工频磁场对电能表计量误差影响的研究分析

邓高峰，杨礼岩，赵震宇，朱 亮，俞林刚

（1.国网江西省电力科学研究院，江西南昌 330096；2.国网四川大邑县供电有限责任公司，四川大邑 611330）

0 引言

电能表计量的高灵敏度，有利于引导用户的节能意识、关注自己每天的用电费用，同时也提升了用户监视电能表计量准确度的意识，因为电能表计量的准确度直接关系到广大用户与供电单位的切身利益。

在电能表全性能检测实验时发现，部分厂家电能表执行全检过程中，发现在电能表运行在轻载工况下被检电能表存在误差偏大的现象；如果这些电表被安装到现场，必会引起电能表计量的不准确，进而引起计量纠纷，电能表额外消耗的电能量虽然较小，却影响电力部门对用户的优质服务。本文针对此种现象，根据此类型智能电能表的工作原理分析，结合实验分析了误差异常的原因并给出了解决措施。

1 误差异常情况

电能表自动检定流水线对某厂家某批次单相表到货后电能表执行全检过程中，发现在功率因素0.5 L，电流为0.1 Ib时和功率因素1.0，电流为0.05 Ib时，即电能表运行在轻载工况下部分相邻被检电能表存在误差偏大的现象，有的甚至接近了检定规程规定的误差限值±0.9%，而在其他测量点误差均不超过±0.2。选取其中误差偏大的4个块表到人工检定装置上检定，误差结果却很正常，误差数据如表1。

表1 轻载工况下4只相邻表的误差数据

为了排除因为流水线检定分支装置超差引起检定结果不合格，我们用一台0.02级的标准表对流水线检定分支装置进行对比检测，结果发现被检的装置合格。

2 电能表的工作原理

电能表中计量输入电路包括电压输入电路和电流输入电路。电能表测量的原理：电能表通过计量芯片采集输入电能表的电压信号和电流信号，并将采集到的信号变换成数字信号进行运算处理并输出显示[1]，如图1所示。其中电压线路通过互感器或者电阻分压采样；电流线路通过互感器或者采样电阻采样。由于锰铜电阻较好的温度稳定性，国内外的单相电能表通常用锰铜片分流的方式进行电流采样，采样信号通过软线连接送给计量芯片。若把输入回路、PCB板等部分视为一个感应线圈回路，如图2所示，根据电磁感应定律，线圈中产生同频率的感应电势，感应电势会直接附加在电流采样回路上，影响电能表的计量准确度。

图1 单相电能表原理框图

图2 感应线圈回路

电子式电能表的计量准确性与其所在的工作环境密切相关，其中的一个重要影响因素是工频磁场[2]。根据GB/T17626.8-2006《电磁兼容试验和测量技术工频磁场抗扰度试验》中对工频磁场来源说明：工频磁场是由导体中的工频电流产生的，或极少量的由附近的其他装置（如变压器的漏磁通）所产生。单相电子式电能表的输入电路一般采用锰铜片分流的方式进行电流采样，输入电路，PCB板等多处均对磁场有敏感的响应，简而言之若把输入回路、PCB板等部分视为一个大的线圈回路，根据电磁感应定律，工频磁场穿过回路线圈时，会在线圈中感应出同频率的电流[3，4]。

3 实验分析与结论

根据故障描述和现场实际情况，在自动流水线上用特斯拉计测量表上场强的值，如图3所示。当台体电流为5 A时，测得表上场强最大处为19.40μT；当台体电流为0.05 Ib时，场强为19.31μT。而台体电流为0 A时，场强为19.16μT。可以看出，台体检定电流不是磁场产生的主要来源，但表上存在的磁场会影响电能表计量。为了查找磁场来源，当台体电流为0.05 Ib时，我们在一个托盘中对一块电能表用铁板遮挡，如图4所示，测得磁场强度15.76μT，对比可以看出遮挡后磁场强度有所降低，分析得出电能表上存在相邻表位电能表磁场影响。

图3 不同电流下自动化流水线上磁场强度

图4 铁板遮挡时自动化流水线上磁场强度

为了验证两块电能表互相之间会有磁场干扰，我们选取两块故障表，在试验室中调整挂表间距来测量两个电表的误差，得到的数据绘制成图，如图4所示。

图4 挂表间距对表计误差的影响

从试验中可以看出，对相互间距小于20 cm的两只电能表进行检测时，相邻的两块表互相之间会影响计量准确度。挂表间距对大电流Ib负荷点影响较小，基本可以忽略不计，但在小电流负载下挂表间距对相邻近的电能表计量准确度的影响较大，并且电能表之间的间距越小，影响越大。

