三相直接接入式电能表的不停电换表辅助装置研发与应用

王叶锋 马 媛 虞琰文 崔保腾 李 峰 郭佳婧

国网上海市南供电公司

0 引言

近年来，智能电网的快速发展和居民生活水平的提升，电力网络与电力市场、用户之间的协调和交换越来越紧密[1]，用户对于精准精益用电服务的需求不断增长，对计划性停电的意愿日益减弱。其中，智能电能表作为客户处计量终端，是智能电网（特别是智能配电网）数据采集不可或缺的重要组成部分[2]，是开展公平、公开电力交易的基础。

智能电能表的供应商、类别和到货批次不同，其使用年限有所差异，为保证电能计量的准确、可靠和量值的统一，确保供用电双方利益，智能电能表需定期轮换[3]。然而，在现阶段智能电能表更换工作中，直接接入式智能电能表的更换须停电进行[4]，存在包括影响用户正常用电、用户拒调引起投诉、电能表更换工作效率不高、潜在接错线风险等弊端。电力行业为全面保障可靠供电，进一步满足社会经济发展用电需求，针对不停电换表技术的研究势在必行。

本文经查阅国内外文献资料，了解行业内不停电换表技术研发情况，其中，刘洪儒等人[5]提出了一种具有不停电换表功能的单相电能表接插件，将待换单相智能电能表的进出线短接，再进行换表作业，并在短路回路中串入与待换电能表同型号的电能表，准确计量短路期间的电量。沈华等人[6]提出了一种针对低压计量柜的升温极限测试策略，其采用单相智能电能表专用的模组化接线底板，配合不停电插板，实现不停电更换单相智能电能表。此外，根据带互感器的三相智能电能表[7-8]可通过操作联合接线盒接片实现客户处不停电更换电能表，但针对三相四线直接接入式电能表的不停电换表技术研究尚不充分。

本文在充分了解现有三相智能电能表及表箱型号和使用情况，调研掌握客户实际需求，通过大量采样工作现场实时电压、电流等数据，设计研发一款针对三相直接接入式智能电能表不停电更换辅助装置，以实现安全可靠、操作便捷和智能判别异常为目的，保证换表期间用户处连续安全供电、换表工作人员安全以及电能表接线及安装正确无误。

1 工作要求

1.1 实际用电需求

本文查阅《电能计量装置技术管理规程》DL448、《电网电能计量装置配置技术规范》DB31/T618 和《住宅建筑电能计量技术规范》DG/TJ8-2208 等相关规章制度，明确三相直接接入式电能表适用安装容量，其工作原理如图1所示。

图1 三相四线直接接入式电能表原理图

三相直接接入式电能表用户多为物业公建（电梯、水泵等）、敬老院、通信基站、商铺等非居民，其中还包括如房管局在内的政府相关部门、小型医院等重要用户，对持续、可靠供电有一定要求，故不停电换表辅助装置的研发应满足客户必要用电需求，选用符合相关标准要求的零部件。

1.2 工作规范要求

本文查阅《低压客户装表接电作业手册》相关规定，明确各类风险点及防范措施，包括人身、电网、设备、诉求、电量损失等风险。同时，作业手册对作业程序及安全规范也有明确要求。因此，不停电换表辅助装置的研发应符合各类规章制度要求，保证工作人员操作过程中的人身安全。

2 装置研发

2.1 工作原理

根据上述工作要求，本文拟研发一套针对三相直接接入式智能电能表的不停电换表辅助装置，主要包括安全取电线夹与辅助箱两部分。安全取电线夹即在用户进、出线处进行取电，为满足用户必要用电需求提供持续供电。辅助箱实时采集电压、电流值，通过检测数值大小与相位判别，为换表操作提供安全提示，起纠错保护功能。其接线及工作原理如图2所示。

2.2 装置结构

基于上述工作原理思路，本文对装置主要部分的设计思路进行介绍。

2.2.1 安全取电线夹

本文结合前期调研结果，总结多种实际工况，拟设计安全取电线夹，其示意图如图3所示。其中，夹紧螺杆一端为入线导电尖头，作为穿透导线取电结点，后端为内六角圆柱头(可以插入内六角扳手)。

图2 不停电换表辅助装置工作原理图

图3 安全取电线夹剖面结构图

本文为满足客户必要用电需求，保证工作人员人身安全，便于后续装置研发与辅材选择，选用三相直接式智能电能表最小安装容量，经以下公式计算：

得到电流限定值，即装置允许的每相最大负载电流为20 A。

入线螺杆由于尖头的尖度、尖头弧度半径对导线绝缘层的穿刺能力、对铜导线的接触面积和破坏情况均不同，通过调整尖头形状进行多次测试实验，记录尖头升温情况，得到实验记录表与升温曲线如表1和图4所示，其中测试电流为22 A，环境温度为23 ℃。

