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三相三线有功电能表的错误接线分析


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第1章
1.1 有功电能表接线的目的和意义

绪论

电能表的接线是指电能表或用互感器与被测电路间的连接关系。 电能表的 接线方式多种多样,它是由被测电路(单相、三相三线、三相三四线等)、测 量对象(有功电能或无功电能)以及选用的电能表或电流互感器、电压互感器 等多种情况决定的。不管选择那种接线方式,都必须保证接线的正确性。如果 接线不正确, 即使电能表和互感器本身的准确度都很高, 也达不到准确计量的 目的。因为接线错误,常常会使计量的电能值发生错误,甚至无法计量,严重 的还可能造成人身伤亡或仪器仪表、设备的损坏。所以,电能表的接线必须按 设计要求和规程的规定正确进行。 电能表本身有很多误差。如电能表潜动、电能表的误差等等。很容易引起 计量误差。错误接线包括互感器的误接线、断线、电能表的误接线或断线,无 论错在哪里。 最终都反映在电能计量装置发生偏差, 这个偏差远远大于误差引 起的计量误差。所以正确接线很重要。

1.2 有功电能表的技术现状和发展趋势
一、 国内各类电能表产品的技术现状 1、感应式表缺乏突破 经过近年来我国大面积城乡电网的改造建设, 我国感应式表的技术和质量 已较刚起步有了明显的提高。 特别是根据国外先进国家的经验, 设计出了长寿 命和亚长寿命感应式电能表,并制定了相关标准。但与国外知名品牌相比,我 国的感应式电能表还有一定的差距, 主要表现为性能一致性较差、 材料质量问 题和关键工艺技术得不到解决等。 2、电子式表技术更新较快 居民用表功能不断增强。 几年来的城乡居民一户一表改造工程中, 电子式电 居民用表功能不断增强。 能表得以大面积的推广使用,普通民用电子式电能表的使用寿命能够确保 15 年甚至 20 年以上。 多费率表发展较快。 多费率表得到了很多经济发达而电力紧张的地区供电部 多费率表发展较快。 门的青睐。 工商业用表多功能化成趋势。 工商业用表多功能化成趋势。早在本世纪初,电子式电能表就已经取代感 应式表,成为工商业用表的主流。 预付费表逐步趋于完善。 预付费表逐步趋于完善。预付费表在经过几年的沉寂后,从 2006 年起有明
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显复苏的迹象,这一方面是由于供电部门加大对欠费用户的管理力度, 自动抄表技术发展颇具前景。 自动抄表技术发展颇具前景。90 年代中后期,部分地区的电力部门开始了 较大规模的低压电力线载波技术的应用,但由于仓促上马,使用化效果较差。 近几年来, 随着通信技术的不断进步以及电力市场应用的需要, 国内自动抄表 技术水平取得了长足的进步。 二、各类电能表的技术存在的主要问题 1、感应式表 与国外知名品牌相比, 我国的感应式电能表还有一定的差距, 主要表现为: 性能一致性较差。 具体表现为数据的重复性和一致性较差。 我国感应式电能表 性能一致性较差。 的自动化生产水平不高, 加工方式大多还是以人工为主, 由于在生产过程中人 工的介入过多, 产品性能难以保证高度一致性, 同时也加大了生产管理的难度。 材料质量问题得不到解决。 材料质量问题得不到解决。磁性材料有长期稳定的磁特性等要求。由于我国 材料工业水平与发达国家仍有较大差距, 因此企业如何检测、 选用关键元器件 (如磁推轴承、阻尼磁钢等),也是目前需要解决的问题。 关键工艺技术得不到解决。 关键工艺技术得不到解决。除了较为周全的设计以及选用合格的材料,感应 式电能表要达到长寿命还必须有可靠的加工工艺。 线圈的绕制、 铁芯的冲压铆 制、石墨轴承的制作、磁推轴承的老化等也是必须解决的课题。 2、电子式表 显示器。 显示器。显示器是电表的重要部件,原来使用机械计度器时,计度器就有一定 比率的卡字和错位的概率,而在防窃电要求较高时,其抗磁场干扰差 软件可靠性。 软件的可靠性很大程度上决定了电表本身的可靠性。 