三相电子式电能表在线运行异常状况分析

曹建凯，丁 志，周和平

长期以来，安装在电力用户的三相电能表由于数量多、分布广，出现计量不准确问题很难及时发现，待日后发现时，只能根据电能表所计量的电量及用电情况进行协商解决。即便是安装了自动化抄表系统，其用途也仅仅是根据上传到主站的电量作为电费发行的依据。三相电能表出现故障将会导致电量丢失，直接造成经济损失，引起线损率波动较大。针对这一问题，对自动化抄表系统功能进行了扩展。电能表本身采集和计量的数据应满足主站对电能表设定的判断条件所需要的数据，从中筛选出运行异常或故障的电能表。

1 GPRS自动化抄表系统组建

自动化抄表系统有多种方式，现介绍目前已运行的一种通过无线GPRS信道进行数据传输系统。通信网络在统一通信规约的条件下，电能表与数据采集通信模块做成一体化，简称为GPRS电能表。电能表一般以铭牌上的资产号作为数据通信地址，通过系统进行数据的接收、存储和发送，在通信过程中不做任何数据处理。正常情况下，每个GPRS电能表通过内部安装的SIM卡登陆网络后，通过Internet接入点获得外部IP地址，并建立起访问Internet的通道。主站服务器根据Internet协议（TCP/IP）直接获得具有外部固定IP地址。这样，主站与GPRS电能表通过无线网络就建立起通道并进行数据交换。GPRS自动化抄表系统的组建见图1所示。

图1 系统通信结构

对上传到主站的电能表数据，在设定判断条件时，要考虑三相三线制与三相四线制的电能表及计量装置所承受的电压、接线方式、计算表达式及故障形式的不同，因此要分别进行筛选，下面针对具体接线方式进行详细分析。

2 三相三线制电能表判断条件

三相三线制电能表通常应用在电源中性点不

2.1 三相三线制电能表电压判断条件

在10 kV中性点不接地系统中，电能计量通常采用三相三线制电能表，一般采用2个元件进行计量，第Ⅰ元件所承受的电压为Uab，流过的电流为Ia，夹角为30°+φ；第Ⅱ元件所承受的电压为Ucb，流过的电流为Ic，夹角为30°-φ。接线方式见图2所示。

图2 三相三线制电能表

对于10 kV电压等级，电力系统运行规程规定电压合格率的标准为额定电压的±7%，通过电压互感器反映到二次侧电压为107～93 V，即定为判断电压合格率的标准，考虑大功率设备的启停，故，连续运行时间在10 h以上，均超出这个规定电压范围的筛选出来。

10 kV电能计量装置在运行中因某种原因造成电压互感器一次铅丝熔断，由于电压铅丝管结构不同，通过电压互感器感应到二次侧的电压也不同，例如：A相铅丝熔断时，对于无填充物的铅丝管，二次侧的电压为Uab≈0 V；Ucb=100 V，C相熔断时，Uab=100 V；Ucb≈0 V，B相熔断时，二次侧的电压分别为Uab=50 V、Ucb=50 V。

对于填充石英砂的铅丝管，当A相铅丝熔断时，铅丝熔断点的电源侧与填充物石英砂形成极间电容，这样在二次侧Uab=90 V，这实质是一个虚幻电压，Ucb=100 V，C相熔断时，二次侧的电压则与A相铅丝熔断时相反，B相熔断时，Uab≈80 V、Ucb≈80 V左右。综合上述情况，判断电能表失压的条件为：Uab或Ucb≤90 V，连续运行时间在4 h以上均满足这个条件，应筛选出来。

2.2 三相三线制电能表电流判断条件

2.3 三相三线制电能表错误接线判断条件

三相三线制电能表的三相功率计算公式为式

中：Uab、Ucb指线电压；Ia、Ib指线电流；φa、φc是A相和C相的功率因数角。

根据它们的余弦函数值（x1）和（x2），求解A相功率因数角φa=arccos（x1）-30°；C 相功率因数角φc=30°-arccos（x2），考虑A、C相电流互感器的正负角差及每相负荷功率因数角略有差异，故，判断正确接线方式的条件为φa=±10°=φc，超出这个范围就被筛选出来。

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3 三相四线制电能表判断条件

3.1 三相四线制电能表电压判断条件

这里提及到的三相四线制电能表，主要是应用于低压0.4 kV侧的电能计量，电能计量装置通常采用Y0/Y0接线方式，见图3所示。

图3 三相四线制电能表

对于低压三相四线制供电系统，电力系统运行规程规定电压合格率的标准为额定电压的+7%，-10%。即相电压合格率为235.4～198 V，同样考虑大功率设备的启停，故，连续运行时间在10 h以上均超出这个范围的筛选出来。

三相四线制电能表的电压直接来自电源，当电能表任一相电压断线时，对地电压均为0值，同时考虑电压低于170 V以下时，电能表不能够正确计量。为此，电能表故障电压选择为Ugz＜170 V作为判断条件，当满足这个条件时，即被筛选出来。

