电力系统中电能计量方式的选择及分析

张永超，吴丽静，刘德才，韩冰

(国网山东省电力公司聊城供电公司，山东聊城252000)

0 引言

近年来，随着经济的高速发展，社会用电需求量持续增加。这从而也导致了发电、供电及用电各方之间的电能交易量急速上升。电能作为一种商品，在其交易过程中，计量的准确与否不仅关系着各项电力经济指标计算以及营业计费的准确性、公正性，而且直接涉及到发、供、用电各方的利益关系。

在电能计量工作中，能否准确地选择一种与电力系统运行方式相匹配的计量方式一直是保证电能计量准确性的关键所在。据调查，目前的电力系统中仍然存在很多计量方式选择不当的现象。其主要体现在电能计量方式与系统运行方式不匹配，特别是在中性点经消弧线圈或小电阻接地的系统中仍然存在大量的不符合电能计量相关标准规范的接线情况。针对这些问题，本文按照电力系统中性点不同的接地方式进行分类，分别对三相三线、三相四线两种计量方式在不同的中性点接地系统中计量的准确性、合理性进行分析，并为不同系统中电能计量方式的选择给出合理的建议。

1 电力系统的中性点接地方式

电力系统的中性点是指变压器三相绕组的公共连接点，中性点接地就是指变压器的中性点与接地网间的电气连接。在电力系统中，中性点接地方式的选择是一个比较复杂的问题［1］，选择的好坏，将直接影响着系统供电的可靠性和电力通信系统、电压绝缘系统、电气设备的安全以及继电保护装置的使用。

目前，我国电力系统中性点接地方式选择情况大致如下:

1)随着电力系统电压等级升高，设备的绝缘性能投资费用所占比重越来越大，而中性点直接接地系统的设备绝缘水平相对较低，能够有效节省绝缘设备资金投入，故一般110 kV 及以上系统一般采用中性点直接接地系统［2］。

2)对于35 kV 及以下电压等级的系统，一般可根据系统的具体情况，采用低电阻接地方式、高电阻接地方式，或消弧线圈接地、绝缘等非有效接地方式［4］。

3)10 kV 系统由于绝缘水平要求相对较低，并且可以耐受短时间的单相接地故障，所以一般采用中性点绝缘运行方式或者经消弧线圈接地方式。

2 中性点绝缘系统的计量方式分析

为了方便对整个系统进行分析，现将中性点绝缘系统等效为由电源及负载组成的三相电路，其等效电路图如图1所示。

图1 中性点绝缘系统等效电路图

图1 中uu，uv，uw为系统相电压;iu，iv，iw为相电流;u'u，u'v，u'w为系统负载侧相电压。此时uu=u'u，uv=u'v，uw=u'w。

2.1 三相三线计量方式

在中性点绝缘系统中，无论系统的三相负载是否对称，因为其中性点绝缘，由基尔霍夫定律可得iu+ iv+ iw=0，则负载功率为

在中性点绝缘系统中，式(1)总能成立，故该系统完全可以采用三相三线计量方式进行准确计量，在此不再具体分析。

2.2 采用三相四线计量方式

在从事计量工作时，曾多次遇到这样的情况:10 kV 中性点绝缘系统中采用三相四线的电能计量方式。那么这种计量方式究竟是否适用于中性点绝缘系统呢?在此对此类计量方式的准确性、安全性进行综合分析，并重点分析电力系统三相负载不对称时的情况。

2.2.1 误差的计算分析

当负载不对称时，中性点电压会发生一定偏移，偏移电压uoo'≠0，此时各相电源电压和负载电压不再保持一致，根据其等效电路图画出系统各个电压向量图如图2所示。

此时uu≠u'u，uv≠u'v，uw≠u'w，但iu+iv+iw=0依然成立。则负载功率为

图2 负载不对称时的系统向量图

由式(2)分析可知，在负载不对称的情况下，中性点绝缘系统采用三相四线计量方式时，并不会引起任何误差。

2.2.2 采用三相四线计量方式的不利影响

通过对式(2)的分析可知，采用三相四线计量接线方式时，无论中性点绝缘系统的三相负载是否对称，其在计量过程中均不会引起误差。但是，当系统中负载不对称时三相不平衡电压会在一定程度上影响电能计量装置的计量准确性。另外，当系统出现单相接地故障时，三相四线计量方式也会引起一系列安全隐患，严重影响电能计量装置的准确性和安全性［3］。

目前，电网所推广使用的智能表，其电能测量单元的核心部件有数字乘法器、A/D 转换器以及电压和电流采样器等。三相电压不平衡对数字乘法器和A/D转换器产生的误差基本上可以忽略，但是三相不平衡电压却会导致智能表内的电压采样器不准确。对于电压互感器式采样智能表来说，不平衡的三相电压会造成其铁芯的非线性，从而带来较大的附加误差。

