祝毛寧 張蓬鶴 王璧成 秦譯為

（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司）

0 引言

電能計(jì)量是發(fā)電企業(yè)、供電企業(yè)和電力用戶三者之間進(jìn)行經(jīng)濟(jì)結(jié)算的依據(jù)，它的準(zhǔn)確與否直接影響各方的經(jīng)濟(jì)利益。隨著電力基礎(chǔ)設(shè)施逐漸完善和推進(jìn)電力市場(chǎng)化進(jìn)程的迫切需求，堅(jiān)定不移地確保電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，對(duì)發(fā)、供、用電三方都是十分必要的。

我國(guó)地域遼闊，不僅電力網(wǎng)絡(luò)線路結(jié)構(gòu)長(zhǎng)，而且低壓配網(wǎng)線路復(fù)雜多樣。然而，由于受利益驅(qū)使，部分不法電力用戶為了謀求更多的經(jīng)濟(jì)利益，非法采取竊電手法、利用竊電作案工具，破壞電能表計(jì)量裝置，達(dá)到使電能表少計(jì)電量甚至不計(jì)電量的目的。本文通過分析電能表的結(jié)構(gòu)原理，綜合分析磁場(chǎng)影響電能表少計(jì)電量的原因，并探討我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下電能表的磁場(chǎng)試驗(yàn)要求。

1 電子式電能表的工作原理

電子式電能表按照國(guó)家相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)接入線路中，其工作原理見圖1。從線路中采集到的高電壓和大電流，通過電壓轉(zhuǎn)換器和電流轉(zhuǎn)換器按一定的比例轉(zhuǎn)換成低電壓和小電流，低電壓和小電流輸入到乘法器中相乘，得到瞬時(shí)功率。在一定時(shí)間內(nèi)，乘法器首先累計(jì)瞬時(shí)功率，得到該段時(shí)間的平均功率，然后輸出一個(gè)與正相關(guān)的直流電壓。直流電壓經(jīng)/轉(zhuǎn)換器變換成對(duì)應(yīng)大小的脈沖頻率，脈沖頻率經(jīng)分頻計(jì)數(shù)后，最終在電能表液晶顯示器上顯示出對(duì)應(yīng)的電量值。

圖1 電子式電能表的工作原理

2 磁場(chǎng)對(duì)電能表元器件的影響

2.1 磁場(chǎng)對(duì)電流互感器的影響

電流互感器的基本原理是電磁感應(yīng)定律。在閉合的鐵芯和一二次側(cè)繞組中，一次側(cè)線圈通以變化的電流，鐵芯中則會(huì)產(chǎn)生變化的磁通，并在二次側(cè)線圈產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電流。

當(dāng)電流互感器周圍存在外部磁場(chǎng)時(shí)，外部磁場(chǎng)會(huì)與鐵芯中的感應(yīng)磁場(chǎng)相互疊加，這樣會(huì)改變了鐵芯中原有的磁場(chǎng)分布，影響了電流互感器二次側(cè)的輸出。當(dāng)外部磁場(chǎng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，甚至?xí)闺娏骰ジ衅麒F芯飽和，二次側(cè)輸出誤差急劇增大。

2.2 磁場(chǎng)對(duì)變壓器的影響

變壓器的損耗主要有銅損和鐵損。其中，銅損指由于線圈電阻的熱效應(yīng)所引起的損耗，即當(dāng)電流流過線圈時(shí)，線圈電阻損耗的能量。鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗。當(dāng)變壓器的一次繞組通電后，線圈會(huì)感應(yīng)出磁通，磁通穿過鐵芯，就會(huì)在鐵芯中垂直于磁力線的平面上感應(yīng)出電勢(shì)，然后在鐵芯表面形成閉合回路，產(chǎn)生渦流。渦流不僅會(huì)讓損耗增加，而且會(huì)讓鐵芯發(fā)熱，溫升增加，影響正常的二次輸出。

