中性點接地方式對電能計量的影響分析

王海蓉，徐陽2，常皓

(1.國網黃石供電公司，湖北 黃石 435000;2.國網邢臺供電公司，河北 邢臺 054000)

1 引言

電力系統中性點接線方式包括中性點不接地系統、中性點經消弧線圈接地系統、中性點直接接地系統。目前，我國110kV及以上電網主要采用中性點直接接地系統。根據《電力裝置的電測量儀表裝置設計規范》第4.1.8條，中性點有效接地系統中應采用三相四線制接線的電能表，中性點非有效接地系統的電能計量裝置宜采用三相三線的接線方式。但在實際應用過程中，仍然存在有效接地系統中，三相三線制接線和三相四線制接線的電能表混用的情況，對電能計量的準確性造成了一定的影響，造成供電公司統計線損率居高不下，增加了同期線損管理難度。本文結合供電公司線損率持續偏高的案例，分析未按照相關標準規范執行，未采用與系統中性點運行方式相匹配的電能計量方式造成的線損率異常問題，為類似線損異常問題提供查找思路。

2 電能計量的原理

電能計量一般有兩元件法(三相三線接線)和三元件法(三相四線接線)。三相三線接線主要是通過線電壓搭配對應的相電流實現；三相四線法是采用三相電壓和對應電流實現電能計量的。三相三線法通常應用于中性點不接地系統中，三相四線接線通常應用于中性點直接接地系統或經消弧線圈接地系統[1]。

(1)中性點不接地系統采用三相三線電能計量方式。

在中性點不接地系統中，采用三相三線經CT和PT接入方式進行計量，該方式為不完全星形接線，其接線圖和向量圖如圖1所示。

圖1 中性點不接地系統三相三線制接入方式及向量圖

根據接線圖和向量圖分析有：

在中性點不接地系統中，三相負荷對稱情況下，有iA+iB+iC=0,uA=uZA、uB=uZB、uC=uZC、uoo1=0成立，則令UAB=UBC=UCA=U,IA=IB=IC=I,φα=φb=φc=φ， 則電能表測量功率為：

P=uABiA+uCBiC

(1)

即：

P=UABIAcos(30+φa)+UCBICcos(30-φc)

(2)

式(2)進一步化簡可得：

P=UIcos(30+φ)+UIcos(30-φ)

(3)

則：

(4)

此時負載功率為：

P1=uAiA+uBiB+uCiC=uZAiA+uZBiB+uZCiC

(5)

P1=uAiA+uB(-iA-iC)+uCiC=uABiA+uCBiC=P

(6)

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，當出現不對稱情況時，因其中性點不接地，iA+iB+iC=0仍然成立，但負載中性點與變壓器中性點之間將產生位移電壓，即uoo1≠0、uA≠uZA、uB≠uZB、uC≠uZC，其位移向量圖如圖2所示[2-3]。

圖2 不對稱情況下三相三線制接入電壓位移向量圖

此時各項負載電壓與電源電壓不再保持一致，即負載功率為：

P1=uZAiA+uZBiB+uZCiC

(7)

由位移向量圖可知：uA=uZA+uoo1、uB=uZB+uoo1、uC=uZC+uoo1

那么有：

P1=(uA-uoo1)iA+(uB-uoo1)iB+(uC-uoo1)iC

(8)

進一步簡化變為式(5)，因此，對于中性點不接地系統來說，三相三線接線在負荷對稱或不對稱情況下，測量功率和負載功率保持一致。

(2)中性點直接接地系統采用三相三線電能計量方式。

在中性點直接接地系統中，三相負荷平衡情況下，三相三線電能表測量功率與中性點不接地系統結果相同，不再贅述。當出現不對稱情況時，中性點電流i0不再為0，此時的電能計量接入系統方式如圖3所示。即i0=iA+iB+iC≠0，則有iB=i0-iA-iC，將該式帶入(8)式有：

P1=uABiA+uCBiC+(uB-uOO1)i0≠P

(9)

由式(9)可以看出，此時負載功率與計量表計的測量功率將不再相等，三相三線電能表將在中性點直接接地系統中三相負荷不平衡狀態下出現計量誤差。誤差的大小與中性點電壓電流及B相電壓有關，流過中性點的接地電流越大，則誤差越大。

圖3 中性點直接接地系統不對稱情況下三相三線制接入方式

(3)中性點不接地系統采用三相四線制電能計量方式。

三相四線制計量方式選取使用較為普遍的經CT接入方式，其接線圖如圖4所示。

在三相負荷對稱運行情況下，有iA+iB+iC=0,uA=uZA、uB=uZB、uC=uZC、uoo1=0成立，則令UA=UB=UC=U相,IA=IB=IC=I,φα=φb=φc=φ，則電能表測量功率為：