通过现场测试与试验，相邻电能表在小电流负载下会有磁场干扰，而磁场干扰来源于相邻表位电能表，经验分析得出电能表磁场来源于电能表变压器漏磁。电能表变压器的漏磁通是指未经过铁芯闭合的部分磁通，对于电能表使用的变压器，生产企业大多采用图5所示的EI型硅钢片叠成。在E型与I型铁芯的结合处将产生空气隙，因空气隙的磁阻远大于铁芯的磁阻，电磁感应产生的磁力线在通过空气隙时，不可避免地会产生图5所示的扭曲变形和泄漏。因此，实际变压器的磁力线的泄漏是不可避免的。

图5 变压器的漏磁

拆开这些不合格电表，查看内部电流采样回路的硬件情况，如图6所示，发现锰铜片分流器与电路板之间的连线缠绕杂乱，有较大面积的闭合环路。而故障表上磁场来源于相邻表位电能表变压器漏磁，当磁场辐射穿过相邻电表的时，由于电流采样电路存在导线回路和PCB走线回路，当磁场穿过它就会产生较小的感应电流，因此在校验较小电流的误差时这种干扰影响是较为明显的，有的误差可达1.0以上。

图6 故障表电流采样回路实物图

根据GB/T17626.8-2006《电磁兼容试验和测量技术工频磁场抗扰度试验》，变压器的漏磁属于工频磁场。而国网企业标准Q/GDW 364-2009《单相智能电能表技术规范》中对于电能表抗工频磁场干扰要求为：“外部0.5 mT磁场强度时，电能表电流施加Ib电流，功率因数为1.0，百分数误差改变极限应不大于2.0%”。但技术规范中没有对轻载工况下的电能表抗磁场干扰有要求，针对此我们对故障表在小电流负载点（0.1 Ib与0.05 Ib）做了工频磁场影响量试验，试验环境与试验结果如图7、8所示。

图7 工频磁场影响量试验

图8 工频磁场对不同负荷点的影响

由于试验室设备的限制，我们所做的最小磁场试验为0.05 mT，从试验结果可以看出该电能表受工频磁场的影响很大，工频磁场在电表内部引线之间产生的感应电流会直接附加在采样电流上，影响电能表的计量准确度，虽然满足Q/GDW 364-2009《单相智能电能表技术规范》中对电流施加Ib电流、功率因数为1.0负载点，测得的误差改变极限应不大于2.0%的工频磁场影响试验要求，但在小电流负载下电能表受磁场影响检定误差偏差巨大，在0.05 mT磁场下误差已接近2%，随着磁场的增大，误差更大。通过以上的工频磁场影响量试验也很好的解释了上述自动化流水线上部分相邻被检电能表的磁场干扰约19.40μT时，小电流负载点下存在误差达到1%的现象。

4 改进措施及建议

针对电能表在小电流负载点受变压器漏磁的干扰，我们提出措施与建议：

1）电表厂家产品设计时应全面考虑电磁兼容方面的设计，可从几方面改进去减小变压器漏磁的干扰：

（1）减小采样闭合回路面积。改进锰铜采样电阻设计，在采样电阻中间位置设有一个通孔，采样信号连接端设在锰铜片上下，将采样电阻划分成两个不同方向的回路，形成不同方向的感应电动势相抵消，并通过把采样双绞线紧密扭绞在一起减小电流采样电路的闭合回路面积，可大大降低了磁场干扰的影响。

（2）调整变压器的安装位置。改变磁力线方向，减小辐射敏感性。

（3）增加屏蔽措施。采用外部加导磁外壳的方式，对变压器产生的漏磁进行屏蔽，导磁材料的外壳可以将漏磁场束缚在内部，通过外壳发热来消耗漏磁能量，减小向周围空间产生的辐射。

2）针对工频磁场影响量试验，目前电能表的国网技术规范是依据国际使用面最广泛的IEC标准制定的，国网技术规范在综合误差评估时，工频磁场影响量试验只关注Ib负载点，这样是不能反映出小电流负载下工频磁场影响；而根据国际建议的最新的标准IR46标准提出不仅要关注Ib负载点下的工频磁场影响量带来的误差，还需增加做小电流负荷点的工频磁场影响量试验。通过这次技术分析引起了我们对小电流负载下工频磁场影响的关注，对后续开展研究IR46标准具有重要的意义。

[1]李勤.电磁干扰对电子式电能表的影响及其抑制策略[J].电测与仪表，2007，44（6）:50-54.

[2]秦曾煌.电工基础［M］.北京:高等教育出版社，1990．

[3]罗拓.电力变压器漏磁场的特点与分析[J].广东输电与变电技术，2007，（2）.

[4]GB/T 17215.321-2008，交流电测量设备特殊要求第21部分:静止式有空电能表（1级和2级）[S].