智能電能表小電量走字原因分析及抑制方法

田正其，紀 峰，徐 晴，金 萍

(江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京 211103)

智能電能表作為電能交易系統中的終端計費裝置，以其計量精度高、數據實時查詢、電能量存儲、抄表時間凍結、開表蓋等竊電事件記錄、信息遠程傳送等先進功能特性正在逐步代替傳統老式電能表。智能電能表的計量準確度直接關系到廣大用戶與供電公司的切身利益。智能電能表推廣試點應用期間，極少部分用戶反應現場新安裝的表計，偶爾會出現小電量走字現象。通過用電信息系統對用戶的電量進行統計分析[1]，可及時發現并排除空載小電量走字的現象。

1 智能電能表計量原理分析

智能電能表通過準確地提取用戶側的電壓、電流信號，經中央處理器的運算完成電能計量。電壓信號普遍采用精密電阻分壓的方式實現信號的變換，電流信號常常采用錳銅分流式電流傳感器的方式實現信號變化。單相智能電能表原理框圖如圖1 所示。錳銅分流器其本質為一種阻抗很小的精密電阻，串接在待測電流信號回路中,當錳銅分流器上有電流信號通過時，利用歐姆定律：

通過測量分流器兩端上的電壓降ui（t），則電能表在u（t）工作電壓下，電能計量公式為：

圖1 單相智能電能表原理框圖

2 智能電能表小電量走字原因分析

現場安裝的智能電能表出現小電量走字，其可能性為現場存在某些隱蔽的用電裝置導致小電量走字、電能表被某些干擾信號干擾從而導致小電量走字或其他某些原因。

2.1 某些隱蔽用電導致小電量走字

（1）電能表是否真的處于“空載”狀態，日常生活中用戶對節能知識缺乏系統了解，對很多用電細節不夠關注。比如關閉電視不關閉電源、關閉電腦不關閉顯示器等不注意的細節，導致“空載”時有小電量走字。且對一些常用辦公及家用電器，做外部電源接入情況下待機功耗的測試，測試數據如表1 所示。

表1 常用辦公及家用電器待機功耗 W

從表1 實際測量數據可得，所測試的電器在外部電源接入，電器電源開關關閉工況下仍均處于微功耗的狀態下。以某品牌微波爐舉例，在電源接入，微波爐電源關閉的情況下，根據電能計量公式：

可以算出每個月產生的電量為：1.152 kW·h。智能電能表計量的高靈敏度有利于引導用戶的節能意識，對于長期不使用的電器應盡量拔掉其電源線，使電器處于真正的關閉狀態。

（2）傳統的樓道公共用電設備如每層的樓道燈、應急燈、可視對講門鈴等，均采用加裝一個公共用電電能表來計量，所產生的電費按月或年平均分到每個住戶中，定時由物業管理人員到用戶家中收取。但常常出現收取困難的現象，為避免這類現象發生，很多小區開始安裝使用公用電均分器來平均分配公用電能。公用電均分器通過復雜的功率計算程序，無須單獨裝設公共用電電能表，即可將樓道公共設備用電的電量，按功率自動地平均分配到每一個住戶的電能表中，由供電局直接收取，從而避免了物業管理人員挨戶上門收取電費的繁瑣之事，減少物業管理公司與住戶之間的矛盾。一種公用電均分器工作原理圖如圖2 所示。公用電均分器通過多路繼電器開關并連接到樓道每個用戶的智能電能表的出線端，可根據公共用電的情況，智能切換計費所用的電能表，保證每只電能表所計電量均等。

圖2 公用電均分器接線

因此，如圖2 中所示的樓道燈、應急燈、保安門等公共用電設備的電能會平均分配到每一個用戶，使得用戶的電能表每天或每周會出現小電量走字的現象，屬于正常現象。

2.2 絕緣引起

有些用戶，電線老化、破損，相互絕緣不好，或是家里某個線路通過的地方很潮濕，在這種情況下，可能會出現線路漏電引起電能表的空載小電量走字。家用電器、電能表組成回路的等效示意圖如圖3 所示。

圖3 漏電計量等效電路

可以知道，R為無窮大時E 沒有能量累計；一旦線路絕緣出現問題，即等效電阻R 不是無窮大，E 就有微弱電量累積，進而反映在電能表上造成空載時小電量走字。此種情況下，應把整個線路或故障部分線路進行更新，避免微弱漏電導致小電量走字，并提高用電的安全性。

2.3 外部干擾導致

隨著社會經濟的發展，使用電能作為動力的設備越來越多，特別是各種大功率非阻性設備的投入使用，導致電能表現場運行的環境越來越惡劣，部分地區諧波干擾很嚴重、部分地區工頻磁場干擾嚴重等等，這些干擾可能造成智能電能表空載小電量走字。