P0=uAiA+uBiB+uCiC

(10)

即：

P0=UAIAcos(φa)+UBIBcos(φb)+UCICcos(φc)

(11)

式(11)進一步化簡可得：

P0=3U相Icosφ

(12)

此時負載功率為：

P2=uAiA+uBiB+uCiC=uZAiA+uZBiB+uZCiC=P0

(13)

圖4 中性點不接地系統三相四線制接入方式及向量圖

當負載不對稱時，因其中性點不接地，iA+iB+iC=0仍然成立，但負載中性點與變壓器中性點之間將產生位移電壓，即uoo1≠0、uA≠uZA、uB≠uZB、uC≠uZC，其位移向量圖如圖2所示。此時各項負載電壓與電源電壓不再保持一致，則三相四線制功率計量公式變為：

P2=uZAiA+uZBiB+uZCiC

(14)

有位移向量圖可知：uA=uZA+uoo1、uB=uZB+uoo1、uC=uZC+uoo1

那么有

P2=(uA-uoo1)iA+(uB-uoo1)iB+(uC-uoo1)iC

(15)

進一步簡化變為式(13)，因此，對于中性點不接地系統來說，三相四線制接線在負荷對稱或不對稱情況下，測量功率和負載功率保持一致。

(4)中性點直接接地系統采用三相四線制電能計量方式[4]。

在中性點直接接地系統中，三相負荷平衡情況下，三相四線制電能表測量功率與中性點不接地系統結果相同，不再贅述。當出現不對稱情況時，中性點電流i0不再為0，此時的電能計量接入系統方式如圖5所示。

即i0=iA+iB+iC≠0，則有iB=i0-iA-iC，將該式帶入式(15)有：

P2=uAiA+uBiB+uCiC-uOO1iO≠P0

(16)

由式(16)可以看出，此時負載功率與計量表計的測量功率將不再相等，三相四線電能表將在中性點直接接地系統中三相負荷不平衡狀態下出現計量誤差。誤差的大小與電力系統的中性點電壓和電流有關，其值越大誤差越大。

圖5 中性點直接接地系統不對稱情況下三相四線制接入方式

3 案例分析

某供電公司220kV A線線損率持續異常，計量人員多次深入現場核查接線，并更換新的電能表后均無法恢復正常。該線路設備基本情況如表1所示。

該線路更換新的電能表后近幾月電量損失情況如表2所示。

表1 A線路對應變電站計量及線路設備基本情況表

表2 A線線損率統計表 單位：萬千瓦時

2017年1月至7月220kV A線對應兩側變母線和主變電量損失率情況如表3所示。綜合A1、A2變分析，兩站站內元件損耗率基本正常，故分析重點鎖定在220kV A線線路及兩側開關。

表3 A線對應兩側變母線和主變電量損失率情況 單位：萬千瓦時

220kV A線網架結構如圖6所示。

圖6 220kV A線網架結構圖

正常運行方式下，電廠B至A1變、電廠C至A1變、電廠C至A2變、A1變至A2變環網運行。

為便于分析，抽取電力調度系統中5月1日至7月25日24個點的日負荷有功、無功數據，通過分析發現：電廠C 2#機組5月1日00:00～5月21日6:40停運；A線5月12日6:10～5月15日22:10停運；CA1線5月5日6:00～5月20日5:10停運；CA2線6月15日6:50～6月18日19:55停運。電能計量系統中220kV A線線損率與兩側開關功率因素關系圖如圖7所示。

從圖7分析可知：

(1)在CA2線或CA1線處停運狀態時，A線在電能量計量系統中有功線損率降低至2%以下，無功損耗大部分處于10%～20%之間。其他時段有功線損在率3%以上，最大有功線損率達到64%，無功線損均在10%以上，最大無功損耗達到70.9%。

(2)在7月17日～7月25日期間，由于A線每日雙向潮流交換較為頻繁，造成電能量計量系統反應的有功無功損耗更大。因此，可以看出電網運行方式對計量結果造成較大影響。

圖7 線損率與功率因素對比分析圖

通過電網運行方式分析，發現潮流對線損影響較大，為弄清是220kVA線本身線損就偏高，還是因為數據采集系統原因，對兩大計量系統進行對比分析。提取了潮流方向相對穩定的27天電量分析如圖8、圖9所示。

