分布电容对电能计量的影响

肖 冀，程 帆，赵福平

(重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123)

0 引言

随着电力的市场化，电力营销对电能计量工作提出了更高的要求。同时近年来电力用户的法律意识和专业电气知识也在不断的提高，对电力公司的一些计量方式提出了新的见解。笔者在现场检验工作中也多次发现线路处于空载热备用运行状态(刀闸合上，开关断开)时，电能表存在着正反向计量有功电能和线路轻载功率因数cosφ过低，导致用户受罚等现象。由此，供用电双方的争议也就出现了。

1 典型案例分析

1.1 案例1:轻载负荷线路功率因数cosφ过低

重庆市长安福特马自达工厂从重庆市电力公司江北供电局茅坪变电站引出两回110kV茅马Ⅰ、Ⅱ线路，如图1所示。

图1 长安福特马自达工厂与江北供电局茅坪变电站的接线图

线路长度2km，负载为变压器及施工基建，有功负荷极轻。经实测一次侧电流为3A，二次电流为0.05A(CT变比为300/5)。供电方根据茅坪变电站贸易结算点安装的电能表所记录的有无功电量计算出平均功率因数cosφ=0.5，远远低于《功率因数调整电费办法》中规定160kVA以上高压供电工业用户功率因率标准0.90的要求，应对该用户进行功率因数考核。但用户提出该厂采用就地无功自动补偿，监控装置显示cosφ=0.96，且根据用户侧参考计量点电能表上有无功电量计算平均功率因数同样为cosφ=0.96，达到《功率因数调整电费办法》要求，不应进行功率因率考核。

1.2 案例2:线路热备用电能表正反向有功进字

重庆市电力公司南岸供电局220kV金家岩变电站110kV金重线是该局供重庆发电厂的专用线路，线路全长4.5km，该线路作为电厂备用电源，线路长期处于热备用运行方式。该计量点安装的是瑞士兰吉尔公司的ZMD型0.2S级三相四线电子式电能表，线损统计人员发现该电能表正反向有功电量都存在进字情况，每月累计数千度电量。技术人员在该计量回路上用万分之五的电能表现场校验仪对实际二次电流、有无功功率、相角进行测量，校验仪均显示为零，无向量图显示。这一切仿佛是合乎逻辑的，一次线路开关断开，二次回路应无电流。但电能表每月又确实在进字，这又难以解释。最后技术人员又用笔记本电脑上厂家提供的专用读表软件对电能表的负荷曲线及相关信息进行解读，线索终于出现了，电能表二次电流采样回路有10mA的电流，并且超前相电压89°～91°。

2 分布电容对电能计量的影响

笔者认为，电能表在线路热备用运行方式下正反向有功电量都存在进字，及轻载负荷线路功率因数cosφ过低均是分布电容的产生及其对CT、PT、二次回路计量时相位角发生位移造成。

2.1 线路无功电流的产生与估算

当交流电压加在输电线路上，在三相导线周围会产生交变电场，在它的作用下，不同相导线之间，以及导线和大地之间会产生容性电流，形成容性充电功率，如图2所示。

图2 输电线路导线和大地之间电容电流示意图

线路处于空载热备用状态，若忽略相与相间的电容电流的影响，其产生的电流应为对地的电容电流。其方向应为流向合闸侧，其值可按简易公式进行估算:

式中:U—线路的额定电压(kV)、L—线路长度(km)。

对于典型案例2，110kV金重线由于该专线有架空地线，所以系数值取3.3，可算出单相对地电容电流:

该线路 CT变为 600/5，折算到二次约为13.5mA，与专用读表软件读出电能表取样电流基本一致。若为电缆输电线路，则可根据电缆生产厂提供的电容参数，计算出无功电流。经以上分析，典型案例2中的二次回路的微小电流应为线路产生的无功电流。但理论上容性电流只会引起无功计量，有功电能应为0，可电能表计上正反向都存在有功电量，下文将就此问题继续探讨。

2.2 CT对电能表电流相位的影响

输电线路上容性无功电流通过CT感应到二次侧，供电能表进行计量，由于互感器需要激磁电流I0，以供给铁心激磁并消耗功率，造成了电流互感器的误差。电流互感器的误差由比值误差f1和相位角误差δI组成。相位角误差δI是二次电流反向后与一次电流的相角差，当前者超前后者δI为正值;反之，滞后时为负值。CT相位角误差应按下式计算:

