三相電能表反方向計量故障的分析

潘英吉, 周和平

1.國家電網(wǎng)吉林供電公司 吉林吉林 132001 2.吉林市電力設(shè)備安裝公司 吉林吉林 132002

1 故障情況

運行中發(fā)現(xiàn)三相電能表計量出現(xiàn)反向電量,經(jīng)對計量裝置接線方式及計量參數(shù)進(jìn)行檢測,并未發(fā)現(xiàn)異常。為判斷電能表本體是否存在參數(shù)突變問題,在其回路中又接入一個電能表,即同一計量回路接入兩個電能表。經(jīng)過一段時間運行后,兩個電能表均計量出反向電量,基本上可以確定兩個電能表計量正常。在對用電設(shè)備進(jìn)行全面檢查時,發(fā)現(xiàn)一臺注塑機(jī)的三相電源控制開關(guān)外殼發(fā)熱,并伴有燒焦氣味。打開上蓋后,看到三相開關(guān)有一相接點嚴(yán)重氧化,接觸不良,造成三相電動機(jī)非全相運行。非全相運行是否引發(fā)三相電能表反向計量,需做進(jìn)一步分析。

2 供電計量方式

發(fā)生上述故障的塑料制品加工廠為10 kV電源供電,電力用戶無備用電源。電能計量裝置采用髙供高計,供電計量系統(tǒng)如圖1所示[1-2]。圖1中TV為電壓互感器,TA為電流互感器,kWh為三相電能表,T為變壓器,K1～K3為三臺注塑機(jī)控制開關(guān),KZ為照明和空調(diào)控制開關(guān)。

圖1 供電計量系統(tǒng)

為提高10 kV配電系統(tǒng)的供電可靠性,通常系統(tǒng)中性點采用不接地運行方式。依據(jù)電工學(xué)基爾霍夫節(jié)點電流定律,IA+IB+IC=0,IA+IB=-IC,IA+IC=-IB,即任意兩相電流的向量和均等于第三相電流的反方向向量。10 kV供電系統(tǒng)具備以上條件,三相電能計量裝置可采用V/V接線方式,兩臺電流互感器分別串接在A相、C相電源中,兩臺單相電壓互感器分別并接在A相和B相、B相和C相上,電能計量采用兩個計量元件的三相三線制電能表,接線方式如圖2所示[3],向量圖如圖3所示。

圖2 計量裝置V/V接線方式

圖3 V/V接線方式向量圖

依據(jù)電工極性學(xué)原理,設(shè)定三相電能表的電壓線圈和電流線圈由同名端指向異名端為正方向,這樣,三相三線制電能表第Ⅰ個計量元件電壓線圈承受的正方向電壓為Uab,流過電流線圈的電流為Ia,電壓與電流之間的夾角為30°+φ;第Ⅱ個計量元件電壓線圈承受的正方向電壓為Ucb,流過電流線圈的電流為Ic,其夾角為30°-φ。φ為功率因數(shù)角,三相電能表計量的三相功率為[4]:

(1)

式中:Ux、Ix分別為線電壓與線電流。

三相電能表所計量的功率應(yīng)該能夠正確表達(dá)三相計算功率。

3 故障分析

檢查中發(fā)現(xiàn)3號注塑機(jī)電源控制開關(guān)K3因固定螺栓松動,接點過熱氧化,造成接觸不良,并有放電痕跡,經(jīng)檢測發(fā)生在控制開關(guān)的b相。如果僅3號注塑機(jī)在運行,b相處在斷開狀態(tài),變壓器二次側(cè)只有a相、c相上帶有負(fù)載,反映到一次側(cè)也同樣如此。為簡化對三相電能表反方向計量故障的分析,變壓器電壓變比為1∶1,故障時接線如圖4所示[4-5]。

圖4 故障時接線

從圖4中可以看出,B相在斷開的情況下,電源線電壓UAC施加到三相電機(jī)A相、C相繞組上,流過的電流為IAC。三相電能表第Ⅰ個計量元件電壓線圈承受的電壓為Uab,從A相電流互感器同名端流出的電流為Iac,并經(jīng)電流線圈形成閉合回路。第Ⅱ個計量元件電壓線圈承受的電壓為Ucb,從C相電流互感器異名端流出的電流為-Iac,-Iac=Ica,經(jīng)電流線圈形成閉合回路。依據(jù)電壓與電流之間的向量關(guān)系,可計算出每個計量元件所計量的功率。計量元件向量圖如圖5所示[6]。