软件的可靠 软件可靠性。 性在最终产品上没有很好的手段可以很快地检验出来,正常的各种试验情况 下,软件也许都运行正常,但在一些干扰或异常情况下,如果软件对这些情况 考虑不周,就会容易出现问题。 通信规约。 目前国内的电子式电能表无论采用何种通信接口, 一般都遵循 DL/T 通信规约。 645-1997《多功能电能表通信规约》。随着电力部门现代化管理的不断发展, 现有的 DL/T 645 规约已在很多方面不能适应电表功能的需求,生产厂家由于 新功能的需要都对 DL/T 645 规约进行了扩展,但各个厂家之间互不兼容,也 没有进行统一备案管理; 各地方电力部门由于本地本部门现代化管理的需要以 及发展,也对 DL/T 645 规约进行了扩展。
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谐波下计量。 当电网上有谐波源存在时, 谐波负荷会引起电网波形的非线性畸 谐波下计量。 变。 谐波情况下用户侧的电能可分为基波输入电能、 谐波输入电能和谐波输出 电能。 多功能表的功能定义。 随着多功能表技术的不断发展, 供电部门用户对多功能 多功能表的功能定义。 表的功能要求也越来越多, 除了需要更多标准的各种计量数据和参变量外, 提 出了更多有关电能质量检测的功能要求。 电力线载波技术的可靠性。 电力线载波技术的可靠性。由于低压配电网的覆盖面最广,遍布每家每户各 个角落,哪里有电表网络就已延升到哪里,因此是居民自动抄表最方便、最经 济的通信信道,而且没有月租费。 三、电能表行业技术发展趋势与重点 1、电子式电能表全面替代感应表 、 电子式电能表之所以能取代感应表而成为市场的宠儿, 有诸多的优势: ① 可靠性②准确度③功能④性价比。 2、计量性能要求进一步增强 随着电子式电能表技术的不断进步, 有更多的用户关注电表的量程、 轻载 准确度、低功率因数准确度、起动灵敏度、防潜动可靠性,以及谐波下计量的 准确性等特性。 他们要求: ①宽量程②高精度③影响量要求更高④电压、 电流、 功率、功率因数等实时参数要有更高的精度要求;⑤非线性下计量准确。 3、三相多功能表的计量性能进一步突破 国产 0.2S 级表的逐步使用,使电力用户比以往更加关注电能计量的相关 算法,特别是非线性工况下的计量算法,他们越来越注重的有:①谐波工况下 能同时提供双方向的有无功基波、谐波、总电量等数据;②谐波工况下无功计 量的准确性;③瞬态负荷的准确计量。④谐波分析功能及其实用性;⑤更准确 的状态判断和记录,特别是各种瞬态、暂态和稳态的参数;⑥量程和精度的进 一步扩展;⑦通信手段的多样化、网络化和可互换性。 4、液晶显示器加速替代字轮计度器 液晶显示器之所以能获得越来越多的客户的认可, 主要是因为: ①液晶显 示器的可靠性和寿命得到行业的普遍认可; ②液晶显示器能显示更多信息 (汉 字提示、多排显示等);③液晶显示器比字轮计度器更能防窃电;④集中抄表 数据和人工读表数据的一致性要求;⑤液晶显示器功耗低,可以停电时显示;
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⑥液晶显示器在黑暗中还可以采用背光显示。 5、防窃电要求进一步加强 目前窃电的方式主要有:干扰计量元件,更改接线方式,打开表盖更改内 部线路或数据等。 而这些都将要求电子式电能表在防窃电方面向以下一些方向 发展。 6、具有通信接口尤其是 RS485 接口成为趋势 随着抄表到户的逐步实施以及电力部门的体制改革, 自动抄表成为用户强 烈的需求,因此越来越多地要求电表配备通信接口。 7、电力线载波应用增速加快 随着通信技术的不断发展以及自动抄表成为用户强烈的需求的双重力量 推动,特别是越来越多的用户已经选择了具有 RS485 接口的电表。 8、实时时钟及相关功能需求不断增加 近几年来, 多费率表的使用在不断地扩大, 特别是在经济发达地区如上海、 江苏等地区增长迅速。 2005 年, 多费率表已经占据电子式电能表 20%左右的份 额。 而在普通表方面, 随着液晶显示和通信接口的广泛使功能也被更多地要求。

