三相电能表在线运行异常情况的判断

潘英吉，毛天舒，周和平

（1.吉林供电公司，吉林吉林132001；2.华立仪表集团股份有限公司，杭州310023）

三相电能表在线运行异常情况的判断

潘英吉1，毛天舒1，周和平2

（1.吉林供电公司，吉林吉林132001；2.华立仪表集团股份有限公司，杭州310023）

对安装在电力用户处的电能表运行状况进行自动巡检，一直是电能仪表计量工作中未能有效解决的课题。通过开发数据筛选软件，利用自动化抄表系统，将电能表计量的相关数据传输到主站，主站根据三相电能表正确接线方式下的运行参数范围对数据进行筛选，从中找出故障电能表，即可及时发现问题并及时处理。利用数据筛选的方法，解决了多年来依靠人工到现场检查用电方式的弊端，保证了在线运行电能表的正确计量。

三相电能表；运行异常；判断条件；实例

0 引言

根据电力公司的需求侧统计，全年有65%以上的售电量是通过10 kV线路输送的，因此三相电能表计量的正确与否对供电公司十分重要。由于10 kV线路所带的电力用户多、分布广，电能计量装置或电能表出现问题时很难被及时发现，特别是一些异常现象并不清晰，又容易被忽视，最终将导致电量丢失，即便日后发现，也容易在追缴电费问题上与用户产生纠纷。

通过开发数据筛选软件，利用自动化抄表系统将沿线各电力用户的电能表运行数据上传到主站，主站通过设定的条件对其数据进行筛选，判断三相电能表运行是否有异常，可查找出运行异常的电能表。

10 kV电力用户的电能计量有2种方式，一种是在变压器10 kV侧计量，即高供高计，电能计量装置一般采用V/V接线方式，通过三相三线制电能表进行计量；另一种是在变压器0.4 kV侧计量，即高供低计，通过电流互感器接入三相四线制电能表进行计量。由于计量方式和接线方式不同，其判断条件也有所不同，本文将对此进行详细分析。

1 三相三线电能表

三相三线制电能表的标准接线方式如图1所示。第Ⅰ个计量元件承受的电压为Uab，流过的电流为Ia，其向量夹角为30°+φ；第Ⅱ个计量元件承受的电压为Ucb，流过的电流为Ic，其向量夹角为30°-φ，三相功率计算表达式为

式中：Uab，Ucb为线电压；Ia，Ic为线电流；φ为功率因数角。

图1 三相三线电能表接线方式

1.1 接线判断条件

用于10 kV系统电能计量的三相三线制电能表的错误接线方式有很多种，以图1的正确接线方式为标准，凡不符合标准的都视为错误接线。2个计量元件所计量功率的代数和为三相功率。10 kV系统中性点一般采用不接地方式，即IA+IB+IC=0，在数值上IA=IC，并且A，C相的功率因数角也是相等的，即φA=φC，可基于这些条件来判断电能表的接线方式[2]。

设：x=cos（30°+φ），y=cos（30°-φ），则A相功率因数角φa=acrcos（x）-30°，B相功率因数角φb=30°-acrcos（y），考虑A，C相电流互感器的正负角差及电能表各计量元件误差略有差异，故判断三相三线制电能表正确接线方式的条件为

如果超出这个范围即可认为不正常而被筛选出来。

1.2 电流判断条件

在高压电力用户中，无论0.4 kV侧三相负荷电流是否平衡，反映到10 kV侧的三相电流仍是平衡的。因此，通过设定A，C相电流的不平衡度，可以监测电流互感器二次回路是否开路或另有一点接地而产生分流现象，同时也可起到监测互感器和电能表本身是否存在故障的作用。考虑计量器具本身的误差，设定相线电流的最大不平衡百分数为

式中：Imax为最大电流；Imin为最小电流。当不平衡电流百分数大于设定值时，即可被筛选出来。在用电高峰时段，若有一相电流互感器的二次电流I2≤0.5 A也应被筛选出来，主要是考虑二次回路可能存在分流现象或者电流互感器变比选择过大，在负荷低谷时将导致计量误差过大。