3.2 三相四线制电能表电流判断条件

在低压三相四线制供电系统中动力负荷和照明负荷是在一起的，导致三相用电负荷在一般情况下是不平衡的。从电力需求侧用电负荷统计中得出，三相中最小的一相负荷电流Imin与最大电流Imax的比值为Ibz=（Imin/Imax）×100%=75%，以此为依据，判断三相电能表或计量装置电流运行异常的条件为Ibz＜70%，超出这个范围的将被筛选出来。设定这个条件的目的是判断电流回路是否有被分流或两点接地现象。要说明一点的是，各地区用电负荷构成不尽相同，其定值可以进行调整。

3.3 三相四线制电能表错误接线判断条件

三相四线制电能表的三相功率计算公式为

式中：Ua、Ub、Uc为相电压；Ia、Ib、Ic为相电流；φa、φb、φc为负荷功率因数角。

图4 电能表计量380 V电焊机向量图

电能表第Ⅰ元件计量的功率为PI=Ua·Ia·cos（30°-φa），电能表第Ⅱ元件计量的功率为PII=Ub·Iba·cos（30°+φb），电焊机本身是一个电感线圈，功率因数比较低，当cosφb＜0.5时，φb＞60°，这时电能表的第Ⅱ计量元件所计量的功率就是负值，与任一相电流极性接反的现象相同，为区分开这2种情况，判断设定条件为：三相中，任一相功率为负值并连续运行10 h，即被筛选出来。

综上所述，无论三相三线制或三相四线制的电能表，在进行数据筛选时，都要根据总有功功率和功率因数判断变压器容量是否过载运行，即Se=P/cosφ。在全天24 h中，任一时刻满载或过载的变压器要分别列出。

另外需要说明一点，上述判断条件最好是在峰、平负荷时段进行数据筛选，否则负荷在低谷或空载时，因导线对地电容和其它耦合杂散电容的影响，电能表其中某一相也会显示负功率，将导致误判断。

4 案例分析

通过上述对三相三线制电能表和三相四线制电能表所制定的筛选条件，经实际应用，并已查找出电能计量装置运行异常情况，如：接线错误、电压互感器一次铅丝熔断、电流互感器二次侧两点接地及变比配备不一致等问题。从这些问题中挑选出较为复杂并具有代表性的3家电力用户的计量装置所出现的异常情况作为案例分析。

（1）案例1

这是一家冶炼制造厂，电能计量装置采用高供高计V/V接线方式，变压器容量Se=800 kVA，电压互感器变比Yb=10 000/100（V）电流互感器变比Lb=50/5（A）。电流互感器二次侧运行电流Ia=3.25 A；Ic=1.07 A，电流不平衡度Ibd=［（3.25-1.07）/3.25］×100%=67%，被筛选出来。从每月用电量看，这种运行状况已有1年多时间。经现场测试，C相电流互感器变比变大，返回厂家打开检查发现，二次线圈匝间有短路现象，并结合现场情况认定，是因谐波电流导致铁心磁饱和而发热所致。

（2）案例2

这是一家制糖厂，电能计量装置采用高供高计V/V接线方式。电能表显示Uab与Ia之间的余弦夹角值为0.629；Ucb与Ic的余弦夹角值为-0.988。A相与C相的功率因数角分别为φa=arccos（0.629）-30°=21°；φc=30°-arccos（-0.988）=-141°，因A相与C相的功率因数角超出规定范围，故被筛选出来。经现场测试，C相电流极性接反。按照电能计量规程计算的更正系数，及时进行了电量追补。

（3）案例3

这是一家食品加工厂，电能计量装置采用高供低计Y0/Y0接线方式，数据库档案的电流互感器变比为30/5。电能表显示的电流分别为Ia=3.25 A；Ib=3.44 A；Ic=2.12 A。按照判断条件，最小电流与最大电流的比值Ibz=（Imin/Imax）×100%＜70%，将电流数据代入此式中得：Ibz=（2.12/3.44）×100%=61.6%即被筛选出来。经现场用电检查发现，A相和B相的电流互感器的变比为30/5，而C相电流互感器变比为50/5，并得到及时处理。

5 小结

这是一个县级市电力公司，所辖区的10 kV高压电力用户有6 522户，在自动化抄表系统主站中，开发了对电能计量装置运行异常现象的检测功能。至开展这项工作以来，共查找出62户电能计量装置有问题，经现场核实共追缴电费50多万元。同时还开发了理论线损计算和实际线损统计工作，对查找电能计量装置所出现的问题起到了积极的推动作用。

电能表所计量的电量是电网基础数据的一部分，只有保证基础数据的准确才能有效的开展其它方面的工作。通过上述判断方法，大大提高了电能计量装置正确计量的可靠性，为电网经济运行奠定了坚实基础。