1.3 解决问题的技术关键
三相三线有功电能表的误接线有许多种, 根据接线分析可以求出更正率进 行电量更正。 无功电能表误接线的分析计算与有功表相同, 即分析误接线与正确接线的 相量关系,确定更正率,计算退补电量。 总之, 误接线的种类繁多, 但就更正率与力率的关系可以大体上归纳几种: (1)三相四线式供电低压计量时,如果一组元件断线,极性相反,更与力率 无关。 (2)三相三线电能表的 B 相(电流或电压)断线,此时更正率不论力率皆是 100%。 (3)三相三线 A 相与 C 相互换接入,电能表不转。 (4)其余三相三线电能表的误接线,其更正率的大小与符号随力率的变化而 变化。

第2章 有功电能表的错误接线分析 2.1 三相三线有功电能表的错误接线图
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三相三线有功电能表的错误接线有 23 种, 这里主要分析一种: 为接入电能表的电压端子的电压相序为:B——C——A,且 C 相电 流反接的错误接线。 以下为三相三线有功电能表的错误接线图,

a A A B C

b B

c C 负 载

图 2-1

有功电能表的正确接线图

2.2 错误所在
由于原来正确的相序为 a——b—c,而本设计分析的所接入的电压相序为 b——C——a,接入 a 相的电压为 UBC,接入 c 相的电压为 UAC。而且 c 想电流 反接。导致电压、电流都出现了错误。所计算出的有功功率与正确的相比出现 了很大差距。

2.3 分析错误时所测的实际功率
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错误接线的实际功率和正确接线的实际功率差别很大, 由于接 入的电压相序和电流接相都不正确, 所以导致实际的所测出现了很 大偏差:以下是对错误接线实际功率的详细分析。 1 画出错误接线的向量图。

Uab Ua Ia
-Ψ 90

Uac

-Ic Ubc Ub Ib

Uc

图 2-2

有功电能表的正确向量图

由于原来正确的相序为 a——b—c,而本设计分析的所接入的电压 相序为 b——C——a,接入 a 相的电压为 UBC,接入 c 相的电压为 UAC。而且 c 想电流反接。导致电压、电流都出现了错误。所计算 出的有功功率与正确的相比出现了很大差距。 2. 对实际功率的详细分析: P=P1+P2
= Ia Ubc cos(90 ? ? ) + Uac Ic cos(30 + ? )
o o ? ? ? ?

