停時會將三相電壓同時拉抵或升高，并超出電壓合格率范圍，這種情況也應(yīng)被篩選出來，并監(jiān)測變壓器是否過負(fù)荷運行，如果危及電網(wǎng)安全運行，應(yīng)及時處理。

若運行中每一相電壓均在電壓合格范圍內(nèi)，但三相電壓嚴(yán)重不平衡時也會給安全生產(chǎn)帶來事故隱患，同時將增加不必要的功率損耗，因此需要對此進(jìn)行考核。三相電壓不平衡允許值為Uyx= Umax-Umin＜12 V，Umax為最高電壓；Umin為最低電壓，當(dāng)超出這個范圍時，即被篩選出來。

3 實例

上述針對三相三線制電能表和三相四線制電能表制定的篩選條件，實際應(yīng)用后能查找出電能計量裝置運行異常的情況，如：接線錯誤、電壓互感器一次鉛絲熔斷、電流互感器二次側(cè)2點接地及變比配備不一致等問題。從中挑選出較為復(fù)雜又易被忽略、并具有代表性的3家電力用戶的計量裝置所出現(xiàn)的異常情況作為案例分析[4]。

（1）案例1：用戶是一家機械加工廠，電能計量裝置采用高供低計方式，數(shù)據(jù)庫檔案中記載的電流互感器變比為30/5。電表所顯示電流分別為Ia=3.28 A；Ib=3.54 A；Ic=2.14 A；IO2=0.15 A；cosφa=0.95；cosφb=0.95；cosφc=0.93。

按照判斷條件，計算出每相功率因數(shù)角分別為φa=18.19°；φb=18.19°；φc=21.56°，并將數(shù)據(jù)代入式（6）和式（7），計算出電能表中的零序電流為1.28 A，零序電流不平衡度Ibp2為88.28%，遠(yuǎn)大于規(guī)定值?，F(xiàn)場用電檢查后發(fā)現(xiàn)，A相和B相電流互感器的變比為30/5，而C相電流互感器變比為50/5。這種運行狀況已持續(xù)了2年多，此次通過數(shù)據(jù)篩選被發(fā)現(xiàn)后，得到了及時處理。

（2）案例2：用戶是一家冶煉制造廠，電能計量裝置采用高供高計接線方式，變壓器容量為800 kVA，電壓互感器變比為10 000/100，電流互感器變比為50/5。電流互感器二次側(cè)電流為Ia=3.25 A；Ic=1.07 A。

按照判斷條件，將數(shù)據(jù)代入式（3）中，電流不平衡度Ibp1為67%。從每月用電量看，這種運行狀況已持續(xù)2年多時間。經(jīng)現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)C相電流互感器變比變大，返廠檢查發(fā)現(xiàn)二次線圈匝間有短路現(xiàn)象。結(jié)合現(xiàn)場情況認(rèn)定其原因是諧波電流過大，導(dǎo)致鐵芯磁飽和發(fā)熱。

（3）案例3：用戶是一家制糖廠，電能計量裝置采用高供高計接線方式。電能表打包上傳的數(shù)據(jù)中，Uab與Ia為與之間的余弦函數(shù)值為0.629；Ucb與Ic之間的余弦函數(shù)值為-0.988。

按照判斷條件，計算出A相與C相的功率因數(shù)角，即φa=21°；φc=-141°，A相與C相的功率因數(shù)角之差，遠(yuǎn)超出式（2）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍。經(jīng)現(xiàn)場測試，C相電流極性接反。按照電能計量規(guī)程計算的更正系數(shù)，及時進(jìn)行了電量追補。

4 結(jié)語

這套判斷計量裝置運行異常情況的應(yīng)用軟件，在一家縣級市電力公司應(yīng)用一年多時間里，共查找出72戶電能計量裝置存在問題，同時也查處到一些竊電行為，經(jīng)現(xiàn)場核實共追繳電費50多萬元，其中計量電壓互感器一次鉛絲熔斷、電流互感器二次回路開路及分流、接線錯誤等問題較多。通過對電能表上傳數(shù)據(jù)的篩選，提高了電能計量的準(zhǔn)確性和可靠性，能及時發(fā)現(xiàn)問題及時處理，為電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運行奠定了堅實基礎(chǔ)。

[1]邱關(guān)源.電路原理[M].北京∶人民教育出版社，1988.

[2]周和平，林峰浩.ZigBee無線自動化抄表系統(tǒng)的應(yīng)用[J].供用電，2009（1）∶71-73.

[3]董愛華.檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].北京∶中國電子工業(yè)出版社，2007.

[4]周和平.10 kV電力系統(tǒng)電能計量裝置運行異常的案例分析[J].電工技術(shù)，2010（2）∶45-46.

（本文編輯：龔皓）

Judgment on Abnormal Online Operation for Three-phase Electric Meter

PAN Ying ji1，MAO Tiao shu1，ZHOU He ping2
（1.Jilin Electric Power Supply Company，Jilin Jilin 132001，China；2.Holley Metering Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310023，China）

It is still an unsolved subject in electric energy metering to automatically inspect the operation of electric meters of electric power users.By automatic metering system，the data of electric metering is transferred to the main station，and the main station screens the data in accordance with operating parameters in correct wiring mode of three-phase electric meters and then detects the faulty meters to timely discover and handle the problems.By means of data screening，manual field inspection on way of power consumption over the years is terminated，and correct metering of online operating electric meters is guaranteed.

three-phase electric meter；operation abnormality；judgment condition；example

TP206+.3

：B

：1007-1881（2013）10-0020-04

2013-04-11

潘英吉（1978-），男，吉林吉林人，工程師，主要從事用電負(fù)荷管理、電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行及電能計量工作。