通過對比分析發現：

(1)A2變開關電能量計量系統與電力調度的積分電量相對誤差較小；

(2)A1變開關電能量計量系統與電力調度的積分電量部分時間相對誤差較大，且相對誤差正負與潮流方向有關，潮流方向為A2至A1時，A1變開關電能量計量系統數據偏大，潮流方向為A1至A2時，A1變開關電能量計量系統數據偏??；且A1變開關誤差呈現跳躍趨勢，從1%到12%之間跳躍，功率因素偏差越低，誤差越大。

(3)通過調度系統計算的積分電量得出的A線線損正常，線損率在1%以內，與理論線損值(0.2%以內)較為接近。因此，確定運行方式對電能量計量系統數據造成一定影響，進一步展開電能量計量系統的分析。

現場電能表檢查結果為：

(1)A1變采用的電能計量表為寧波三星電氣股份有限公司生產的DSZ188，三相三線智能電能表，有功0.5S，無功2.0級。A2變采用威思頓DTZ178，三相四線智能電能表，有功0.5S，無功2.0級。

圖8 電能量計量系統與電力調度系統線損率對比分析圖

圖9 A1變開關與A2變開關相對誤差對比分析圖

(2)A1變二次回路接線正確；表計誤差測試在合格范圍內；表計現場實負荷走字試驗合格；二次壓降測試值為-0.288%，超差。A1變電壓互感器0.2級繞組未使用，計量電壓二次回路接入的是0.5級二次繞組，經現場電壓互感器誤差測試0.2級和0.5級繞組誤差均不合格。

(3)A2變二次回路接線正確；表計誤差測試在合格范圍內；表計現場實負荷走字試驗合格。

A線電能量計量系統圖如圖10所示。

圖10 A線電能量計量系統圖

通過圖10并考慮中性點接地系統中三相負荷不平衡情況下，由公式(1)、(9)、(10)和(16)推導出A線線損率計算公式為：

(1)A1變流入A2變時：

(17)

進一步將式(1)、(10)代入由

(18)

化簡得：

(19)

由公式(19)可知:

①在不考慮線路損耗和電壓偏移的情況下，若三相負荷不平衡,A線路兩端因計量表計接線方式不同將增加線損誤差。

②A1變流入A2變時由于A1側為三相三線制接線，由公式(9)知，該值在三相負荷不平衡情況下，負荷功率與計量功率相差：

P=P1+(uOO1-uB)iO

(20)

將該式子代入(19)有：

(21)

即不僅有中性點電壓和中性點電流帶來的功率損耗偏差，還有B相電壓偏差。則分母較實際值減少。

(2)A2變流入A1變時：

(22)

進一步將式(1)、(10)代入有：

(23)

化簡得：

(24)

由公式(24)可知:

①在不考慮線路損耗和電壓偏移的情況下，若三相負荷不平衡，A線路兩端因計量表計接線方式不同將增加線損誤差。

②A2變流入A1變時由于A2側為三相四線接線，由公式(16)知，該值在三相負荷不平衡情況下，負荷功率與計量功率相差：

P0=P2+uOO1iO

(25)

將該式子代入式(24)有：

(26)

即為中性點電壓和中性點電流帶來的功率損耗偏差。則分母較實際值偏大。

由式(21)、(26)可知，通過對比A1變流入A2變和A2變流入A1變線損率分析可知，A1變流入A2變時線損率絕對值比A2變流入A1變要高。

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 解決方案

(1)在中性點有效接地系統中，嚴格按照規程規范將三相三線電能表更換為三相四線電能表。通過上述分析，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。中性點直接接地系統應采用三相四線接線方式，否則會產生較大的計量誤差。

(2)將A1變開關的電能計量表計更換為三相四線電能表后，A線線損率如表4所示。

從表中可以看出，A線線損率恢復了正常。

表4 A線線損率統計表 單位：萬千瓦時

5 總結

電能計量工作的公平、公正、準確與可靠，關系到電力公司與用電客戶雙方的經濟利益。而中性點接地方式對電能量計量表計有一定影響，因此，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。在中性點不接地系統，三相三線和三相四線接線方式的計量表計在計量誤差方面均滿足要求，但在有效接地系統中，宜采用三相四線接線方式，避免帶來計量誤差。

結合220kV線路線損率異常的實際案例，逐步分析查找線損率異常原因，并最終通過實際案例證實在有效接地系統中，三相三線電能表與三相四線電能表混用對線損影響較大。因此，為確保線損歸真，提升同期線損管理水平，應嚴格按照規程規范要求，對不同的中性點接地方式應選擇正確的電能表計量方式。