電力系統(tǒng)中電能計(jì)量方式的選擇及分析

張永超，吳麗靜，劉德才，韓冰

(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司聊城供電公司，山東聊城252000)

0 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會(huì)用電需求量持續(xù)增加。這從而也導(dǎo)致了發(fā)電、供電及用電各方之間的電能交易量急速上升。電能作為一種商品，在其交易過(guò)程中，計(jì)量的準(zhǔn)確與否不僅關(guān)系著各項(xiàng)電力經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算以及營(yíng)業(yè)計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性、公正性，而且直接涉及到發(fā)、供、用電各方的利益關(guān)系。

在電能計(jì)量工作中，能否準(zhǔn)確地選擇一種與電力系統(tǒng)運(yùn)行方式相匹配的計(jì)量方式一直是保證電能計(jì)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵所在。據(jù)調(diào)查，目前的電力系統(tǒng)中仍然存在很多計(jì)量方式選擇不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象。其主要體現(xiàn)在電能計(jì)量方式與系統(tǒng)運(yùn)行方式不匹配，特別是在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈或小電阻接地的系統(tǒng)中仍然存在大量的不符合電能計(jì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的接線情況。針對(duì)這些問(wèn)題，本文按照電力系統(tǒng)中性點(diǎn)不同的接地方式進(jìn)行分類，分別對(duì)三相三線、三相四線兩種計(jì)量方式在不同的中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中計(jì)量的準(zhǔn)確性、合理性進(jìn)行分析，并為不同系統(tǒng)中電能計(jì)量方式的選擇給出合理的建議。

1 電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式

電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)是指變壓器三相繞組的公共連接點(diǎn)，中性點(diǎn)接地就是指變壓器的中性點(diǎn)與接地網(wǎng)間的電氣連接。在電力系統(tǒng)中，中性點(diǎn)接地方式的選擇是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題［1］，選擇的好壞，將直接影響著系統(tǒng)供電的可靠性和電力通信系統(tǒng)、電壓絕緣系統(tǒng)、電氣設(shè)備的安全以及繼電保護(hù)裝置的使用。

目前，我國(guó)電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式選擇情況大致如下:

1)隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)升高，設(shè)備的絕緣性能投資費(fèi)用所占比重越來(lái)越大，而中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)的設(shè)備絕緣水平相對(duì)較低，能夠有效節(jié)省絕緣設(shè)備資金投入，故一般110 kV 及以上系統(tǒng)一般采用中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)［2］。

2)對(duì)于35 kV 及以下電壓等級(jí)的系統(tǒng)，一般可根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，采用低電阻接地方式、高電阻接地方式，或消弧線圈接地、絕緣等非有效接地方式［4］。

3)10 kV 系統(tǒng)由于絕緣水平要求相對(duì)較低，并且可以耐受短時(shí)間的單相接地故障，所以一般采用中性點(diǎn)絕緣運(yùn)行方式或者經(jīng)消弧線圈接地方式。

2 中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)的計(jì)量方式分析

為了方便對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，現(xiàn)將中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)等效為由電源及負(fù)載組成的三相電路，其等效電路圖如圖1所示。

圖1 中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)等效電路圖

圖1 中uu，uv，uw為系統(tǒng)相電壓;iu，iv，iw為相電流;u'u，u'v，u'w為系統(tǒng)負(fù)載側(cè)相電壓。此時(shí)uu=u'u，uv=u'v，uw=u'w。

2.1 三相三線計(jì)量方式

在中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)中，無(wú)論系統(tǒng)的三相負(fù)載是否對(duì)稱，因?yàn)槠渲行渣c(diǎn)絕緣，由基爾霍夫定律可得iu+ iv+ iw=0，則負(fù)載功率為

在中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)中，式(1)總能成立，故該系統(tǒng)完全可以采用三相三線計(jì)量方式進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，在此不再具體分析。