圖5 計量元件向量圖

三相電能表第Ⅰ個計量元件所計量的功率PⅠ=UabIaccos(60°+φ),第Ⅱ個計量元件所計量的功率PⅡ=UcbIcacos(60°-φ),計量總功率的代數(shù)和P=UabIaccos(60°+φ)+UcbIcacos(60°-φ)[7]。

當(dāng)功率因數(shù)角φ>30°或cosφ<0.866時,第Ⅰ個計量元件電壓與電流之間的夾角大于90°,計量的功率為負(fù)值。這就是控制開關(guān)b相接觸不良,造成三相電能表反向計量的原因所在。三相電動機(jī)缺相運行,會造成其它兩相電流急劇增大,甚至被燒毀。在正常用電負(fù)荷中,有兩相用電設(shè)備,如跨相電焊機(jī)或電弧爐等,無論三相四線制或三相三線制電能表,均存在有一個計量元件反向計量的問題,這涉及到總電量是每個計量元件所計電量的絕對值和還是代數(shù)和。三相功率計算式(1)說明總電量的正確計算應(yīng)為代數(shù)和,如果按照絕對值和計算總電量,那么將是錯誤的。

4 保護(hù)措施

三相電動機(jī)因非全相運行而被燒毀,這樣的事故時有發(fā)生。針對大功率及重要負(fù)荷的三相電動機(jī),應(yīng)加裝缺相保護(hù),分為電壓和電流兩種方式。在安裝處的電源側(cè)發(fā)生斷線時,電壓保護(hù)能夠檢測到三相電壓不平衡,保護(hù)動作于跳閘。若在負(fù)荷側(cè)發(fā)生斷線,電壓保護(hù)檢測不到三相電壓運行狀況,存在盲區(qū)。電流保護(hù)可以保護(hù)全線路,當(dāng)本線路及電源側(cè)任意點處發(fā)生斷線故障時,均能檢測到三相電流不平衡,保護(hù)動作于跳閘。斷線電流保護(hù)接線如圖6所示[8-9],圖6中TA為采樣電流互感器,TZ為電流轉(zhuǎn)換器,VJ為電壓繼電器,TQ為跳閘線圈。

圖6 斷線電流保護(hù)接線

三相電動機(jī)在正常運行時,三相電流是平衡的,反映在電流互感器的二次電流為Ia+Ib+Ic=0,在電流轉(zhuǎn)換器鐵心中產(chǎn)生的磁通Φ為0,二次繞組輸出電壓U2為0,電壓繼電器不動作。若電源或負(fù)荷中一相斷線,設(shè)A相斷線,三相電機(jī)定子繞組承受的線電壓為UBC,并產(chǎn)生電流IBC,經(jīng)電流互感器二次輸出電流Ibc,在電流轉(zhuǎn)換器鐵心中產(chǎn)生磁通Φbc,二次繞組輸出電壓U2,啟動電壓繼電器。考慮系統(tǒng)受沖擊或投切負(fù)荷的影響,會造成瞬間三相電壓不平衡。為防止保護(hù)誤動作,避開沖擊,常開接點延時5 s閉合后接通跳閘線圈,使電源開關(guān)跳閘。

5 結(jié)束語

經(jīng)分析,三相電動機(jī)因B相缺相運行,引起三相電能表第Ⅰ個計量元件反向計量,第Ⅱ個計量元件正向計量,總電量為正、反方向電量的代數(shù)和。反方向計量的負(fù)電量是正方向多計的電量,電費應(yīng)按照各計量元件所計電量的代數(shù)和進(jìn)行核計[10]。

三相電動機(jī)在缺相的情況下運行,其它兩相定子繞組形成串聯(lián),并承受電源的線電壓。為維持工作轉(zhuǎn)矩不變,回路電流劇增,如不及時跳閘,電動機(jī)在較短時間內(nèi)會被燒毀。加裝缺相保護(hù)投入運行已2年多時間,曾發(fā)生過戶外跌落式開關(guān)一相脫落故障,缺相保護(hù)正確動作跳閘,使三相電動機(jī)得到了保護(hù)。