1.3 电压判断条件

对于10 kV电压等级，电力系统运行规程规定电压合格的范围为额定电压的±7%，通过电压互感器反映到二次侧是107～93 V时，即可判定电压合格。而电压互感器一次侧保护大多采用填充石英砂的铅丝管，因某种原因，若A相铅丝熔断时，熔断点的电源侧与填充物石英砂将形成极间电容，使感应到二次侧的Uab电压在很多情况下仍处在合格范围内，这实质上是一个虚幻电压，很容易被忽略，但这个虚幻电压总是低于实际电压值。为此，可通过线电压比对方式进行筛选，即Uab与Ucb首先满足电压合格率的标准，同时满足，否则即被筛选出来。

2 三相四线电能表

在电源中性点间接接地或直接接地的系统中，如0.4 kV系统为三相四线制供电方式，在三相负荷电流不平衡的情况下，流过中性点的电流Io=IA+IB+Ic，故采用三相四线制电能表进行计量的接线方式如图2所示[3]。

三相四线制电能表每个计量元件所承受的电压为相电压，对应流过的电流为相电流，它们之间的夹角为功率因数角。三相功率计算表达式为

式中：Uao，Ubo，Uco分别为相电压；Ia，Ib，Ic为三相的相电流；φa，φb，φc为三相功率因数角。

图2 三相四线电能表接线方式

2.1 接线判断条件

从图2（b）向量图中可以看出，正常运行情况下，用电负荷的功率因数角φ＜90°，当其中一相，如A相电流极性接反时，Uao与Ia的夹角为180° +φ或180°-φ，计量的A相功率为负值。在三相负荷平衡的情况下，从式（4）可看出，有二相功率会相互抵消，三相功率代数之和仅为三分之一功率。

以电焊机为例。当跨相（两相）电焊机在正常情况下用电时，其中一相余弦函数角大于90°，这相计量功率将为负值。为区分计量功率为负值是否为错误接线，首先要确定电焊机接线方式，它可以跨接在任意两相上，其计算结果是一样的。设电焊机接在A，B相上，计算功率表达式为

式中：φ为电焊机功率因数角，一般情况下φ= 60°～70°。因此式（5）中第一项为正值，第二项为0～（-0.174），而三相四线制电能表中若A相电流极性接反，Uao与Ia的夹角为180°-φ，正常用电负荷功率因数角为φ=0°～40°，功率因数为-1～（-0.77）。也就是说，用电负荷为电焊机时，功率因数在0～（-0.174）；若电能表有一相错接线时，功率因数变为-1～（-0.77）。因此，从电能表中的每个计量元件的余弦函数值范围不同，就可以判断出是否为错误接线。

2.2 电流判断条件

在低压三相四线制供电系统中，动力负荷和单相负荷是合在一起的，因此，三相用电负荷在一般情况下是不平衡的。但如果出现计量设备故障或人为等因素，也会造成三相用电负荷不平衡，如何区分这种不同的不平衡是问题的关键。为准确判断三相负荷电流不平衡，可在图2（a）的零线中串接1个零序电流互感器进行实时采样，零序电流IO2经A/D转换，通过电能表RS485接口输入到电能表中，并随表中相关数据一同打包上传到主站。通过上传数据求解电能表中的零序电流，向量分析如图3所示。

图3 向量分析

将三相功率因数转换成角度，即φa=arc（cosφa）；φb=arc（cosφb）；φc=arc（cosφc），以A相电流角度为基准，求解电表中的零序电流，即

式（6）中的电表零序电流IO1仅取了三相电流向量之和的模数，与上传到主站零线中的零序电流IO2值进行比对，考虑计量设备误差等因素，设定零序电流不平衡百分数为

如果零序电流不平衡度Ibp＞7%，即被筛选出来。设定这个条件的目的是判断计量二次电流回路是否有分流现象，并监测计量设备运行状况。

2.3 电压判断条件

对于低压0.4 kV三相四线制供电系统，电力系统运行规程规定电压合格的范围为额定电压的+7%～-10%，即相电压合格率为235.4～198 V。考虑到大功率设备起停时会将三相电压同时拉抵或升高，并超出电压合格率范围，这种情况也应被筛选出来，并监测变压器是否过负荷运行，如果危及电网安全运行，应及时处理。