2.3.1 工頻磁場干擾

如前所述，國內單相智能電能表通常使用錳銅分流器做電流信號傳感器[2]，錳銅分流器的連接方式如圖4 所示。

圖4 現有錳銅分流器的設計及連接方式

從圖4 可以看出，該連接方式在X 軸方向形成圍合區域Q2 和Q3，在Z 軸方向形成圍合區域Q1。根據法拉第電磁感應定律可知，當X 軸方向存在交變磁場，圍合區域Q3，Q2 及錳銅橫截面均會產生感應電動勢，當Z 軸方向存在交變磁場，圍合區域Q1 會產生感應電動勢，從而產生感應電流，在該感應電流的作用下電能表會出現微弱電量。此感應電流的大小取決于交變磁場的大小與圍合區域的面積[3]。

變壓器漏磁通在錳銅分流器兩端感應的電壓，可用如下函數表達式描述[3]：

式（5）中：S為閉合線圈包圍的面積，m2；Lg為空氣氣隙長度；irms為變壓器線圈電流有效值；C為錳銅離變壓器的距離。

當變壓器靠近錳銅時（即C 變小），感應電壓就會變大。當某用戶未用電時，由于電能表中的電流采樣回路受到自身變壓器漏磁或其他工頻磁場的影響，電能表中產生的能量根據式（2）和式（5）可得：

隨著時間的增加，即T 變大，電能E 逐漸累積，當累積到一定程度時電能表就會產生小電量走字。

2.3.2 干擾來源分析（1）自身變壓器漏磁。智能電能表的電源部分常采用以硅鋼片為鐵心的變壓器，由于制造工藝及成本原因，這種變壓器在工作時不可避免的會產生漏磁。若在設計電能表時變壓器與電流采樣回路處理不當，會造成電能表出現微弱的電量遞增。

（2）臨近電能表或II 型采集器的漏磁。變壓器漏磁除了對電能表自身有影響外，一旦電能表之間的距離太近，當距離小于2 cm時，就會對附近的電能表產生影響，導致小電量走字。旁側表漏磁影響示意圖如圖5 所示。

圖5 旁側表漏磁影響示意圖

從圖5 可以看出電能表的變壓器的漏磁會對電能表2的計量產生影響。另外，隨著用電信息采集系統的普及，II 型采集器被大量使用，II 型采集器緊貼著電能表安裝于右側，II 型采集器漏磁同樣會導致電能表出現小電量走字[4]。

（3）現場布線不合理。電能表安裝中，現場走線不合理，當其他用戶的大電流導線或表箱的進線經過某無負載用戶電能表時，因大電流感應出的工頻交變磁場會導致無負載用戶電能表出現小電量走字。如圖6所示中，電能表左側有大電流導線通過，可以看出大電流感應出的工頻磁場會導致電能表錳銅采樣電路產生感應電流，導致小電量走字。

圖6 布線不合理影響計量示意圖

2.3.3 試驗驗證

（1）實驗室項目測試。為驗證工頻磁場導致智能電能表出現小電量走字的這一原因，本文選取了6個不同廠家的智能電能表分別按照技術規范完成了工頻磁場試驗，試驗結果如表2 所示。

由以上試驗可以看出，所選擇的電能表正面0.5 mT 工頻磁場影響試驗符合技術規范要求，而技術規范未規定的側面在工頻磁場作用下受到一定的影響。這一試驗可以看出，漏磁、布線不合理導致的工頻磁場干擾，會對極少部分電能表造成小電量走字。

表2 工頻磁場影響試驗 （imp·h-1）

（2）電能表安裝現場測試。為進一步驗證前面的理論分析及實驗室的試驗，且到電能表安裝現場對實驗室試驗過程中影響較大的廠家4的表計進行了相關測試分析。該電能表與本樓其他電能表安裝在一起，該電能表左側緊貼供電母線，通過高斯計測得電能表左側磁場最小值為0.15 mT，但磁場變化較大，5 min 內磁場峰值多次達到0.5 mT 以上（約2 次/min），每次維持3 s 左右，即每天0.5 mT 磁場出現的時間有144 min（2.4 h），結合實驗室試驗結果，電能表側面在0.5 mT 工頻磁場影響下脈沖頻率約為8 imp/h，則144 min的0.5 mT 工頻磁場影響可使電表走字為：

計算結果與用電信息采集系統數據基本一致。用電信息采集系統中查詢到每日用電量均在0.01 kW·h左右。所以這只電能表的小電量走字現象是由于周圍供電母線線路產生的磁場引起的。

3 解決措施

通過以上分析可知，智能電能表出現小電量走字主要由隱蔽用電、現場磁干擾造成。解決隱蔽用電一方面需要養成良好的用電習慣，另外一方面需要根據現場具體情況進行排查，對癥下藥。現場磁干擾可以通過如下改進措施，來避免現場運行的智能電能表出現小電量走字。

