电能计量原理及错误接线分析

王希诚

摘要：电能计量装置是用于电力企业贸易结算和企业内部经济技术指标考核的电能计量器具，随着国民经济的不断发展，电能需求量的日益增加，电力客户逐步增多，电能计量装置接线的准确性要求不断提高；计量是否准确不但影响到供电企业的形象和声誉，而且直接影响贸易结算的公正性及电力企业内部经济技术指标的制定。本文主要叙述了电能计量原理及错误接线分析，以三相三线电能计量装置错误接线作重点分析，简述了错误接线的检查方法。

关键词：原理；电能计量装置；错误接线；分析

前言

电能计量是进行电能交易的一把“秤”，供用电双方非常重视，电能计量是否准确，与电能计量二次回路接线是否正确密切关系。为了把握好电能计量这一重要环节，确保电能计量的准确、可靠，因此，提高电能计量工作人员的电能计量原理知识及错误接线分析具有十分重要的意义。

1电能计量装置工作原理

1.1电能表工作原理

当电能表接入交流电路后，电压线圈的两端加上线路电压U，电流线圈通过负载电流I。这时电压线圈中通过电流Iu，Iu在电压铁芯中产生了电压工作磁通Φu；电流I通过电流线圈时在电流铁芯中产生了电流工作磁通ΦI。Φu、ΦI穿过圆盘时，分别在圆盘上感应出滞后于它们90º的感应电动势Eu和EI，Eu和EI又分别在圆盘上产生了涡流Iu和Ii。

由于电压工作磁通Φu和电流工作磁通产生的涡流Ii、电流工作磁通ΦI和电压工作磁通产生的涡流Iu在空间上不相重合，而且在时间上存在关相位差，根据电磁学原理，它们分别为一对在时间上有相位差，且在空间相对位置不同的电流和磁通，因此都会产生力的作用。这个力在圆盘上产生转动力矩，使电能表的圆盘按一个方向不停地转动。负载所消耗的电能与圆盘的转数成正比，圆盘转动时，带动计数器，把所消耗的电能指示出来，这就是电能表工作的简单过程。

1.2电压互感器工作原理

电压互感器结构相当于一台降压变压器，它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。一次绕组N1连接于高压电力线路，二次绕组N2连接测量仪表，因此，一次绕组N1的匝数远远多于二次绕组N2。根据电压互感器的等值电路，电网电压U1加于一次绕组N1，使一次绕组中产生感应电动势E1，从而在二次绕组N2产生感应电动势E2。

电压互感器本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。为此，电压互感器的原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事故。

1.3电流互感器工作原理

电流互感器相当于一台电流变换器，其与电流变换器的区别：一是电流互感器对电流变换的比例以及变换前后的相位有严格的要求，而电流变换器对这些要求不高；二是前者主要传输被测电流的有关信息，即电流的大小和相位给测量仪表，后者主要用于改变电路的输出阻抗，为负载提供大小合适的电流。

电流互感器二次回路所接仪表的阻抗是很小的，其运行工作状态相当于变压器的短路状态。在设计制造时采取较大的铁芯截面，以降低磁通密度和激磁电流来提高准确度。因此，可近似地认为，其一次绕组的安匝数等于二次绕组的安匝数，即I1N1=I2N2。

正常工作时互感器二次侧处于近似短路状态，在运行中如果二次绕组开路或一次绕组流过异常电流（如雷电流、谐振过电流、电容充电电流、电感启动电流等），都会在二次侧产生数千伏甚至上万伏的过电压。这不仅给二次系统绝缘造成危害，还会使互感器过激而烧损，甚至危及运行人员的生命安全。

2钳形相位伏安表的使用方法

对于现场接线检查，由于采用电能表现场校验仪，当三相二元件有功电能表错误接线在48种以外时，仪器将无法分析判断。由此，我们采用了手持式钳形相位伏安表，对计量装置接线进行现场测试检查，依据测试结果进行分析判断。钳形相位伏安表的使用方法以下：