由(2)可知，当CT一次电流 I1越小，I0/I1越大，相位角误差δI向正方向增大，查阅0.5级电流互感器历次检验报告，可以看出CT相位角误差随电流变化的曲线十分陡峭，当一次电流很小时，二次电流超前一次电流相位差δI甚至可能大于2°。

2.3 PT及PT二次回路对电能表电压相位的影响

同理，由于激磁电流和绕组阻抗的存在，电压互感器二次电压与一次电压间也会产生相位偏移，二次电压反向后超前一次电压时相位角差δu为正，滞后时为负。δu由空载相位角误差与负载相位角误差组成，δu的大小与正负同样受电压变化、二次负载及负载功率因数的影响。根据现场确认110kV金重线计量电压取自110kV母线电压互感器，且一直工作在额定电压状态，所以δu受电压变化影响不大。根据相量分析，δu可能为正值，也可能为负值。变电站电压互感器二次出线端与电能表间连有较长的导线，会产生电压降造成电能表输入端电压产生相位偏移，对电能表而言，这部份误差时比PT本身的误差要大得多，产生的相位角误差为:

式中:rI—导线电阻;B2—PT二次负载电纳。

由上式可知，由PT二次压降引起的相位差δr与导线电阻及回路负载电纳成正比，导线越长、负载功率因数越低，rI、B2越大，相位差δr越大，一般情况下δr为正值，即电能表输入端电压超前于PT二次出口电压。

2.4 轻载负荷线路功率因数cosφ的计算

案例1中供电侧与用户侧电能表所记录功率因数cosφ不一致的原因分析:电力公司用每月供电侧贸易结算点累计有无功电量进行平均功率因数计算，即

从图1上分析可以看出，供电侧贸易结算点无功功率Q应为线路上形成的无功充电功率Q1，加上用户侧实际消耗的无功功率Q2;即Q=Q1+Q2，而用户侧参考点无功功率只包含用户实际所消耗无功功率Q2。用户侧参考点用每月累计有无功电量进行平均功率因数计算，即

输电线路在空载热备用及轻载情况下，由于无功充电功率的存在，WQ=WQ1+WQ2且WQ1＞WQ2。

用实测值带入本文(4)、(5)式，计算出贸易结算点的cosφ1确实低于用户侧参考计量点cosφ2。根据以上分析贸易结算点cosφ1，功率因数偏低是因为线路产生无功充电功率及有功负荷过低造成的，根据与用户签定的供用电合同规定，贸易结算点设置在产权分界处，用户理应承担线损电量及线路无功充电功率导至cosφ低而受罚的责任。

3 结论及解决方法

(1)由于CT、PT及PT二次回路压降对电能表电流、电压相位的影响，使空载热备用线路实际二次侧电能表计量功率与一次侧功率不一致，将产生误差。二次侧电能表计量功率为:

在三相对称的理想情况下，当δI-δr±δu＞00时，P为负值，有功电能反向计量。当δI-δr±δu＜00时，P为正值，有功电能正向计量。当δI-δr±δu=00时，有功电能不计量。这说明了在空载热备用输电线路中有功正向走字，反向走字都有可能。

(2)当输电线路上有功负荷较小时，因为分布电容的客观存在而形成的无功充电功率，将导致用户cosφ过低而受罚的情况。

(3)要减小线路充电无功功率对电能计量的影响，必须通过减小合成相位角误差，通过配置0.2S级电流互感器减小小电流情况下相位误差，同时减小PT二次回路负载，提高二次负载功率因数来实现。

(4)建议电力调度部门及线路两侧供用电双方变电站运行人员，记录好线路空载热备用运行时的起止有功电量、功率因数、时间等相关数据，并在电量结算时将这部分有功电量剔除。

(5)线路带电后用户可根据生产需要及时增加有功负荷，防止线路无功充电功率导致cosφ过低而受罚的情况。如果用户是双回供电线路，线路带电后，有功负荷较小，那么用户可以和供电方协商，暂时停用一条线路。这样全部有功负荷可以转移到一条线路上来。停用一条线路后，无功充电功率减小，cosφ自然提高。

［1］钟新华.配电网电容电流估算公式的修正［J］.供用电，2004，(1).

［2］刘强，刘永放.空载热备用输电线路电能表计量分析［J］.电测与仪表，2006，(2).