中性点接地方式对电能计量的影响分析

王海蓉，徐阳2，常皓

(1.国网黄石供电公司，湖北 黄石 435000;2.国网邢台供电公司，河北 邢台 054000)

1 引言

电力系统中性点接线方式包括中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统、中性点直接接地系统。目前，我国110kV及以上电网主要采用中性点直接接地系统。根据《电力装置的电测量仪表装置设计规范》第4.1.8条，中性点有效接地系统中应采用三相四线制接线的电能表，中性点非有效接地系统的电能计量装置宜采用三相三线的接线方式。但在实际应用过程中，仍然存在有效接地系统中，三相三线制接线和三相四线制接线的电能表混用的情况，对电能计量的准确性造成了一定的影响，造成供电公司统计线损率居高不下，增加了同期线损管理难度。本文结合供电公司线损率持续偏高的案例，分析未按照相关标准规范执行，未采用与系统中性点运行方式相匹配的电能计量方式造成的线损率异常问题，为类似线损异常问题提供查找思路。

2 电能计量的原理

电能计量一般有两元件法(三相三线接线)和三元件法(三相四线接线)。三相三线接线主要是通过线电压搭配对应的相电流实现；三相四线法是采用三相电压和对应电流实现电能计量的。三相三线法通常应用于中性点不接地系统中，三相四线接线通常应用于中性点直接接地系统或经消弧线圈接地系统[1]。

(1)中性点不接地系统采用三相三线电能计量方式。

在中性点不接地系统中，采用三相三线经CT和PT接入方式进行计量，该方式为不完全星形接线，其接线图和向量图如图1所示。

图1 中性点不接地系统三相三线制接入方式及向量图

根据接线图和向量图分析有：

在中性点不接地系统中，三相负荷对称情况下，有iA+iB+iC=0,uA=uZA、uB=uZB、uC=uZC、uoo1=0成立，则令UAB=UBC=UCA=U,IA=IB=IC=I,φα=φb=φc=φ， 则电能表测量功率为：

P=uABiA+uCBiC

(1)

即：

P=UABIAcos(30+φa)+UCBICcos(30-φc)

(2)

式(2)进一步化简可得：

P=UIcos(30+φ)+UIcos(30-φ)

(3)

则：

(4)

此时负载功率为：

P1=uAiA+uBiB+uCiC=uZAiA+uZBiB+uZCiC

(5)

P1=uAiA+uB(-iA-iC)+uCiC=uABiA+uCBiC=P

(6)

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，当出现不对称情况时，因其中性点不接地，iA+iB+iC=0仍然成立，但负载中性点与变压器中性点之间将产生位移电压，即uoo1≠0、uA≠uZA、uB≠uZB、uC≠uZC，其位移向量图如图2所示[2-3]。

图2 不对称情况下三相三线制接入电压位移向量图

此时各项负载电压与电源电压不再保持一致，即负载功率为：

P1=uZAiA+uZBiB+uZCiC

(7)

由位移向量图可知：uA=uZA+uoo1、uB=uZB+uoo1、uC=uZC+uoo1

那么有：

P1=(uA-uoo1)iA+(uB-uoo1)iB+(uC-uoo1)iC

(8)

进一步简化变为式(5)，因此，对于中性点不接地系统来说，三相三线接线在负荷对称或不对称情况下，测量功率和负载功率保持一致。

(2)中性点直接接地系统采用三相三线电能计量方式。

在中性点直接接地系统中，三相负荷平衡情况下，三相三线电能表测量功率与中性点不接地系统结果相同，不再赘述。当出现不对称情况时，中性点电流i0不再为0，此时的电能计量接入系统方式如图3所示。即i0=iA+iB+iC≠0，则有iB=i0-iA-iC，将该式带入(8)式有：

P1=uABiA+uCBiC+(uB-uOO1)i0≠P

(9)

由式(9)可以看出，此时负载功率与计量表计的测量功率将不再相等，三相三线电能表将在中性点直接接地系统中三相负荷不平衡状态下出现计量误差。误差的大小与中性点电压电流及B相电压有关，流过中性点的接地电流越大，则误差越大。

图3 中性点直接接地系统不对称情况下三相三线制接入方式

(3)中性点不接地系统采用三相四线制电能计量方式。

三相四线制计量方式选取使用较为普遍的经CT接入方式，其接线图如图4所示。

在三相负荷对称运行情况下，有iA+iB+iC=0,uA=uZA、uB=uZB、uC=uZC、uoo1=0成立，则令UA=UB=UC=U相,IA=IB=IC=I,φα=φb=φc=φ，则电能表测量功率为：