2.1在上述准备工作完成后，方可进行下一步的测量工作。

2.2测量两电压之间的相位角，测U2滞后U1的相位角时，将开关拨至参数U1U2。

2.3测量两电流之间的相位角，测I2滞后I1的相位角时，将开关拨至参数I1I2。

2.4测量电压与电流之间的相位角，将电压从一路U1和+插孔输入，用2#测量钳将电流从I2插孔输入，开关旋转至参数U1I2位置，测量电流滞后电压的角度。

3电能计量装置错误接线分析

3.1电能计量装置错误接线的类型

电能计量装置的错误接线可分三大类：（1）电压回路和电流回路发生短路或断路；（2）电压互感器和电流互感器极性接反；（3）电能表元件中没有接入规定相别的电压和电流。电能计量装置发生错误接线后，电能表的转盘转动现象一般会出现正转失准、反转、不转和转向不定四种情况。

对于三相三线计量装置存在的错误接线：电压为Ua、Ub、Uc，其接入电表端会出现如下6种接线情况：UaUbUc、UaUcUb、UbUaUc、UbUcUa、UcUaUb、UcUbUa，再考虑到电压互感器极性误接的4种可能。则有24种错误接线方式。

同样对于电流Ia、Ic存在6种接入方式，考虑接入的电流互感器极性的4种误接线，也有24种错误接线。则常见错误接线共有48种。

3.2检查测量步骤及分析判断

3.2.1电能计量装置外观检查：通过对电能计量装置外表、封印等的检查，初步判断电力客户是否依法用电，有无违约窃电现象。

3.2.2测量电能表端子盒上各线电压：U12，U23，U31（保留1位小数）。

3.2.3测量各相电流：I1，I2（保留l位小数）。

3.2.4测量相关相位角∠Ul2U23，∠Ul2U31，∠Ul2I1，∠Ul2I2（保留整数）。

3.2.5根据测量数据判断电能表接线是否存在开路和短路情况：

3.2.5.1如果测量出的电压值缺少U12或U23项，即U12或U23值为0，则可能是A相或C相开路，若电压U12、U23为1/2倍的额定电压值，则可能是B相电压开路。

3.2.5.2如果测量出的电流I1、I2有一项缺项，即有一项测量值为0，则可能是对应的电流线路短路。

3.2.6分析电压互感器二次侧是否反极性：

3.2.6.1如果测量电压值U12、U23、U31都等于额定电压值，则电压互感器二次侧没有反极性。

3.2.6.2如果测量得到的电压U12、U23、U31其中有一项电压为倍的额定电压，则此接线方式中存在电压互感器二次侧反极性。并且这项所对应的下标中缺少的项接的是电压V相；

3.2.7根据测量的电压间的相位角判断电压相序的正逆。

3.2.7.1对于电压互感器二次侧无极性反接，如果∠U12U23<180°则电压接入为正相序；如果∠U12U23>180°则电压接入为逆相序。

3.2.7.2对于电压互感器二次侧极性接反，如果∠U12U23>180°则电压接入为正相序；如果∠U12U23<180°则电压接入为逆相序。

3.2.8根据∠Ul2U23，∠Ul2U31，∠Ul2I1，∠Ul2I2之间的相位角，画相量图来确定接线形式。

3.3举例说明

某10kV用户，采用三相三线计量装置计量，经测得有关数据如下：

（1）U12=100.3V，U32=100.1V，U31=100.5V，U3N=0V；（2）I1=I2=2.5A；（3）∠Ul2U23=240°，∠Ul2U31=120°，∠Ul2I1=50°，∠U12I2=110°；

已知负荷的功率因数是感性的。

根据测得的数据，分析步骤以下：

a.根据测得的数据可知没有电压相断路，电流相没有短路。根据数据（1），电压三项都约等于额定电压100V，说明该电压互感器没有极性接反。由数据（3）可知，∠U12U23=240°>180°，所以电压相序是逆相序，电压逆相序有三种可能：ACB，CBA，BAC。采用V/V形接法的电压二次回路，对地为0V的那一相电压应该是B相电压，根据数据（1）则可判断电压相序为ACB。

b.如图3-1，画出对应的相量图。

由测量数据以及画出的相量图，由于I2超前I160°，因此我们可以推断I1和I2这两个电流线，其中有一个电流互感器反极性了。又根据负荷是感性的，判断可能是I1电流反极性。在相量图上画出-I1，可以看出，-I1超前I2120°，推断I1接人的-Ic，I2接入的是Ia。