當(dāng)變壓器周圍存在外部磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)增加變壓器的損耗，原因有兩點(diǎn)。其一，在磁場(chǎng)中，金屬或半導(dǎo)體材料的電阻受磁場(chǎng)的影響，具有磁阻效應(yīng)，其電阻會(huì)隨著磁場(chǎng)的增大而增大，從而使變壓器的銅損增加。其二，外部磁力線通過變壓器，使變壓器的鐵損增加。銅損和鐵損的增加會(huì)導(dǎo)致變壓器的溫度升高，不僅會(huì)影響二次側(cè)的輸出，而且可能會(huì)使過熱保護(hù)裝置誤動(dòng)，使電能表黑屏。

2.3 磁場(chǎng)對(duì)繼電器的影響

繼電器是電能表內(nèi)部的控制部件，通過它可以對(duì)電力用戶催費(fèi)預(yù)警、遠(yuǎn)程拉合閘，目前電能表內(nèi)大多采取電磁繼電器，外部磁場(chǎng)會(huì)影響電磁繼電器的正常操作，可能使其誤動(dòng)或拒動(dòng)，其準(zhǔn)確可靠對(duì)電力用戶的順利用電至關(guān)重要。

對(duì)于吸入式和拍合式電磁繼電器，當(dāng)繼電器受到外來磁場(chǎng)干擾時(shí)，外部磁場(chǎng)在鐵芯內(nèi)感應(yīng)出干擾電勢(shì)，吸合電壓或釋放電壓由于受到干擾電勢(shì)的影響而出現(xiàn)誤差。若干擾電勢(shì)達(dá)到一定的數(shù)值，甚至大于或數(shù)倍于吸合電壓或釋放電壓，則繼電器可能在很小的電壓下就能自動(dòng)吸合或很大的電壓下拒不釋放，造成電磁繼電器拒動(dòng)或誤動(dòng)，影響電力用戶的供電可靠性。

2.4 磁場(chǎng)對(duì)錳銅分流器的影響

電子式電能表中，火線電流的測(cè)量通常采用錳銅分流器。錳銅分流器實(shí)際上就是一個(gè)阻值已知但很小的電阻，當(dāng)負(fù)載電流流過錳銅分流器時(shí)，在其兩端便產(chǎn)生電壓，通過電壓便能準(zhǔn)確知道負(fù)載電流的大小。

當(dāng)錳銅分流器周圍存在干擾磁場(chǎng)時(shí)，干擾磁場(chǎng)會(huì)在引線上感應(yīng)出感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流會(huì)影響采樣電流的大小。若感應(yīng)電流與錳銅分流器采樣電流方向一致，則采樣電流偏大，若兩者方向相反，則采樣電流偏小，這勢(shì)必影響錳銅分流器的準(zhǔn)確采樣測(cè)量，特別對(duì)小電流信號(hào)的測(cè)量精度影響更大。

2.5 磁場(chǎng)對(duì)液晶顯示器的影響

液晶是一種介于固體與液體之間，具有規(guī)則性分子排列的有機(jī)化合物。一般最常用的液晶形態(tài)為向列型液晶，分子形狀為細(xì)長(zhǎng)棒形，在不同電流電場(chǎng)作用下，液晶分子會(huì)旋轉(zhuǎn)一定角度實(shí)現(xiàn)規(guī)則有序排列，由此來產(chǎn)生透光度的差別，如此可以在電源通斷下產(chǎn)生明暗的區(qū)別。依此原理控制每個(gè)像素，便可構(gòu)成所需要的圖像。

磁場(chǎng)會(huì)對(duì)電能表的液晶顯示器產(chǎn)生不利影響，改變液晶分子的正常取向。當(dāng)液晶顯示器周圍有強(qiáng)大的磁場(chǎng)時(shí)，外部磁場(chǎng)對(duì)液晶分子的作用大于正常電場(chǎng)對(duì)液晶分子的作用，液晶分子不能正常取向，液晶顯示器不能正常顯示示數(shù)。

3 電能表標(biāo)準(zhǔn)中的磁場(chǎng)試驗(yàn)要求

我國(guó)已經(jīng)制定了一系列電能表標(biāo)準(zhǔn)，電能表標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了電能表產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，包含了對(duì)應(yīng)的技術(shù)要求、型式試驗(yàn)的內(nèi)容，以及文件、軟件、圖樣等方面的要求。就磁場(chǎng)能夠影響電能表計(jì)量而言，磁場(chǎng)試驗(yàn)是電能表出廠前所必須進(jìn)行的型式試驗(yàn)。

