電力系統中電能計量方式的選擇及分析

張永超，吳麗靜，劉德才，韓冰

(國網山東省電力公司聊城供電公司，山東聊城252000)

0 引言

近年來，隨著經濟的高速發展，社會用電需求量持續增加。這從而也導致了發電、供電及用電各方之間的電能交易量急速上升。電能作為一種商品，在其交易過程中，計量的準確與否不僅關系著各項電力經濟指標計算以及營業計費的準確性、公正性，而且直接涉及到發、供、用電各方的利益關系。

在電能計量工作中，能否準確地選擇一種與電力系統運行方式相匹配的計量方式一直是保證電能計量準確性的關鍵所在。據調查，目前的電力系統中仍然存在很多計量方式選擇不當的現象。其主要體現在電能計量方式與系統運行方式不匹配，特別是在中性點經消弧線圈或小電阻接地的系統中仍然存在大量的不符合電能計量相關標準規范的接線情況。針對這些問題，本文按照電力系統中性點不同的接地方式進行分類，分別對三相三線、三相四線兩種計量方式在不同的中性點接地系統中計量的準確性、合理性進行分析，并為不同系統中電能計量方式的選擇給出合理的建議。

1 電力系統的中性點接地方式

電力系統的中性點是指變壓器三相繞組的公共連接點，中性點接地就是指變壓器的中性點與接地網間的電氣連接。在電力系統中，中性點接地方式的選擇是一個比較復雜的問題［1］，選擇的好壞，將直接影響著系統供電的可靠性和電力通信系統、電壓絕緣系統、電氣設備的安全以及繼電保護裝置的使用。

目前，我國電力系統中性點接地方式選擇情況大致如下:

1)隨著電力系統電壓等級升高，設備的絕緣性能投資費用所占比重越來越大，而中性點直接接地系統的設備絕緣水平相對較低，能夠有效節省絕緣設備資金投入，故一般110 kV 及以上系統一般采用中性點直接接地系統［2］。

2)對于35 kV 及以下電壓等級的系統，一般可根據系統的具體情況，采用低電阻接地方式、高電阻接地方式，或消弧線圈接地、絕緣等非有效接地方式［4］。

3)10 kV 系統由于絕緣水平要求相對較低，并且可以耐受短時間的單相接地故障，所以一般采用中性點絕緣運行方式或者經消弧線圈接地方式。

2 中性點絕緣系統的計量方式分析

為了方便對整個系統進行分析，現將中性點絕緣系統等效為由電源及負載組成的三相電路，其等效電路圖如圖1所示。

圖1 中性點絕緣系統等效電路圖

圖1 中uu，uv，uw為系統相電壓;iu，iv，iw為相電流;u'u，u'v，u'w為系統負載側相電壓。此時uu=u'u，uv=u'v，uw=u'w。

2.1 三相三線計量方式

在中性點絕緣系統中，無論系統的三相負載是否對稱，因為其中性點絕緣，由基爾霍夫定律可得iu+ iv+ iw=0，則負載功率為

在中性點絕緣系統中，式(1)總能成立，故該系統完全可以采用三相三線計量方式進行準確計量，在此不再具體分析。

2.2 采用三相四線計量方式

在從事計量工作時，曾多次遇到這樣的情況:10 kV 中性點絕緣系統中采用三相四線的電能計量方式。那么這種計量方式究竟是否適用于中性點絕緣系統呢?在此對此類計量方式的準確性、安全性進行綜合分析，并重點分析電力系統三相負載不對稱時的情況。

2.2.1 誤差的計算分析

當負載不對稱時，中性點電壓會發生一定偏移，偏移電壓uoo'≠0，此時各相電源電壓和負載電壓不再保持一致，根據其等效電路圖畫出系統各個電壓向量圖如圖2所示。

此時uu≠u'u，uv≠u'v，uw≠u'w，但iu+iv+iw=0依然成立。則負載功率為

圖2 負載不對稱時的系統向量圖

由式(2)分析可知，在負載不對稱的情況下，中性點絕緣系統采用三相四線計量方式時，并不會引起任何誤差。

2.2.2 采用三相四線計量方式的不利影響

通過對式(2)的分析可知，采用三相四線計量接線方式時，無論中性點絕緣系統的三相負載是否對稱，其在計量過程中均不會引起誤差。但是，當系統中負載不對稱時三相不平衡電壓會在一定程度上影響電能計量裝置的計量準確性。另外，當系統出現單相接地故障時，三相四線計量方式也會引起一系列安全隱患，嚴重影響電能計量裝置的準確性和安全性［3］。

目前，電網所推廣使用的智能表，其電能測量單元的核心部件有數字乘法器、A/D 轉換器以及電壓和電流采樣器等。三相電壓不平衡對數字乘法器和A/D轉換器產生的誤差基本上可以忽略，但是三相不平衡電壓卻會導致智能表內的電壓采樣器不準確。對于電壓互感器式采樣智能表來說，不平衡的三相電壓會造成其鐵芯的非線性，從而帶來較大的附加誤差。