2.2 采用三相四線計(jì)量方式

在從事計(jì)量工作時(shí)，曾多次遇到這樣的情況:10 kV 中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)中采用三相四線的電能計(jì)量方式。那么這種計(jì)量方式究竟是否適用于中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)呢?在此對(duì)此類計(jì)量方式的準(zhǔn)確性、安全性進(jìn)行綜合分析，并重點(diǎn)分析電力系統(tǒng)三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí)的情況。

2.2.1 誤差的計(jì)算分析

當(dāng)負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，中性點(diǎn)電壓會(huì)發(fā)生一定偏移，偏移電壓uoo'≠0，此時(shí)各相電源電壓和負(fù)載電壓不再保持一致，根據(jù)其等效電路圖畫(huà)出系統(tǒng)各個(gè)電壓向量圖如圖2所示。

此時(shí)uu≠u'u，uv≠u'v，uw≠u'w，但iu+iv+iw=0依然成立。則負(fù)載功率為

圖2 負(fù)載不對(duì)稱時(shí)的系統(tǒng)向量圖

由式(2)分析可知，在負(fù)載不對(duì)稱的情況下，中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)采用三相四線計(jì)量方式時(shí)，并不會(huì)引起任何誤差。

2.2.2 采用三相四線計(jì)量方式的不利影響

通過(guò)對(duì)式(2)的分析可知，采用三相四線計(jì)量接線方式時(shí)，無(wú)論中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)的三相負(fù)載是否對(duì)稱，其在計(jì)量過(guò)程中均不會(huì)引起誤差。但是，當(dāng)系統(tǒng)中負(fù)載不對(duì)稱時(shí)三相不平衡電壓會(huì)在一定程度上影響電能計(jì)量裝置的計(jì)量準(zhǔn)確性。另外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，三相四線計(jì)量方式也會(huì)引起一系列安全隱患，嚴(yán)重影響電能計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性和安全性［3］。

目前，電網(wǎng)所推廣使用的智能表，其電能測(cè)量單元的核心部件有數(shù)字乘法器、A/D 轉(zhuǎn)換器以及電壓和電流采樣器等。三相電壓不平衡對(duì)數(shù)字乘法器和A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的誤差基本上可以忽略，但是三相不平衡電壓卻會(huì)導(dǎo)致智能表內(nèi)的電壓采樣器不準(zhǔn)確。對(duì)于電壓互感器式采樣智能表來(lái)說(shuō)，不平衡的三相電壓會(huì)造成其鐵芯的非線性，從而帶來(lái)較大的附加誤差。

當(dāng)中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地相相電壓降為0，而此時(shí)非接地相的二次側(cè)會(huì)產(chǎn)生100 V的電壓。已知三相四線電能表線圈兩端的額定電壓為57.7 V，最大允許值為額定電壓的130%，即75 V。很明顯當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，線圈兩側(cè)電壓超過(guò)了電壓線圈的額定電壓，這會(huì)給電能計(jì)量裝置帶來(lái)極大的安全隱患，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龎碾娔鼙黼妷壕€圈，造成不計(jì)量的后果。

綜合上述分析，雖然中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)采用三相四線接線方式并不會(huì)產(chǎn)生計(jì)量誤差，但是三相電壓不平衡、系統(tǒng)單相接地以及并聯(lián)諧振等因素，會(huì)大大影響計(jì)量準(zhǔn)確性，影響電能計(jì)量裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，甚至可能威脅到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3 中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)的計(jì)量方式分析

在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，變壓器或發(fā)電機(jī)繞組的中性點(diǎn)直接與接地網(wǎng)相連接，其等效電路圖如圖3所示。

圖3 中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)等效電路圖

3.1 三相四線計(jì)量方式

由等效電路圖可知uoo'=0，故uu=u'u，uv=u'v，uw=u'w。則有

由式(3)可知，三相四線計(jì)量接線方式完全能夠?qū)?10 kV 及以上電壓等級(jí)的中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，在此不再詳細(xì)分析。