图4 升温曲线图

本文通过实验比较，选用尖头夹角为60°，弧度半径为R0.5 mm。

总结施工工艺，确定安全取电线夹和专用扳手，如图5所示。实际工作中，使用专用内六角绝缘扳手转动螺杆，使螺杆尖端穿透用户进、出线进行取电。

表1 不同形状尖头升温测试实验结果（数据单位为°C）

图5 安全取电线夹和内六角扳手实物图

本文查阅《低压用户配电装置规程》DG/TJ 08-100-2017 中导体导线允许载流量相关标准，安全取电线夹后出线电缆选用4 mm2软护套线。

2.2.2 辅助箱

辅助箱应具备电压电流采样、相位判别、错接线和负载电流过大告警提示和交互式操作步骤引导等功能，主要包括检测主控模块、电流互感器、接触器、指示灯和箱体等，其功能模块示意图如图6 所示。

图6 辅助箱功能模块图

其中，检测主控模块集控制器、存储器、电压电流采样电路、继电器电路等为一体（如图7所示），为实现接线、分流、断开用户线路、换表、恢复用户等操作步骤提供引导提示，如在操作过程中出现接线错相、负载电流过大等情况时发出声光警示。错相时无法接通辅助供电回路，避免发生短路事故。负载电流过大时将启动超限保护，主动切断电源。

本文通过各模块集合封装形成辅助箱，通过4 mm2软护套线将安全取电线夹与辅助箱整合，构成不停电换表辅助装置，实物如图8所示。

图7 主控模块电路图

图8 不停电换表辅助装置实物图

3 装置操作规范

本文为配合该装置正确操作使用，拟写如下操作规程。该规程应在国网公司电能表更换操作规范指导下执行。

1）准备工作

将装置安放于用户表箱附近合适位置，检查每相电流值，确保小于限定值。

2）连接辅助箱

在电能表进出线合适位置安装安全取电线夹，依次连接三相进线线夹，待辅助箱面板上各相电源指示灯亮，打开供电箱电源开关，屏幕显示菜单界面。按[0]键开始检测，屏幕显示各相进线电压值(VI)，以不同颜色标识。依次连接三相出线线夹后屏幕显示各相出线电压(VO)，如出线电压VO与进线电压VI不对应，则屏幕显示警示，同时发出声音报警。此时，按[接入按钮]无效，随后依次连接三相表出线电压探头，屏幕显示各相表出线电压(VM)。

3）超限保护

如果辅助箱接通时，检测到电流大于限定值，则提示【电流超限】并发出声音报警，同时断开接触器；如果辅助箱接通后电流仍大于限定值，则提示【电流超限请降负荷】并发出声音报警，工作人员可自行选择是否切断供电，或装置将以倒计时形式自动切断供电。

4）开始操作

待核对电流值正常后按【确认】键开始更换电能表，依次按辅助箱显示屏提示进行操作，换表完成后合上用户表箱的进线开关，如此时表出线电压VM与进线电压VI不对应，则屏幕显示红色警示【VMA/B/C 相位错误】并发出声音报警，检查电表连接线路接线情况。待问题排除、无报警后再继续操作。

5）操作结束

关闭辅助箱电源开关后依次取下各线夹、探头，并收好，同时恢复线夹夹持处破损的绝缘层，清理现场。

4 现场试验

选取某客户申请用电容量为30 kW，对其所使用的三相四线直接接入式智能电能表开展不停电更换现场测试，现场测试情况如下：

1）准备工作前数据记录

查看现场电能表运行情况，并记录电压、电流值，如表2和表3所示。

表2 电能表显示情况

表3 现场进出线情况

由此可见，各相电流均已小于限定值，无需进行降负荷操作。

2）连接辅助箱后数据记录

电能表进出线安装穿刺线夹，待辅助箱显示正常，无告警，并记录VI、VO值。开始更换电能表，在这一过程中辅助箱显示正常，无告警。更换完毕后，测量并记录VM值，如表4所示。

表4 辅助箱显示情况

3）更换电能表后数据记录

查看新换电能表运行情况，并记录电压、电流值，如表5所示。

表5 电能表显示情况

确认新装电能表运行良好，拆除装置，并清理现场。

5 结语

为进一步满足经济社会发展用电需求，促使开展公平、公正电力交易，不停电换表技术的深入研究完全符合实际需求，具有可推广、实用性强等特点，为持续可靠供电及智能电网环境下的客户侧需求响应提供技术支持。本文调查研究各类表箱、电缆线径、电能表等型号规格，结合现有工艺水平，对不停电换表技术进行深入研究，设计并研制了一款针对三相直接接入式智能电能表的不停电换表辅助装置，且经现场测试成功，通过更改穿刺线夹线径与电缆型号等技术优化升级，距规模化投产使用仍存有一系列问题有待解决。