图3－1相量图

c.I1对应的U2是Uc，I2对应的U1是Ua，则U3是Ub。

d.由此推断：电压逆相序输入，输入的相序是ACB，输入的电流为I1=-Ic，I2=Ia。如图3－2所示。

图3－2相量图

（3）相位角测量：

4.1.1根据以上测量的数据经分析得以下结论：

（1）电压相没有断路或极性接反，电流相没有短路。

（2）电压为正相序（ABC）。

（3）电能表第一元件电压为Uab，电流为Ic，Uab与Ic的夹角为φ′I=90°-φ；第二元件电压为Ucb，电流为-Ia，Ucb与-Ia的夹角为φ′II=90°-φ。

（4）负载为感性。

（5）错误接线计量装置接线图及相量图如图4-1所示：

（a）接线图

（b）.相量图

图4-1用户计费电能表

4.1.2错误接线下的功率表达式：

第I元件计量功率为：

P′I=UABIccosφ′I=UIcos（90°-φ）

第II元件计量功率为：

P′II=UCBIAcosφ′II=UIcos（90°-φ）

电能表计量出的总功率为：

P′=P′I+P′II=UIcos（90°-φ）+UIcos（90°-φ）

=UIsinφ+UIsinφ

=2UIsinφ

4.2案例二

某日，我们用户计量人员至现场检查，发现某10kV高压计量（三相二元件）用户，计量装置封印有伪造现象，电能表倒走，原抄见电量为320kWh，现抄见电量为210kWh，综合倍率600倍。通知用电检查班及用户到达现场后，拆除封印利用钳形相位伏安表进行检测，测量数据如下：

（1）负荷功率因数角φ=45°。

（2）电流测量值分别为：I1=2.5AI2=2.5A。

（3）电压测量值分别为：U12=102V，U23=101V，U31=100V，U3N=0V。

（4）相位测量：

4.2.1根据以上测量的数据经分析得以下结论：

（1）电压相没有断路或极性接反，电流相没有短路。

（2）电压为逆相序（ACB）。

（3）电能表第一元件电压Uac，电流为-Ic，Uac与-Ic的夹角为φ′I=30°+φ；第二元件电压为Ubc，电流为-Ia，Ubc与-Ia的夹角为φ′II=90°+φ。

（4）负载为感性。

（5）错误接线计量装置接线图及相量图如图4-2所示：

（a）.接线图

（b）.相量图

图4—2用户计费电能表

4.2.2错误接线下的功率表达式：

第I元件计量功率为：P′I=UACIccosφ′I=UIcos（30°+φ）

第II元件计量功率为：P′II=UBCICcosφ′II=UIcos（90°+φ）

电能表计量出的功率为：

因该用户擅自开启、伪造计量装置封印，属窃电行为，对照《供电营业规则》第一百零一条和第一百零二条之规定，当即对该用户中止供电，按所窃电量补收电费，并处所窃电量电费三倍的违约使用电费，合计约135976元，为供电企业挽回了经济损失。后经开箱检查，发现该用户擅自将计量电流互感器A、C相电流线对调且A、C两相二次电流反接，并将电压互感器二次B、C相电压线对调窃电，实际情况与测量分析结果完全相符。

5小结

本文通过对电能计量装置错误接线的分析，主要得出如下结论：1、文中分析方法和所举例子适用于目前计量工作中碰到的绝大部分的三相三线电能计量装置错误接线情况；2、阐述了电能计量装置错误接线检查的基本方法；3、研究了电能计量装置错误接线方式和有功功率表达式；4、本文中介绍的检查方法和分析，对于实际错误接线分析，有很强的指导和帮助作用。

当今社会经济的发展为电力市场提供了广阔的发展空间，电能已成为经济建设中十分重要的能源。电能计量作为电能交易的一把“秤”，计量准确与否，直接关系到电力企业的经济效益，为确保电能计量这把“秤”的准确性，我们必须不断地提高计量工作人员的技能水平。由此，我们电力企业应加强计量工作人员的技能培训，培养出一支高技能、高素质的队伍。

参考文献

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