3.2 三相三線計(jì)量方式

當(dāng)中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)運(yùn)行正常且三相負(fù)載及線路各個(gè)參數(shù)完全對(duì)稱時(shí)，流過(guò)中性點(diǎn)的接地電流趨近于零，則此時(shí)可以采用三相三線計(jì)量方式。但是在實(shí)際的電力系統(tǒng)運(yùn)行中，電網(wǎng)的三相電壓、線路參數(shù)以及負(fù)載阻抗并不能時(shí)時(shí)處于完全對(duì)稱的狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)不對(duì)稱的情況時(shí)，接地電流in不再為零。即in=iu+iv+iw≠0，則iv=in-(iu+ iw)。將此代入(3)式，有

將式(4)與式(1)相比較，可得中性點(diǎn)接地電流in所引起的計(jì)量誤差為

由(5)式可知，誤差rn的大小與電力系統(tǒng)的不對(duì)稱程度有關(guān)，系統(tǒng)不對(duì)稱程度越嚴(yán)重，流過(guò)中性點(diǎn)的接地電流越大，則誤差rn越大。經(jīng)過(guò)對(duì)變電站內(nèi)主變的接地電流及各相電流的數(shù)據(jù)采樣、比較、計(jì)算分析可得，誤差rn已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了相關(guān)電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)所要求的誤差范圍。所以，三相三線計(jì)量方式不能滿足中性點(diǎn)接地系統(tǒng)的計(jì)量準(zhǔn)確性。

4 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈、小電阻接地系統(tǒng)計(jì)量方式分析

我國(guó)35 kV 及以下配電網(wǎng)和電廠發(fā)電機(jī)出口多數(shù)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈或低電阻接地的運(yùn)行方式。以架空線路為主的配電系統(tǒng)，一般采用經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式;以電纜為主的配電系統(tǒng)，一般優(yōu)先考慮經(jīng)低電阻接地的運(yùn)行方式。

通過(guò)對(duì)目前配電網(wǎng)及電廠發(fā)電機(jī)出口的電能計(jì)量點(diǎn)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，存在大量的經(jīng)消弧線圈或低電阻接地的系統(tǒng)采用三相三線計(jì)量方式，這種計(jì)量方式是不準(zhǔn)確的也是不符合相關(guān)規(guī)定的。DL448-2000《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》中明確規(guī)定:中性點(diǎn)非絕緣系統(tǒng)采用三相四線制計(jì)量［5］。而經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)和經(jīng)低電阻接地系統(tǒng)均屬于此列。兩種系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，連接中性點(diǎn)和接地網(wǎng)的線圈和電阻間會(huì)流過(guò)接地電流in，由此導(dǎo)致采用三相三線計(jì)量方式的計(jì)量不準(zhǔn)確。綜上可得，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)低電阻接地的兩種系統(tǒng)均應(yīng)采用三相四線計(jì)量接線方式。

5 總結(jié)

綜上所述，僅僅根據(jù)系統(tǒng)電壓等級(jí)來(lái)確定電能計(jì)量接線方式的做法是不全面、不準(zhǔn)確的。當(dāng)選擇一個(gè)計(jì)量點(diǎn)的計(jì)量方式時(shí)，必須充分考慮系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地情況。當(dāng)系統(tǒng)采用中性點(diǎn)絕緣方式時(shí)，雖然三相四線接線方式并不會(huì)造成計(jì)量誤差，但是此時(shí)的三相電壓不平衡、系統(tǒng)單相接地以及并聯(lián)諧振等因素，會(huì)大大影響計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性，所以應(yīng)盡量選擇三相三線計(jì)量接線方式;中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)則必須采用三相四線接線方式，否則會(huì)產(chǎn)生較大的計(jì)量誤差;而根據(jù)計(jì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以確定，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)低電阻接地的系統(tǒng)均應(yīng)采用三相四線計(jì)量接線方式。

［1］李穎峰.配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式探討［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36(19):58-59.

［2］魏曉龍.電力系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式探析［J］.機(jī)電信息，2011(36):15-16.

［3］常仕亮.論中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)的計(jì)量方式［J］.工業(yè)計(jì)量，2013，23(2):19-21.

［4］王晉.系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式對(duì)電能計(jì)量的影響［J］.華東電力，2004(1):56-57.

［5］中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL/T 448-2000 電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2001.