若运行中每一相电压均在电压合格范围内，但三相电压严重不平衡时也会给安全生产带来事故隐患，同时将增加不必要的功率损耗，因此需要对此进行考核。三相电压不平衡允许值为Uyx= Umax-Umin＜12 V，Umax为最高电压；Umin为最低电压，当超出这个范围时，即被筛选出来。

3 实例

上述针对三相三线制电能表和三相四线制电能表制定的筛选条件，实际应用后能查找出电能计量装置运行异常的情况，如：接线错误、电压互感器一次铅丝熔断、电流互感器二次侧2点接地及变比配备不一致等问题。从中挑选出较为复杂又易被忽略、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[4]。

（1）案例1：用户是一家机械加工厂，电能计量装置采用高供低计方式，数据库档案中记载的电流互感器变比为30/5。电表所显示电流分别为Ia=3.28 A；Ib=3.54 A；Ic=2.14 A；IO2=0.15 A；cosφa=0.95；cosφb=0.95；cosφc=0.93。

按照判断条件，计算出每相功率因数角分别为φa=18.19°；φb=18.19°；φc=21.56°，并将数据代入式（6）和式（7），计算出电能表中的零序电流为1.28 A，零序电流不平衡度Ibp2为88.28%，远大于规定值。现场用电检查后发现，A相和B相电流互感器的变比为30/5，而C相电流互感器变比为50/5。这种运行状况已持续了2年多，此次通过数据筛选被发现后，得到了及时处理。

（2）案例2：用户是一家冶炼制造厂，电能计量装置采用高供高计接线方式，变压器容量为800 kVA，电压互感器变比为10 000/100，电流互感器变比为50/5。电流互感器二次侧电流为Ia=3.25 A；Ic=1.07 A。

按照判断条件，将数据代入式（3）中，电流不平衡度Ibp1为67%。从每月用电量看，这种运行状况已持续2年多时间。经现场测试，发现C相电流互感器变比变大，返厂检查发现二次线圈匝间有短路现象。结合现场情况认定其原因是谐波电流过大，导致铁芯磁饱和发热。

（3）案例3：用户是一家制糖厂，电能计量装置采用高供高计接线方式。电能表打包上传的数据中，Uab与Ia为与之间的余弦函数值为0.629；Ucb与Ic之间的余弦函数值为-0.988。

按照判断条件，计算出A相与C相的功率因数角，即φa=21°；φc=-141°，A相与C相的功率因数角之差，远超出式（2）规定的标准范围。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。

4 结语

这套判断计量装置运行异常情况的应用软件，在一家县级市电力公司应用一年多时间里，共查找出72户电能计量装置存在问题，同时也查处到一些窃电行为，经现场核实共追缴电费50多万元，其中计量电压互感器一次铅丝熔断、电流互感器二次回路开路及分流、接线错误等问题较多。通过对电能表上传数据的筛选，提高了电能计量的准确性和可靠性，能及时发现问题及时处理，为电网安全经济运行奠定了坚实基础。

[1]邱关源.电路原理[M].北京∶人民教育出版社，1988.

[2]周和平，林峰浩.ZigBee无线自动化抄表系统的应用[J].供用电，2009（1）∶71-73.

[3]董爱华.检测与转换技术[M].北京∶中国电子工业出版社，2007.

[4]周和平.10 kV电力系统电能计量装置运行异常的案例分析[J].电工技术，2010（2）∶45-46.

（本文编辑：龚皓）

Judgment on Abnormal Online Operation for Three-phase Electric Meter

PAN Ying ji1，MAO Tiao shu1，ZHOU He ping2
（1.Jilin Electric Power Supply Company，Jilin Jilin 132001，China；2.Holley Metering Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310023，China）

It is still an unsolved subject in electric energy metering to automatically inspect the operation of electric meters of electric power users.By automatic metering system，the data of electric metering is transferred to the main station，and the main station screens the data in accordance with operating parameters in correct wiring mode of three-phase electric meters and then detects the faulty meters to timely discover and handle the problems.By means of data screening，manual field inspection on way of power consumption over the years is terminated，and correct metering of online operating electric meters is guaranteed.

three-phase electric meter；operation abnormality；judgment condition；example

TP206+.3

：B

：1007-1881（2013）10-0020-04

2013-04-11

潘英吉（1978-），男，吉林吉林人，工程师，主要从事用电负荷管理、电网经济运行及电能计量工作。