3.1 三相智能電能表中的磁場(chǎng)試驗(yàn)要求

DL/T 1485—2015《三相智能電能表技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了三相智能電能表工頻磁場(chǎng)試驗(yàn)要求和恒定磁場(chǎng)試驗(yàn)要求。三相智能電能表工頻磁場(chǎng)試驗(yàn)要求：電能表在0.5 mT工頻磁場(chǎng)無負(fù)載，電壓線路通以115%，電流回路無電流時(shí)，將0.5 mT工頻磁場(chǎng)施加在電能表受磁場(chǎng)影響最敏感處，在20倍的理論起動(dòng)時(shí)間內(nèi)電能表不應(yīng)產(chǎn)生多于一個(gè)的脈沖輸出。三相智能電能表恒定磁場(chǎng)試驗(yàn)要求：電能表通以參比電壓、參比電流，將50 mm × 50 mm × 50 mm 表面磁場(chǎng)強(qiáng)度300 mT的磁鐵分別放置在電能表正面、側(cè)面、底面靠近電源模塊的位置，每個(gè)平面試驗(yàn)持續(xù)20 min，電能表應(yīng)不死機(jī)、不黑屏。將磁場(chǎng)分別在電能表正面、側(cè)面靠近內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)的位置移動(dòng)，負(fù)荷開關(guān)應(yīng)不改變狀態(tài)，連續(xù)發(fā)送5次拉合閘命令，負(fù)荷開關(guān)應(yīng)正確動(dòng)作。

3.2 單相智能電能表中的磁場(chǎng)試驗(yàn)要求

DL/T 1487—2015《單相智能電能表技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了單相智能電能表工頻磁場(chǎng)試驗(yàn)要求和恒定磁場(chǎng)試驗(yàn)要求。工頻磁場(chǎng)試驗(yàn)中，單相智能電能表與三相智能電能表要求一致。恒定磁場(chǎng)試驗(yàn)中，單相智能電能表只需200 mT的磁鐵，僅磁場(chǎng)強(qiáng)度比三相智能電能表低，其余試驗(yàn)要求與三相智能電能表相同。

3.3 高壓電能表中的磁場(chǎng)試驗(yàn)要求

GB/T 32856—2016《高壓電能表通用技術(shù)要求》規(guī)定了不同等級(jí)的高壓電能表在工頻磁場(chǎng)和射頻電磁場(chǎng)下的百分?jǐn)?shù)誤差改變極限，見表1。

表1 影響量引起的百分?jǐn)?shù)誤差改變限值

3.4 恒定磁場(chǎng)干擾監(jiān)測(cè)及事件記錄

DL/T 1490—2015《智能電能表功能規(guī)范》規(guī)定了恒定磁場(chǎng)干擾事件及事件記錄功能。當(dāng)三相電能表檢測(cè)到外部有100 mT強(qiáng)度以上的恒定磁場(chǎng)，且持續(xù)時(shí)間大于5 s，記錄為恒定磁場(chǎng)干擾事件。在恒定磁場(chǎng)干擾，電能表能正常工作時(shí)，電能表應(yīng)具有恒定磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度高于100 mT時(shí)，電能表應(yīng)記錄恒定磁場(chǎng)干擾事件。而且事件記錄功能應(yīng)記錄恒定磁場(chǎng)干擾事件總次數(shù)，最近10次發(fā)生時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻及對(duì)應(yīng)的電能量數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

電能表是電能計(jì)量的核心器件，電能表內(nèi)的元器件如互感器、變壓器、繼電器、錳銅分流器和液晶顯示器等易受外部磁場(chǎng)干擾。針對(duì)磁場(chǎng)干擾影響電能表計(jì)量的現(xiàn)象，應(yīng)提高對(duì)電能表電磁兼容測(cè)試的重視程度，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可進(jìn)一步加強(qiáng)與完善。通過分析磁場(chǎng)干擾電能表計(jì)量的原理，應(yīng)不斷改善電能表抗電磁干擾能力的方法，確保電能計(jì)量準(zhǔn)確。