三相电能表反方向计量故障的分析

潘英吉, 周和平

1.国家电网吉林供电公司 吉林吉林 132001 2.吉林市电力设备安装公司 吉林吉林 132002

1 故障情况

运行中发现三相电能表计量出现反向电量,经对计量装置接线方式及计量参数进行检测,并未发现异常。为判断电能表本体是否存在参数突变问题,在其回路中又接入一个电能表,即同一计量回路接入两个电能表。经过一段时间运行后,两个电能表均计量出反向电量,基本上可以确定两个电能表计量正常。在对用电设备进行全面检查时,发现一台注塑机的三相电源控制开关外壳发热,并伴有烧焦气味。打开上盖后,看到三相开关有一相接点严重氧化,接触不良,造成三相电动机非全相运行。非全相运行是否引发三相电能表反向计量,需做进一步分析。

2 供电计量方式

发生上述故障的塑料制品加工厂为10 kV电源供电,电力用户无备用电源。电能计量装置采用髙供高计,供电计量系统如图1所示[1-2]。图1中TV为电压互感器,TA为电流互感器,kWh为三相电能表,T为变压器,K1～K3为三台注塑机控制开关,KZ为照明和空调控制开关。

图1 供电计量系统

为提高10 kV配电系统的供电可靠性,通常系统中性点采用不接地运行方式。依据电工学基尔霍夫节点电流定律,IA+IB+IC=0,IA+IB=-IC,IA+IC=-IB,即任意两相电流的向量和均等于第三相电流的反方向向量。10 kV供电系统具备以上条件,三相电能计量装置可采用V/V接线方式,两台电流互感器分别串接在A相、C相电源中,两台单相电压互感器分别并接在A相和B相、B相和C相上,电能计量采用两个计量元件的三相三线制电能表,接线方式如图2所示[3],向量图如图3所示。

图2 计量装置V/V接线方式

图3 V/V接线方式向量图

依据电工极性学原理,设定三相电能表的电压线圈和电流线圈由同名端指向异名端为正方向,这样,三相三线制电能表第Ⅰ个计量元件电压线圈承受的正方向电压为Uab,流过电流线圈的电流为Ia,电压与电流之间的夹角为30°+φ;第Ⅱ个计量元件电压线圈承受的正方向电压为Ucb,流过电流线圈的电流为Ic,其夹角为30°-φ。φ为功率因数角,三相电能表计量的三相功率为[4]:

(1)

式中:Ux、Ix分别为线电压与线电流。

三相电能表所计量的功率应该能够正确表达三相计算功率。

3 故障分析

检查中发现3号注塑机电源控制开关K3因固定螺栓松动,接点过热氧化,造成接触不良,并有放电痕迹,经检测发生在控制开关的b相。如果仅3号注塑机在运行,b相处在断开状态,变压器二次侧只有a相、c相上带有负载,反映到一次侧也同样如此。为简化对三相电能表反方向计量故障的分析,变压器电压变比为1∶1,故障时接线如图4所示[4-5]。

图4 故障时接线

从图4中可以看出,B相在断开的情况下,电源线电压UAC施加到三相电机A相、C相绕组上,流过的电流为IAC。三相电能表第Ⅰ个计量元件电压线圈承受的电压为Uab,从A相电流互感器同名端流出的电流为Iac,并经电流线圈形成闭合回路。第Ⅱ个计量元件电压线圈承受的电压为Ucb,从C相电流互感器异名端流出的电流为-Iac,-Iac=Ica,经电流线圈形成闭合回路。依据电压与电流之间的向量关系,可计算出每个计量元件所计量的功率。计量元件向量图如图5所示[6]。

图5 计量元件向量图

三相电能表第Ⅰ个计量元件所计量的功率PⅠ=UabIaccos(60°+φ),第Ⅱ个计量元件所计量的功率PⅡ=UcbIcacos(60°-φ),计量总功率的代数和P=UabIaccos(60°+φ)+UcbIcacos(60°-φ)[7]。

当功率因数角φ>30°或cosφ<0.866时,第Ⅰ个计量元件电压与电流之间的夹角大于90°,计量的功率为负值。这就是控制开关b相接触不良,造成三相电能表反向计量的原因所在。三相电动机缺相运行,会造成其它两相电流急剧增大,甚至被烧毁。在正常用电负荷中,有两相用电设备,如跨相电焊机或电弧炉等,无论三相四线制或三相三线制电能表,均存在有一个计量元件反向计量的问题,这涉及到总电量是每个计量元件所计电量的绝对值和还是代数和。三相功率计算式(1)说明总电量的正确计算应为代数和,如果按照绝对值和计算总电量,那么将是错误的。

4 保护措施

三相电动机因非全相运行而被烧毁,这样的事故时有发生。针对大功率及重要负荷的三相电动机,应加装缺相保护,分为电压和电流两种方式。在安装处的电源侧发生断线时,电压保护能够检测到三相电压不平衡,保护动作于跳闸。若在负荷侧发生断线,电压保护检测不到三相电压运行状况,存在盲区。电流保护可以保护全线路,当本线路及电源侧任意点处发生断线故障时,均能检测到三相电流不平衡,保护动作于跳闸。断线电流保护接线如图6所示[8-9],图6中TA为采样电流互感器,TZ为电流转换器,VJ为电压继电器,TQ为跳闸线圈。

图6 断线电流保护接线

三相电动机在正常运行时,三相电流是平衡的,反映在电流互感器的二次电流为Ia+Ib+Ic=0,在电流转换器铁心中产生的磁通Φ为0,二次绕组输出电压U2为0,电压继电器不动作。若电源或负荷中一相断线,设A相断线,三相电机定子绕组承受的线电压为UBC,并产生电流IBC,经电流互感器二次输出电流Ibc,在电流转换器铁心中产生磁通Φbc,二次绕组输出电压U2,启动电压继电器。考虑系统受冲击或投切负荷的影响,会造成瞬间三相电压不平衡。为防止保护误动作,避开冲击,常开接点延时5 s闭合后接通跳闸线圈,使电源开关跳闸。

5 结束语

经分析,三相电动机因B相缺相运行,引起三相电能表第Ⅰ个计量元件反向计量,第Ⅱ个计量元件正向计量,总电量为正、反方向电量的代数和。反方向计量的负电量是正方向多计的电量,电费应按照各计量元件所计电量的代数和进行核计[10]。

三相电动机在缺相的情况下运行,其它两相定子绕组形成串联,并承受电源的线电压。为维持工作转矩不变,回路电流剧增,如不及时跳闸,电动机在较短时间内会被烧毁。加装缺相保护投入运行已2年多时间,曾发生过户外跌落式开关一相脱落故障,缺相保护正确动作跳闸,使三相电动机得到了保护。