當中性點絕緣系統發生單相接地故障時，接地相相電壓降為0，而此時非接地相的二次側會產生100 V的電壓。已知三相四線電能表線圈兩端的額定電壓為57.7 V，最大允許值為額定電壓的130%，即75 V。很明顯當系統發生單相接地故障時，線圈兩側電壓超過了電壓線圈的額定電壓，這會給電能計量裝置帶來極大的安全隱患，嚴重時甚至會燒壞電能表電壓線圈，造成不計量的后果。

綜合上述分析，雖然中性點絕緣系統采用三相四線接線方式并不會產生計量誤差，但是三相電壓不平衡、系統單相接地以及并聯諧振等因素，會大大影響計量準確性，影響電能計量裝置的安全穩定運行，甚至可能威脅到整個電力系統的安全運行。

3 中性點直接接地系統的計量方式分析

在中性點直接接地系統中，變壓器或發電機繞組的中性點直接與接地網相連接，其等效電路圖如圖3所示。

圖3 中性點直接接地系統等效電路圖

3.1 三相四線計量方式

由等效電路圖可知uoo'=0，故uu=u'u，uv=u'v，uw=u'w。則有

由式(3)可知，三相四線計量接線方式完全能夠對110 kV 及以上電壓等級的中性點直接接地系統進行準確計量，在此不再詳細分析。

3.2 三相三線計量方式

當中性點直接接地系統運行正常且三相負載及線路各個參數完全對稱時，流過中性點的接地電流趨近于零，則此時可以采用三相三線計量方式。但是在實際的電力系統運行中，電網的三相電壓、線路參數以及負載阻抗并不能時時處于完全對稱的狀態，當出現不對稱的情況時，接地電流in不再為零。即in=iu+iv+iw≠0，則iv=in-(iu+ iw)。將此代入(3)式，有

將式(4)與式(1)相比較，可得中性點接地電流in所引起的計量誤差為

由(5)式可知，誤差rn的大小與電力系統的不對稱程度有關，系統不對稱程度越嚴重，流過中性點的接地電流越大，則誤差rn越大。經過對變電站內主變的接地電流及各相電流的數據采樣、比較、計算分析可得，誤差rn已遠遠超過了相關電能計量標準所要求的誤差范圍。所以，三相三線計量方式不能滿足中性點接地系統的計量準確性。

4 中性點經消弧線圈、小電阻接地系統計量方式分析

我國35 kV 及以下配電網和電廠發電機出口多數采用中性點經消弧線圈或低電阻接地的運行方式。以架空線路為主的配電系統，一般采用經消弧線圈接地的運行方式;以電纜為主的配電系統，一般優先考慮經低電阻接地的運行方式。

通過對目前配電網及電廠發電機出口的電能計量點的調查發現，存在大量的經消弧線圈或低電阻接地的系統采用三相三線計量方式，這種計量方式是不準確的也是不符合相關規定的。DL448-2000《電能計量裝置技術管理規程》中明確規定:中性點非絕緣系統采用三相四線制計量［5］。而經消弧線圈接地系統和經低電阻接地系統均屬于此列。兩種系統運行時，連接中性點和接地網的線圈和電阻間會流過接地電流in，由此導致采用三相三線計量方式的計量不準確。綜上可得，中性點經消弧線圈接地和經低電阻接地的兩種系統均應采用三相四線計量接線方式。

5 總結

綜上所述，僅僅根據系統電壓等級來確定電能計量接線方式的做法是不全面、不準確的。當選擇一個計量點的計量方式時，必須充分考慮系統的中性點接地情況。當系統采用中性點絕緣方式時，雖然三相四線接線方式并不會造成計量誤差，但是此時的三相電壓不平衡、系統單相接地以及并聯諧振等因素，會大大影響計量裝置的準確性，所以應盡量選擇三相三線計量接線方式;中性點直接接地系統則必須采用三相四線接線方式，否則會產生較大的計量誤差;而根據計量相關標準可以確定，中性點經消弧線圈接地和經低電阻接地的系統均應采用三相四線計量接線方式。

［1］李穎峰.配電網中性點接地方式探討［J］.電力系統保護與控制，2008，36(19):58-59.

［2］魏曉龍.電力系統中性點運行方式探析［J］.機電信息，2011(36):15-16.

［3］常仕亮.論中性點絕緣系統的計量方式［J］.工業計量，2013，23(2):19-21.

［4］王晉.系統中性點接地方式對電能計量的影響［J］.華東電力，2004(1):56-57.

［5］中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T 448-2000 電能計量裝置技術管理規程［S］.北京:中國電力出版社，2001.