P0=uAiA+uBiB+uCiC

(10)

即：

P0=UAIAcos(φa)+UBIBcos(φb)+UCICcos(φc)

(11)

式(11)进一步化简可得：

P0=3U相Icosφ

(12)

此时负载功率为：

P2=uAiA+uBiB+uCiC=uZAiA+uZBiB+uZCiC=P0

(13)

图4 中性点不接地系统三相四线制接入方式及向量图

当负载不对称时，因其中性点不接地，iA+iB+iC=0仍然成立，但负载中性点与变压器中性点之间将产生位移电压，即uoo1≠0、uA≠uZA、uB≠uZB、uC≠uZC，其位移向量图如图2所示。此时各项负载电压与电源电压不再保持一致，则三相四线制功率计量公式变为：

P2=uZAiA+uZBiB+uZCiC

(14)

有位移向量图可知：uA=uZA+uoo1、uB=uZB+uoo1、uC=uZC+uoo1

那么有

P2=(uA-uoo1)iA+(uB-uoo1)iB+(uC-uoo1)iC

(15)

进一步简化变为式(13)，因此，对于中性点不接地系统来说，三相四线制接线在负荷对称或不对称情况下，测量功率和负载功率保持一致。

(4)中性点直接接地系统采用三相四线制电能计量方式[4]。

在中性点直接接地系统中，三相负荷平衡情况下，三相四线制电能表测量功率与中性点不接地系统结果相同，不再赘述。当出现不对称情况时，中性点电流i0不再为0，此时的电能计量接入系统方式如图5所示。

即i0=iA+iB+iC≠0，则有iB=i0-iA-iC，将该式带入式(15)有：

P2=uAiA+uBiB+uCiC-uOO1iO≠P0

(16)

由式(16)可以看出，此时负载功率与计量表计的测量功率将不再相等，三相四线电能表将在中性点直接接地系统中三相负荷不平衡状态下出现计量误差。误差的大小与电力系统的中性点电压和电流有关，其值越大误差越大。

图5 中性点直接接地系统不对称情况下三相四线制接入方式

3 案例分析

某供电公司220kV A线线损率持续异常，计量人员多次深入现场核查接线，并更换新的电能表后均无法恢复正常。该线路设备基本情况如表1所示。

该线路更换新的电能表后近几月电量损失情况如表2所示。

表1 A线路对应变电站计量及线路设备基本情况表

表2 A线线损率统计表 单位：万千瓦时

2017年1月至7月220kV A线对应两侧变母线和主变电量损失率情况如表3所示。综合A1、A2变分析，两站站内元件损耗率基本正常，故分析重点锁定在220kV A线线路及两侧开关。

表3 A线对应两侧变母线和主变电量损失率情况 单位：万千瓦时

220kV A线网架结构如图6所示。

图6 220kV A线网架结构图

正常运行方式下，电厂B至A1变、电厂C至A1变、电厂C至A2变、A1变至A2变环网运行。

为便于分析，抽取电力调度系统中5月1日至7月25日24个点的日负荷有功、无功数据，通过分析发现：电厂C 2#机组5月1日00:00～5月21日6:40停运；A线5月12日6:10～5月15日22:10停运；CA1线5月5日6:00～5月20日5:10停运；CA2线6月15日6:50～6月18日19:55停运。电能计量系统中220kV A线线损率与两侧开关功率因素关系图如图7所示。

从图7分析可知：

(1)在CA2线或CA1线处停运状态时，A线在电能量计量系统中有功线损率降低至2%以下，无功损耗大部分处于10%～20%之间。其他时段有功线损在率3%以上，最大有功线损率达到64%，无功线损均在10%以上，最大无功损耗达到70.9%。

(2)在7月17日～7月25日期间，由于A线每日双向潮流交换较为频繁，造成电能量计量系统反应的有功无功损耗更大。因此，可以看出电网运行方式对计量结果造成较大影响。

图7 线损率与功率因素对比分析图

通过电网运行方式分析，发现潮流对线损影响较大，为弄清是220kVA线本身线损就偏高，还是因为数据采集系统原因，对两大计量系统进行对比分析。提取了潮流方向相对稳定的27天电量分析如图8、图9所示。