3.1 提高智能電能表抗擾能力

3.1.1 智能電能表硬件設計方面的優化

（1）根據變壓器的設計原理以及漏磁產生的機理，變壓器的設計可以從變壓器的鐵心選材、線圈繞制方式、屏蔽等方面來優化變壓器的設計，減小變壓器的漏磁通[5]。

①選用導磁性能更好的鐵心材料，增加鐵心對磁力線的束縛；通過改變變壓器的鐵心材料，變壓器的漏磁會得到明顯的改善。

②非晶態合金作為在性能上優于傳統材料的新型材料主要是利用磁旁路原理來引導場源所產生的電磁能流使它不進入空間防護區。可以采用非晶態合金完成變壓器的屏蔽[6]。

（2）若要控制此類交變磁場干擾信號的等級在電能表安裝布線及電能表設計時可以從以下方面進行優化：改進錳銅分流器設計、安裝工藝、PCB 布線可有效地抑制該類干擾，主要的原則是盡量縮小Q1，Q2，Q3的圍和面積，對于Q1 可通過PCB 板布線設計盡量縮小其有效面積，對于Q3 可要求安裝工藝繞緊電流信號采樣線盡量縮小其有效面積，對于Q2 及錳銅橫截面可通過采用新型的穿孔型錳銅分流器使得Q2 和錳銅橫截面在交變磁場下產生的感應電動勢相互抵消。新型錳銅分流器的設計如圖7 所示。

圖7 新型穿孔型錳銅分流器的設計及連接方式

3.1.2 提高智能電能表軟件抗擾能力

（1）電能表性能規范中對電能表的起動和潛動性能有明確要求，即要求在0.004Ib起動電流條件下，儀表應能起動并連續記錄電量；當電能表只加電壓，電流線路無電流時，其測試輸出不應產生多于一個的脈沖。電能表起動、潛動性能的考核主要在于功率閾值的合理設置，一般情況下設置為起動功率的50%，當實際功率大于功率閾值時，電能表開始計量電能，但在工況下時常存在各干擾源的干擾，這些干擾一旦大于功率閾值（如圖8 所示），電能表亦會進行計量，長時間積累也會出現微小電能，從而產生電量脈沖。因此功率閾值的合理設置，需考慮電能表內部存在固有的干擾信號，其主要來源于變壓器的漏磁，DC/DC，AC/DC 電源對外輻射對信號傳感器的影響，實際的功率閾值設置值應為理論功率閾值設置值與固有干擾等級的總和。固有干擾等級因變壓器等器件的一致性因素存在一定的差異，因此在設置功率閾值時應對電能表逐只設置，切勿按統一數據設置。功率閾值的合理設置如圖9 所示。

（2）通常情況下，在受到工頻磁場干擾時，電能表功率因數會不斷變化，因此可以通過軟件進行自動判斷剔除：當電能表采樣電流小于一定值（起動閥值）且功率因數在反復變化，則認為電能表此時處于工頻干擾狀態，電能表起動相應的防潛措施。

圖9 功率閾值的合理設置

3.2 優化智能電能表現場安裝環境

根據試驗，表與表之間的距離達到5 cm 以上，漏磁對附近電能表的影響將微乎其微[3]，因此現場安裝時應保證電能表與電能表、電能表與采集器之間的安裝距離大于5 cm，電能表附近不要有其他用戶大電流的走線經過。另外，還可以選擇防工頻磁場干擾的多用戶電表箱，如專利為CN2708321 Y的表箱，采用屏蔽結構，能有效地防強電磁干擾，避免用戶間電能表采集的相互影響，保證了智能電能表計量的準確性。

4 結束語

本文從智能電能表的計量原理出發，分析了各種可能導致表計小電量走字的原因，并給出了幾種解決措施。通過試驗證明，優化設計電能表、優化現場安裝方式等對應的改進措施可以避免出現小電量走字。

[1]錢立軍，李新家.用電信息采集系統中數據比對功能的實現及應用[J].江蘇電機工程，2013，32(2)：64-65.

[2]肖 遷.基于分流式電流傳感器的三相智能電能表設計[D].長沙：湖南大學，2011：5-6.

[3]徐 晴，紀 峰，黃奇峰，等.變壓器漏磁對錳銅采樣電能表計量誤差影響的研究[J].電測與儀表，2012，49（8）：66-70.

[4]金 萍，田正其，鮑 進，等.II 型采集器接入電力系統對電能表的影響分析[J].江蘇電機工程，2013，32(5)：59-61.

[5]陳鄧偉，韓金華.基于磁屏蔽原理的變壓器漏磁研究與分析[J].技術與應用，2012（6）：69-72.

[6]馮 猛，張羊換.非晶態合金在電磁屏蔽領域中的應用現狀[J].金屬功能材料，2005，12(3)：26-30.