= 2UI cos 60 cos(30 ? ? )
o o

= UI cos(30 ? ? )
o

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不论角度为多大,转盘转向为正传。

3.1 有功电能表的结构和工作原理 一、三相有功电能表的结构
三相电能表是由单相电能表发展形成的,同样是由驱动元件、转动元 件、制动元件、计度器等部件组成。三相电能表与单相电能表的区别是每个三 相表均有两组或三组驱动元件。 它们形成的电磁力作用于同一个转动元件上并 由一个计度器显示三相消耗电能,所有部件组装在同一表壳内。 三相电能表的驱动力矩等于各元件驱动力矩之和, 所以三相电能表的误 差和各元件相对位置及所处状态有关。 影响三相电能表的负载特性的因数比单 相电能表多,而且复杂的多。为此,三相电能表除了具有与单相电能表相同的 调整装置外, 每组驱动元件还增加了平衡调整装置, 用来分别调整各元件的驱 动力矩使得电能表在不平衡的负载下,不至于产生太大的附加误差,此外,三 相电能表还防止元件之间采取一些干扰措施。 二、感应式有功电能表的工作原理 (1)感应式有功电能表的原理 感应式电能表是根据电磁原理来工作的。 感应式电能表是是利用电磁线圈产生移动磁场, 在闭合回路的导体 (即转 盘)中产生感应电流而获得转动力矩。 感应式电能表的移动磁场一般是由三磁通式机构产生的, 当交流电流通过 电压线圈时, 就产生电压磁通, 其中一部分电压磁通穿过铝盘经过分磁回路 (又 称回磁板) 而构成回路, 在电流线圈中产生的电流磁通在转盘两个不同的地方 穿过铝盘, 这可以看作有两个大小相等的磁通以互为反方向穿过铝盘, 这样共 有三个磁通。 它们的强弱和方向都随时间而改变, 在忽略一些因素和假定负荷 为纯电阻性,则电流磁通和电压磁通相差 90 度,通过绕组饶相的不同,可使 电流磁通滞后于电压磁通, 也可以改变线圈的进出端使电流磁通超前于电压磁 通,此时假定电流磁通滞后于电压磁通。 产生移动磁场必须具备两个条件是; 有两个或两个以上的不时间, 不同空 间的交变磁通,感应式电能表是具备此条件的,在确定移动磁场时,设三个磁 极位于转盘下面,并假定为正值时 处为 N 极; 处为 S 极; 为正值时,电压

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线圈铁芯中柱下端 S 极; 转盘下面回磁极的极性 N 极, 此时以转盘下侧极性为 准,为了便于理解,取交流电压、电流磁通一个周期的变化波形来观察。 移动磁场在铝盘中产生感应电势引起涡流, 铝盘中的涡流云电池元件相互 作用产生转距, 使转盘能够沿磁场移进方向连续旋转。 当电压与电流线圈沿任 一进出端进行改变时,使磁通相互关系改变,超前相变为滞后相,相应地磁盘 方向也发生改变。 还可以根据磁通瞬时变化方向及楞次定律等来确定感应涡流的瞬时方向, 再利用电动机左手定则判断转盘在个瞬间的转动方向,其结果相同。 总上所述, 电能表的转盘转矩是由电压线圈中与电流磁通构成的移动磁场在转 盘上感应出的涡流相互产生的转矩。 涡流与电流磁通、 电压磁通大小及频率成 正比。 (2)电能表的原理是:当把电能表接入被测电路时,电流线圈和电压线圈 中就有交变电流流过,这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通; 交变磁通穿过铝盘,在铝盘中感应出涡流;涡流又在磁场中受到力的作用,从 而使铝盘得到转矩(主动力矩)而转动。负载消耗的功率越大,通过电流线圈 的电流越大,铝盘中感应出的涡流也越大,使铝盘转动的力矩就越大。即转矩 的大小跟负载消耗的功率成正比。 功率越大, 转矩也越大, 铝盘转动也就越快。 铝盘转动时, 又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用, 制动力矩与主动力矩方 向相反;制动力矩的大小与铝盘的转速成正比,铝盘转动得越快,制动力矩也 越大。当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时,铝盘将匀速转动。负载所消耗 的电能与铝盘的转数成正比。铝盘转动时,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 按原理划分,电能表分为感应式和电子式两 大类: 感应式电能表采用电磁感应的原理把电压、电流、相位转变为磁力矩,推动铝 制圆盘转动,圆盘的轴(蜗杆)带动齿轮驱动计度器的鼓轮转动,转动的过程 即是时间量累积的过程。因此感应式电能表的好处就是直观、动态连续、停电 不丢数据。 感应式电能表对工艺要求高,材料涉及广泛,有金属、塑料、宝石、玻璃、稀 土等等,对此,产品的相关材料标准都有明确的规定和要求,用低价的劣质材 商品一样,价格过低的商品不会有好的质量保证。
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感应式电能表的生产工艺复杂,但早已成熟和稳定,工装器具也全面配套。生 产环境对温度、湿度和空气净化度的要求较高。近十余年来在杭州、宁波、温 州等地发展形成的电能表的材料和零部件市场具有相当的规模, 形成鲜明的中 国集约化大生产的特色, 这也是那里生产料代替标准规格的材料是影响电能表 产品质量的主要问题之一, 因此像大多数的电能表在市场上具有价格优势的主 要因素之一, 感应式电能表与电子式电能表相比, 感应式电能表生产的数量为 多。但电子式电能表的产量有明显上升的趋势。2.按测量电能的准分,一般有 1 级和 2 级表:1 级表示电能表的误差不超过±1%;2 级表示电能表的误差不 超过±2%3.按附加功能划分, 有多费率电能表、 预付费电能表、 多用户电能表、 多功能电能表、载波电能表等:多或称分时电能表、复费率表,俗称峰谷表, 是近年来为适应峰谷分时电价的需要而提供的一种计量手段。它可按预定的 峰、谷、平时段的划分,分别计量高峰、低谷、平段的用电量,从而对不同时 段的用电量采用不同的电价, 发挥电价的调节作用, 鼓励用电客户调整用电负 荷,移峰填谷,合理使用电力资源,充分挖掘发、供、用电设备的子式或机电 设备。

