三相電能表反方向計量故障的分析

潘英吉, 周和平

1.國家電網吉林供電公司 吉林吉林 132001 2.吉林市電力設備安裝公司 吉林吉林 132002

1 故障情況

運行中發現三相電能表計量出現反向電量,經對計量裝置接線方式及計量參數進行檢測,并未發現異常。為判斷電能表本體是否存在參數突變問題,在其回路中又接入一個電能表,即同一計量回路接入兩個電能表。經過一段時間運行后,兩個電能表均計量出反向電量,基本上可以確定兩個電能表計量正常。在對用電設備進行全面檢查時,發現一臺注塑機的三相電源控制開關外殼發熱,并伴有燒焦氣味。打開上蓋后,看到三相開關有一相接點嚴重氧化,接觸不良,造成三相電動機非全相運行。非全相運行是否引發三相電能表反向計量,需做進一步分析。

2 供電計量方式

發生上述故障的塑料制品加工廠為10 kV電源供電,電力用戶無備用電源。電能計量裝置采用髙供高計,供電計量系統如圖1所示[1-2]。圖1中TV為電壓互感器,TA為電流互感器,kWh為三相電能表,T為變壓器,K1～K3為三臺注塑機控制開關,KZ為照明和空調控制開關。

圖1 供電計量系統

為提高10 kV配電系統的供電可靠性,通常系統中性點采用不接地運行方式。依據電工學基爾霍夫節點電流定律,IA+IB+IC=0,IA+IB=-IC,IA+IC=-IB,即任意兩相電流的向量和均等于第三相電流的反方向向量。10 kV供電系統具備以上條件,三相電能計量裝置可采用V/V接線方式,兩臺電流互感器分別串接在A相、C相電源中,兩臺單相電壓互感器分別并接在A相和B相、B相和C相上,電能計量采用兩個計量元件的三相三線制電能表,接線方式如圖2所示[3],向量圖如圖3所示。

圖2 計量裝置V/V接線方式

圖3 V/V接線方式向量圖

依據電工極性學原理,設定三相電能表的電壓線圈和電流線圈由同名端指向異名端為正方向,這樣,三相三線制電能表第Ⅰ個計量元件電壓線圈承受的正方向電壓為Uab,流過電流線圈的電流為Ia,電壓與電流之間的夾角為30°+φ;第Ⅱ個計量元件電壓線圈承受的正方向電壓為Ucb,流過電流線圈的電流為Ic,其夾角為30°-φ。φ為功率因數角,三相電能表計量的三相功率為[4]:

(1)

式中:Ux、Ix分別為線電壓與線電流。

三相電能表所計量的功率應該能夠正確表達三相計算功率。

3 故障分析

檢查中發現3號注塑機電源控制開關K3因固定螺栓松動,接點過熱氧化,造成接觸不良,并有放電痕跡,經檢測發生在控制開關的b相。如果僅3號注塑機在運行,b相處在斷開狀態,變壓器二次側只有a相、c相上帶有負載,反映到一次側也同樣如此。為簡化對三相電能表反方向計量故障的分析,變壓器電壓變比為1∶1,故障時接線如圖4所示[4-5]。

圖4 故障時接線

從圖4中可以看出,B相在斷開的情況下,電源線電壓UAC施加到三相電機A相、C相繞組上,流過的電流為IAC。三相電能表第Ⅰ個計量元件電壓線圈承受的電壓為Uab,從A相電流互感器同名端流出的電流為Iac,并經電流線圈形成閉合回路。第Ⅱ個計量元件電壓線圈承受的電壓為Ucb,從C相電流互感器異名端流出的電流為-Iac,-Iac=Ica,經電流線圈形成閉合回路。依據電壓與電流之間的向量關系,可計算出每個計量元件所計量的功率。計量元件向量圖如圖5所示[6]。

圖5 計量元件向量圖

三相電能表第Ⅰ個計量元件所計量的功率PⅠ=UabIaccos(60°+φ),第Ⅱ個計量元件所計量的功率PⅡ=UcbIcacos(60°-φ),計量總功率的代數和P=UabIaccos(60°+φ)+UcbIcacos(60°-φ)[7]。

當功率因數角φ>30°或cosφ<0.866時,第Ⅰ個計量元件電壓與電流之間的夾角大于90°,計量的功率為負值。這就是控制開關b相接觸不良,造成三相電能表反向計量的原因所在。三相電動機缺相運行,會造成其它兩相電流急劇增大,甚至被燒毀。在正常用電負荷中,有兩相用電設備,如跨相電焊機或電弧爐等,無論三相四線制或三相三線制電能表,均存在有一個計量元件反向計量的問題,這涉及到總電量是每個計量元件所計電量的絕對值和還是代數和。三相功率計算式(1)說明總電量的正確計算應為代數和,如果按照絕對值和計算總電量,那么將是錯誤的。

4 保護措施

三相電動機因非全相運行而被燒毀,這樣的事故時有發生。針對大功率及重要負荷的三相電動機,應加裝缺相保護,分為電壓和電流兩種方式。在安裝處的電源側發生斷線時,電壓保護能夠檢測到三相電壓不平衡,保護動作于跳閘。若在負荷側發生斷線,電壓保護檢測不到三相電壓運行狀況,存在盲區。電流保護可以保護全線路,當本線路及電源側任意點處發生斷線故障時,均能檢測到三相電流不平衡,保護動作于跳閘。斷線電流保護接線如圖6所示[8-9],圖6中TA為采樣電流互感器,TZ為電流轉換器,VJ為電壓繼電器,TQ為跳閘線圈。

圖6 斷線電流保護接線

三相電動機在正常運行時,三相電流是平衡的,反映在電流互感器的二次電流為Ia+Ib+Ic=0,在電流轉換器鐵心中產生的磁通Φ為0,二次繞組輸出電壓U2為0,電壓繼電器不動作。若電源或負荷中一相斷線,設A相斷線,三相電機定子繞組承受的線電壓為UBC,并產生電流IBC,經電流互感器二次輸出電流Ibc,在電流轉換器鐵心中產生磁通Φbc,二次繞組輸出電壓U2,啟動電壓繼電器。考慮系統受沖擊或投切負荷的影響,會造成瞬間三相電壓不平衡。為防止保護誤動作,避開沖擊,常開接點延時5 s閉合后接通跳閘線圈,使電源開關跳閘。

5 結束語

經分析,三相電動機因B相缺相運行,引起三相電能表第Ⅰ個計量元件反向計量,第Ⅱ個計量元件正向計量,總電量為正、反方向電量的代數和。反方向計量的負電量是正方向多計的電量,電費應按照各計量元件所計電量的代數和進行核計[10]。

三相電動機在缺相的情況下運行,其它兩相定子繞組形成串聯,并承受電源的線電壓。為維持工作轉矩不變,回路電流劇增,如不及時跳閘,電動機在較短時間內會被燒毀。加裝缺相保護投入運行已2年多時間,曾發生過戶外跌落式開關一相脫落故障,缺相保護正確動作跳閘,使三相電動機得到了保護。