当中性点绝缘系统发生单相接地故障时，接地相相电压降为0，而此时非接地相的二次侧会产生100 V的电压。已知三相四线电能表线圈两端的额定电压为57.7 V，最大允许值为额定电压的130%，即75 V。很明显当系统发生单相接地故障时，线圈两侧电压超过了电压线圈的额定电压，这会给电能计量装置带来极大的安全隐患，严重时甚至会烧坏电能表电压线圈，造成不计量的后果。

综合上述分析，虽然中性点绝缘系统采用三相四线接线方式并不会产生计量误差，但是三相电压不平衡、系统单相接地以及并联谐振等因素，会大大影响计量准确性，影响电能计量装置的安全稳定运行，甚至可能威胁到整个电力系统的安全运行。

3 中性点直接接地系统的计量方式分析

在中性点直接接地系统中，变压器或发电机绕组的中性点直接与接地网相连接，其等效电路图如图3所示。

图3 中性点直接接地系统等效电路图

3.1 三相四线计量方式

由等效电路图可知uoo'=0，故uu=u'u，uv=u'v，uw=u'w。则有

由式(3)可知，三相四线计量接线方式完全能够对110 kV 及以上电压等级的中性点直接接地系统进行准确计量，在此不再详细分析。

3.2 三相三线计量方式

当中性点直接接地系统运行正常且三相负载及线路各个参数完全对称时，流过中性点的接地电流趋近于零，则此时可以采用三相三线计量方式。但是在实际的电力系统运行中，电网的三相电压、线路参数以及负载阻抗并不能时时处于完全对称的状态，当出现不对称的情况时，接地电流in不再为零。即in=iu+iv+iw≠0，则iv=in-(iu+ iw)。将此代入(3)式，有

将式(4)与式(1)相比较，可得中性点接地电流in所引起的计量误差为

由(5)式可知，误差rn的大小与电力系统的不对称程度有关，系统不对称程度越严重，流过中性点的接地电流越大，则误差rn越大。经过对变电站内主变的接地电流及各相电流的数据采样、比较、计算分析可得，误差rn已远远超过了相关电能计量标准所要求的误差范围。所以，三相三线计量方式不能满足中性点接地系统的计量准确性。

4 中性点经消弧线圈、小电阻接地系统计量方式分析

我国35 kV 及以下配电网和电厂发电机出口多数采用中性点经消弧线圈或低电阻接地的运行方式。以架空线路为主的配电系统，一般采用经消弧线圈接地的运行方式;以电缆为主的配电系统，一般优先考虑经低电阻接地的运行方式。

通过对目前配电网及电厂发电机出口的电能计量点的调查发现，存在大量的经消弧线圈或低电阻接地的系统采用三相三线计量方式，这种计量方式是不准确的也是不符合相关规定的。DL448-2000《电能计量装置技术管理规程》中明确规定:中性点非绝缘系统采用三相四线制计量［5］。而经消弧线圈接地系统和经低电阻接地系统均属于此列。两种系统运行时，连接中性点和接地网的线圈和电阻间会流过接地电流in，由此导致采用三相三线计量方式的计量不准确。综上可得，中性点经消弧线圈接地和经低电阻接地的两种系统均应采用三相四线计量接线方式。

5 总结

综上所述，仅仅根据系统电压等级来确定电能计量接线方式的做法是不全面、不准确的。当选择一个计量点的计量方式时，必须充分考虑系统的中性点接地情况。当系统采用中性点绝缘方式时，虽然三相四线接线方式并不会造成计量误差，但是此时的三相电压不平衡、系统单相接地以及并联谐振等因素，会大大影响计量装置的准确性，所以应尽量选择三相三线计量接线方式;中性点直接接地系统则必须采用三相四线接线方式，否则会产生较大的计量误差;而根据计量相关标准可以确定，中性点经消弧线圈接地和经低电阻接地的系统均应采用三相四线计量接线方式。

［1］李颖峰.配电网中性点接地方式探讨［J］.电力系统保护与控制，2008，36(19):58-59.

［2］魏晓龙.电力系统中性点运行方式探析［J］.机电信息，2011(36):15-16.

［3］常仕亮.论中性点绝缘系统的计量方式［J］.工业计量，2013，23(2):19-21.

［4］王晋.系统中性点接地方式对电能计量的影响［J］.华东电力，2004(1):56-57.

［5］中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 448-2000 电能计量装置技术管理规程［S］.北京:中国电力出版社，2001.