3.2 三相三线有功电能表的正确接线图
三相三线有功电能表的正确接线要求: 三相三线有功电能表的正确接线只有一种,即接入电路的电压 相序为:a—b—c;并且接入电流的相序是正确的。 以下为电能表的正确接线图:

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a A A B C

b B

c C 负 载

图 3-1

三相三线有功电能表正确接线图

3.3 分析正确接线的实际功率 1.三相三线电路有功电能的测量
1.三相三线电路中的功率 测量三相三线电路有功电能,一般采用三相三线(三相二元件)电 能表。因为三相三线电路中各电流之和为零,即

i +i +i
A B

c

=0



i

B

= ?(i A + iC )

(3-1)

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将电流 iB 代入三相电路瞬时功率表达式,求得三相三线电路的瞬 时功率为
p = u A i A + u B i B + u C iC = u A i A ? u B (i A + iC ) + u C iC (3-2) = (u A ? u B ) i A + (u C ? u B ) iC = u AB i A + u CB iC
(3-3)
? ?

? 上式用平均功率表示为?

P = U AB I A cos(U AB, I A) + U CB I C cos(U CB, I C )

(3-3)

上式用平均功率表示为
若以

i +i +i
A B

c

=0

?

i

B

= ?(i A + iC )
?

代入三相电路的瞬时功率表达式, 同理可得三相
? ?

三线电路的另外两个平均功率表达式为

p = U BA I B cos(U BA, I B ) + U CA I C cos(U CA, I C )
? ? ? ?

(3-4)

P = U AC I A cos(U AC , I C ) + U BC I B cos(U BC , I B )

(3-5)

为了统一接线,三相三线有功电能表把根据式(3-5)接线规定为标准接线。 三相三线的电路完全对称

p = U AB I A cos(30 + ? ) + U CB I C cos(30 ? ? )
o o

P = 3UI cos ? = 3U P I P cos ?

第4章

结论

1. 通过这次设计我对有功电能表有了更加深一步的理解。 (1) 了解了三相三线有功电能表的技术现状和发展趋势。 (2) 学习了三相三线有功电能表的正确接线和错误接线 (3) 掌握如何分析三相三线有功电能表的功率 2.最主要的掌握了三相三线电能表的接线分析,以及一共有 24 种接线情况。 所以三相三线有功电能表的正确接线非常重要。在生活运用中要相当重要,

所以有功电能表的电压相序与电流相序不能接反。

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