三相電子式電能表在線運行異常狀況分析

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量多、分布廣，出現計量不準確問題很難及時發現，待日后發現時，只能根據電能表所計量的電量及用電情況進行協商解決。即便是安裝了自動化抄表系統，其用途也僅僅是根據上傳到主站的電量作為電費發行的依據。三相電能表出現故障將會導致電量丟失，直接造成經濟損失，引起線損率波動較大。針對這一問題，對自動化抄表系統功能進行了擴展。電能表本身采集和計量的數據應滿足主站對電能表設定的判斷條件所需要的數據，從中篩選出運行異常或故障的電能表。

1 GPRS自動化抄表系統組建

自動化抄表系統有多種方式，現介紹目前已運行的一種通過無線GPRS信道進行數據傳輸系統。通信網絡在統一通信規約的條件下，電能表與數據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號作為數據通信地址，通過系統進行數據的接收、存儲和發送，在通信過程中不做任何數據處理。正常情況下，每個GPRS電能表通過內部安裝的SIM卡登陸網絡后，通過Internet接入點獲得外部IP地址，并建立起訪問Internet的通道。主站服務器根據Internet協議（TCP/IP）直接獲得具有外部固定IP地址。這樣，主站與GPRS電能表通過無線網絡就建立起通道并進行數據交換。GPRS自動化抄表系統的組建見圖1所示。

圖1 系統通信結構

對上傳到主站的電能表數據，在設定判斷條件時，要考慮三相三線制與三相四線制的電能表及計量裝置所承受的電壓、接線方式、計算表達式及故障形式的不同，因此要分別進行篩選，下面針對具體接線方式進行詳細分析。

2 三相三線制電能表判斷條件

三相三線制電能表通常應用在電源中性點不

2.1 三相三線制電能表電壓判斷條件

在10 kV中性點不接地系統中，電能計量通常采用三相三線制電能表，一般采用2個元件進行計量，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

對于10 kV電壓等級，電力系統運行規程規定電壓合格率的標準為額定電壓的±7%，通過電壓互感器反映到二次側電壓為107～93 V，即定為判斷電壓合格率的標準，考慮大功率設備的啟停，故，連續運行時間在10 h以上，均超出這個規定電壓范圍的篩選出來。

10 kV電能計量裝置在運行中因某種原因造成電壓互感器一次鉛絲熔斷，由于電壓鉛絲管結構不同，通過電壓互感器感應到二次側的電壓也不同，例如：A相鉛絲熔斷時，對于無填充物的鉛絲管，二次側的電壓為Uab≈0 V；Ucb=100 V，C相熔斷時，Uab=100 V；Ucb≈0 V，B相熔斷時，二次側的電壓分別為Uab=50 V、Ucb=50 V。

對于填充石英砂的鉛絲管，當A相鉛絲熔斷時，鉛絲熔斷點的電源側與填充物石英砂形成極間電容，這樣在二次側Uab=90 V，這實質是一個虛幻電壓，Ucb=100 V，C相熔斷時，二次側的電壓則與A相鉛絲熔斷時相反，B相熔斷時，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，連續運行時間在4 h以上均滿足這個條件，應篩選出來。

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誤接線判斷條件

三相三線制電能表的三相功率計算公式為式

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

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

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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，主要是應用于低壓0.4 kV側的電能計量，電能計量裝置通常采用Y0/Y0接線方式，見圖3所示。

圖3 三相四線制電能表

對于低壓三相四線制供電系統，電力系統運行規程規定電壓合格率的標準為額定電壓的+7%，-10%。即相電壓合格率為235.4～198 V，同樣考慮大功率設備的啟停，故，連續運行時間在10 h以上均超出這個范圍的篩選出來。

三相四線制電能表的電壓直接來自電源，當電能表任一相電壓斷線時，對地電壓均為0值，同時考慮電壓低于170 V以下時，電能表不能夠正確計量。為此，電能表故障電壓選擇為Ugz＜170 V作為判斷條件，當滿足這個條件時，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中動力負荷和照明負荷是在一起的，導致三相用電負荷在一般情況下是不平衡的。從電力需求側用電負荷統計中得出，三相中最小的一相負荷電流Imin與最大電流Imax的比值為Ibz=（Imin/Imax）×100%=75%，以此為依據，判斷三相電能表或計量裝置電流運行異常的條件為Ibz＜70%，超出這個范圍的將被篩選出來。設定這個條件的目的是判斷電流回路是否有被分流或兩點接地現象。要說明一點的是，各地區用電負荷構成不盡相同，其定值可以進行調整。

3.3 三相四線制電能表錯誤接線判斷條件

三相四線制電能表的三相功率計算公式為

式中：Ua、Ub、Uc為相電壓；Ia、Ib、Ic為相電流；φa、φb、φc為負荷功率因數角。

圖4 電能表計量380 V電焊機向量圖

電能表第Ⅰ元件計量的功率為PI=Ua·Ia·cos（30°-φa），電能表第Ⅱ元件計量的功率為PII=Ub·Iba·cos（30°+φb），電焊機本身是一個電感線圈，功率因數比較低，當cosφb＜0.5時，φb＞60°，這時電能表的第Ⅱ計量元件所計量的功率就是負值，與任一相電流極性接反的現象相同，為區分開這2種情況，判斷設定條件為：三相中，任一相功率為負值并連續運行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，在進行數據篩選時，都要根據總有功功率和功率因數判斷變壓器容量是否過載運行，即Se=P/cosφ。在全天24 h中，任一時刻滿載或過載的變壓器要分別列出。

另外需要說明一點，上述判斷條件最好是在峰、平負荷時段進行數據篩選，否則負荷在低谷或空載時，因導線對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顯示負功率，將導致誤判斷。

4 案例分析

通過上述對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，經實際應用，并已查找出電能計量裝置運行異常情況，如：接線錯誤、電壓互感器一次鉛絲熔斷、電流互感器二次側兩點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雜并具有代表性的3家電力用戶的計量裝置所出現的異常情況作為案例分析。

（1）案例1

這是一家冶煉制造廠，電能計量裝置采用高供高計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）。電流互感器二次側運行電流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，這種運行狀況已有1年多時間。經現場測試，C相電流互感器變比變大，返回廠家打開檢查發現，二次線圈匝間有短路現象，并結合現場情況認定，是因諧波電流導致鐵心磁飽和而發熱所致。

（2）案例2

這是一家制糖廠，電能計量裝置采用高供高計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相的功率因數角超出規定范圍，故被篩選出來。經現場測試，C相電流極性接反。按照電能計量規程計算的更正系數，及時進行了電量追補。

（3）案例3

這是一家食品加工廠，電能計量裝置采用高供低計Y0/Y0接線方式，數據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%，將電流數據代入此式中得：Ibz=（2.12/3.44）×100%=61.6%即被篩選出來。經現場用電檢查發現，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，并得到及時處理。

5 小結

這是一個縣級市電力公司，所轄區的10 kV高壓電力用戶有6 522戶，在自動化抄表系統主站中，開發了對電能計量裝置運行異常現象的檢測功能。至開展這項工作以來，共查找出62戶電能計量裝置有問題，經現場核實共追繳電費50多萬元。同時還開發了理論線損計算和實際線損統計工作，對查找電能計量裝置所出現的問題起到了積極的推動作用。

電能表所計量的電量是電網基礎數據的一部分，只有保證基礎數據的準確才能有效的開展其它方面的工作。通過上述判斷方法，大大提高了電能計量裝置正確計量的可靠性，為電網經濟運行奠定了堅實基礎。