工頻磁場對電能表計量誤差影響的研究分析

鄧高峰，楊禮巖，趙震宇，朱 亮，俞林剛

（1.國網江西省電力科學研究院，江西南昌 330096；2.國網四川大邑縣供電有限責任公司，四川大邑 611330）

0 引言

電能表計量的高靈敏度，有利于引導用戶的節能意識、關注自己每天的用電費用，同時也提升了用戶監視電能表計量準確度的意識，因為電能表計量的準確度直接關系到廣大用戶與供電單位的切身利益。

在電能表全性能檢測實驗時發現，部分廠家電能表執行全檢過程中，發現在電能表運行在輕載工況下被檢電能表存在誤差偏大的現象；如果這些電表被安裝到現場，必會引起電能表計量的不準確，進而引起計量糾紛，電能表額外消耗的電能量雖然較小，卻影響電力部門對用戶的優質服務。本文針對此種現象，根據此類型智能電能表的工作原理分析，結合實驗分析了誤差異常的原因并給出了解決措施。

1 誤差異常情況

電能表自動檢定流水線對某廠家某批次單相表到貨后電能表執行全檢過程中，發現在功率因素0.5 L，電流為0.1 Ib時和功率因素1.0，電流為0.05 Ib時，即電能表運行在輕載工況下部分相鄰被檢電能表存在誤差偏大的現象，有的甚至接近了檢定規程規定的誤差限值±0.9%，而在其他測量點誤差均不超過±0.2。選取其中誤差偏大的4個塊表到人工檢定裝置上檢定，誤差結果卻很正常，誤差數據如表1。

表1 輕載工況下4只相鄰表的誤差數據

為了排除因為流水線檢定分支裝置超差引起檢定結果不合格，我們用一臺0.02級的標準表對流水線檢定分支裝置進行對比檢測，結果發現被檢的裝置合格。

2 電能表的工作原理

電能表中計量輸入電路包括電壓輸入電路和電流輸入電路。電能表測量的原理：電能表通過計量芯片采集輸入電能表的電壓信號和電流信號，并將采集到的信號變換成數字信號進行運算處理并輸出顯示[1]，如圖1所示。其中電壓線路通過互感器或者電阻分壓采樣；電流線路通過互感器或者采樣電阻采樣。由于錳銅電阻較好的溫度穩定性，國內外的單相電能表通常用錳銅片分流的方式進行電流采樣，采樣信號通過軟線連接送給計量芯片。若把輸入回路、PCB板等部分視為一個感應線圈回路，如圖2所示，根據電磁感應定律，線圈中產生同頻率的感應電勢，感應電勢會直接附加在電流采樣回路上，影響電能表的計量準確度。

圖1 單相電能表原理框圖

圖2 感應線圈回路

電子式電能表的計量準確性與其所在的工作環境密切相關，其中的一個重要影響因素是工頻磁場[2]。根據GB/T17626.8-2006《電磁兼容試驗和測量技術工頻磁場抗擾度試驗》中對工頻磁場來源說明：工頻磁場是由導體中的工頻電流產生的，或極少量的由附近的其他裝置（如變壓器的漏磁通）所產生。單相電子式電能表的輸入電路一般采用錳銅片分流的方式進行電流采樣，輸入電路，PCB板等多處均對磁場有敏感的響應，簡而言之若把輸入回路、PCB板等部分視為一個大的線圈回路，根據電磁感應定律，工頻磁場穿過回路線圈時，會在線圈中感應出同頻率的電流[3，4]。

3 實驗分析與結論

根據故障描述和現場實際情況，在自動流水線上用特斯拉計測量表上場強的值，如圖3所示。當臺體電流為5 A時，測得表上場強最大處為19.40μT；當臺體電流為0.05 Ib時，場強為19.31μT。而臺體電流為0 A時，場強為19.16μT。可以看出，臺體檢定電流不是磁場產生的主要來源，但表上存在的磁場會影響電能表計量。為了查找磁場來源，當臺體電流為0.05 Ib時，我們在一個托盤中對一塊電能表用鐵板遮擋，如圖4所示，測得磁場強度15.76μT，對比可以看出遮擋后磁場強度有所降低，分析得出電能表上存在相鄰表位電能表磁場影響。

圖3 不同電流下自動化流水線上磁場強度

圖4 鐵板遮擋時自動化流水線上磁場強度

為了驗證兩塊電能表互相之間會有磁場干擾，我們選取兩塊故障表，在試驗室中調整掛表間距來測量兩個電表的誤差，得到的數據繪制成圖，如圖4所示。

圖4 掛表間距對表計誤差的影響

從試驗中可以看出，對相互間距小于20 cm的兩只電能表進行檢測時，相鄰的兩塊表互相之間會影響計量準確度。掛表間距對大電流Ib負荷點影響較小，基本可以忽略不計，但在小電流負載下掛表間距對相鄰近的電能表計量準確度的影響較大，并且電能表之間的間距越小，影響越大。