通过对比分析发现：

(1)A2变开关电能量计量系统与电力调度的积分电量相对误差较小；

(2)A1变开关电能量计量系统与电力调度的积分电量部分时间相对误差较大，且相对误差正负与潮流方向有关，潮流方向为A2至A1时，A1变开关电能量计量系统数据偏大，潮流方向为A1至A2时，A1变开关电能量计量系统数据偏小；且A1变开关误差呈现跳跃趋势，从1%到12%之间跳跃，功率因素偏差越低，误差越大。

(3)通过调度系统计算的积分电量得出的A线线损正常，线损率在1%以内，与理论线损值(0.2%以内)较为接近。因此，确定运行方式对电能量计量系统数据造成一定影响，进一步展开电能量计量系统的分析。

现场电能表检查结果为：

(1)A1变采用的电能计量表为宁波三星电气股份有限公司生产的DSZ188，三相三线智能电能表，有功0.5S，无功2.0级。A2变采用威思顿DTZ178，三相四线智能电能表，有功0.5S，无功2.0级。

图8 电能量计量系统与电力调度系统线损率对比分析图

图9 A1变开关与A2变开关相对误差对比分析图

(2)A1变二次回路接线正确；表计误差测试在合格范围内；表计现场实负荷走字试验合格；二次压降测试值为-0.288%，超差。A1变电压互感器0.2级绕组未使用，计量电压二次回路接入的是0.5级二次绕组，经现场电压互感器误差测试0.2级和0.5级绕组误差均不合格。

(3)A2变二次回路接线正确；表计误差测试在合格范围内；表计现场实负荷走字试验合格。

A线电能量计量系统图如图10所示。

图10 A线电能量计量系统图

通过图10并考虑中性点接地系统中三相负荷不平衡情况下，由公式(1)、(9)、(10)和(16)推导出A线线损率计算公式为：

(1)A1变流入A2变时：

(17)

进一步将式(1)、(10)代入由

(18)

化简得：

(19)

由公式(19)可知:

①在不考虑线路损耗和电压偏移的情况下，若三相负荷不平衡,A线路两端因计量表计接线方式不同将增加线损误差。

②A1变流入A2变时由于A1侧为三相三线制接线，由公式(9)知，该值在三相负荷不平衡情况下，负荷功率与计量功率相差：

P=P1+(uOO1-uB)iO

(20)

将该式子代入(19)有：

(21)

即不仅有中性点电压和中性点电流带来的功率损耗偏差，还有B相电压偏差。则分母较实际值减少。

(2)A2变流入A1变时：

(22)

进一步将式(1)、(10)代入有：

(23)

化简得：

(24)

由公式(24)可知:

①在不考虑线路损耗和电压偏移的情况下，若三相负荷不平衡，A线路两端因计量表计接线方式不同将增加线损误差。

②A2变流入A1变时由于A2侧为三相四线接线，由公式(16)知，该值在三相负荷不平衡情况下，负荷功率与计量功率相差：

P0=P2+uOO1iO

(25)

将该式子代入式(24)有：

(26)

即为中性点电压和中性点电流带来的功率损耗偏差。则分母较实际值偏大。

由式(21)、(26)可知，通过对比A1变流入A2变和A2变流入A1变线损率分析可知，A1变流入A2变时线损率绝对值比A2变流入A1变要高。

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 解决方案

(1)在中性点有效接地系统中，严格按照规程规范将三相三线电能表更换为三相四线电能表。通过上述分析，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。中性点直接接地系统应采用三相四线接线方式，否则会产生较大的计量误差。

(2)将A1变开关的电能计量表计更换为三相四线电能表后，A线线损率如表4所示。

从表中可以看出，A线线损率恢复了正常。

表4 A线线损率统计表 单位：万千瓦时

5 总结

电能计量工作的公平、公正、准确与可靠，关系到电力公司与用电客户双方的经济利益。而中性点接地方式对电能量计量表计有一定影响，因此，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。在中性点不接地系统，三相三线和三相四线接线方式的计量表计在计量误差方面均满足要求，但在有效接地系统中，宜采用三相四线接线方式，避免带来计量误差。

结合220kV线路线损率异常的实际案例，逐步分析查找线损率异常原因，并最终通过实际案例证实在有效接地系统中，三相三线电能表与三相四线电能表混用对线损影响较大。因此，为确保线损归真，提升同期线损管理水平，应严格按照规程规范要求，对不同的中性点接地方式应选择正确的电能表计量方式。