通過現場測試與試驗，相鄰電能表在小電流負載下會有磁場干擾，而磁場干擾來源于相鄰表位電能表，經驗分析得出電能表磁場來源于電能表變壓器漏磁。電能表變壓器的漏磁通是指未經過鐵芯閉合的部分磁通，對于電能表使用的變壓器，生產企業大多采用圖5所示的EI型硅鋼片疊成。在E型與I型鐵芯的結合處將產生空氣隙，因空氣隙的磁阻遠大于鐵芯的磁阻，電磁感應產生的磁力線在通過空氣隙時，不可避免地會產生圖5所示的扭曲變形和泄漏。因此，實際變壓器的磁力線的泄漏是不可避免的。

圖5 變壓器的漏磁

拆開這些不合格電表，查看內部電流采樣回路的硬件情況，如圖6所示，發現錳銅片分流器與電路板之間的連線纏繞雜亂，有較大面積的閉合環路。而故障表上磁場來源于相鄰表位電能表變壓器漏磁，當磁場輻射穿過相鄰電表的時，由于電流采樣電路存在導線回路和PCB走線回路，當磁場穿過它就會產生較小的感應電流，因此在校驗較小電流的誤差時這種干擾影響是較為明顯的，有的誤差可達1.0以上。

圖6 故障表電流采樣回路實物圖

根據GB/T17626.8-2006《電磁兼容試驗和測量技術工頻磁場抗擾度試驗》，變壓器的漏磁屬于工頻磁場。而國網企業標準Q/GDW 364-2009《單相智能電能表技術規范》中對于電能表抗工頻磁場干擾要求為：“外部0.5 mT磁場強度時，電能表電流施加Ib電流，功率因數為1.0，百分數誤差改變極限應不大于2.0%”。但技術規范中沒有對輕載工況下的電能表抗磁場干擾有要求，針對此我們對故障表在小電流負載點（0.1 Ib與0.05 Ib）做了工頻磁場影響量試驗，試驗環境與試驗結果如圖7、8所示。

圖7 工頻磁場影響量試驗

圖8 工頻磁場對不同負荷點的影響

由于試驗室設備的限制，我們所做的最小磁場試驗為0.05 mT，從試驗結果可以看出該電能表受工頻磁場的影響很大，工頻磁場在電表內部引線之間產生的感應電流會直接附加在采樣電流上，影響電能表的計量準確度，雖然滿足Q/GDW 364-2009《單相智能電能表技術規范》中對電流施加Ib電流、功率因數為1.0負載點，測得的誤差改變極限應不大于2.0%的工頻磁場影響試驗要求，但在小電流負載下電能表受磁場影響檢定誤差偏差巨大，在0.05 mT磁場下誤差已接近2%，隨著磁場的增大，誤差更大。通過以上的工頻磁場影響量試驗也很好的解釋了上述自動化流水線上部分相鄰被檢電能表的磁場干擾約19.40μT時，小電流負載點下存在誤差達到1%的現象。

4 改進措施及建議

針對電能表在小電流負載點受變壓器漏磁的干擾，我們提出措施與建議：

1）電表廠家產品設計時應全面考慮電磁兼容方面的設計，可從幾方面改進去減小變壓器漏磁的干擾：

（1）減小采樣閉合回路面積。改進錳銅采樣電阻設計，在采樣電阻中間位置設有一個通孔，采樣信號連接端設在錳銅片上下，將采樣電阻劃分成兩個不同方向的回路，形成不同方向的感應電動勢相抵消，并通過把采樣雙絞線緊密扭絞在一起減小電流采樣電路的閉合回路面積，可大大降低了磁場干擾的影響。

（2）調整變壓器的安裝位置。改變磁力線方向，減小輻射敏感性。

（3）增加屏蔽措施。采用外部加導磁外殼的方式，對變壓器產生的漏磁進行屏蔽，導磁材料的外殼可以將漏磁場束縛在內部，通過外殼發熱來消耗漏磁能量，減小向周圍空間產生的輻射。

2）針對工頻磁場影響量試驗，目前電能表的國網技術規范是依據國際使用面最廣泛的IEC標準制定的，國網技術規范在綜合誤差評估時，工頻磁場影響量試驗只關注Ib負載點，這樣是不能反映出小電流負載下工頻磁場影響；而根據國際建議的最新的標準IR46標準提出不僅要關注Ib負載點下的工頻磁場影響量帶來的誤差，還需增加做小電流負荷點的工頻磁場影響量試驗。通過這次技術分析引起了我們對小電流負載下工頻磁場影響的關注，對后續開展研究IR46標準具有重要的意義。

[1]李勤.電磁干擾對電子式電能表的影響及其抑制策略[J].電測與儀表，2007，44（6）:50-54.

[2]秦曾煌.電工基礎［M］.北京:高等教育出版社，1990．

[3]羅拓.電力變壓器漏磁場的特點與分析[J].廣東輸電與變電技術，2007，（2）.

[4]GB/T 17215.321-2008，交流電測量設備特殊要求第21部分:靜止式有空電能表（1級和2級）[S].