工頻磁場(chǎng)對(duì)電能表計(jì)量誤差影響的研究分析

鄧高峰，楊禮巖，趙震宇，朱 亮，俞林剛

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096；2.國(guó)網(wǎng)四川大邑縣供電有限責(zé)任公司，四川大邑 611330）

0 引言

電能表計(jì)量的高靈敏度，有利于引導(dǎo)用戶的節(jié)能意識(shí)、關(guān)注自己每天的用電費(fèi)用，同時(shí)也提升了用戶監(jiān)視電能表計(jì)量準(zhǔn)確度的意識(shí)，因?yàn)殡娔鼙碛?jì)量的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到廣大用戶與供電單位的切身利益。

在電能表全性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分廠家電能表執(zhí)行全檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在電能表運(yùn)行在輕載工況下被檢電能表存在誤差偏大的現(xiàn)象；如果這些電表被安裝到現(xiàn)場(chǎng)，必會(huì)引起電能表計(jì)量的不準(zhǔn)確，進(jìn)而引起計(jì)量糾紛，電能表額外消耗的電能量雖然較小，卻影響電力部門對(duì)用戶的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。本文針對(duì)此種現(xiàn)象，根據(jù)此類型智能電能表的工作原理分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析了誤差異常的原因并給出了解決措施。

1 誤差異常情況

電能表自動(dòng)檢定流水線對(duì)某廠家某批次單相表到貨后電能表執(zhí)行全檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在功率因素0.5 L，電流為0.1 Ib時(shí)和功率因素1.0，電流為0.05 Ib時(shí)，即電能表運(yùn)行在輕載工況下部分相鄰被檢電能表存在誤差偏大的現(xiàn)象，有的甚至接近了檢定規(guī)程規(guī)定的誤差限值±0.9%，而在其他測(cè)量點(diǎn)誤差均不超過(guò)±0.2。選取其中誤差偏大的4個(gè)塊表到人工檢定裝置上檢定，誤差結(jié)果卻很正常，誤差數(shù)據(jù)如表1。

表1 輕載工況下4只相鄰表的誤差數(shù)據(jù)

為了排除因?yàn)榱魉€檢定分支裝置超差引起檢定結(jié)果不合格，我們用一臺(tái)0.02級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)流水線檢定分支裝置進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)被檢的裝置合格。

2 電能表的工作原理

電能表中計(jì)量輸入電路包括電壓輸入電路和電流輸入電路。電能表測(cè)量的原理：電能表通過(guò)計(jì)量芯片采集輸入電能表的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，并將采集到的信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理并輸出顯示[1]，如圖1所示。其中電壓線路通過(guò)互感器或者電阻分壓采樣；電流線路通過(guò)互感器或者采樣電阻采樣。由于錳銅電阻較好的溫度穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外的單相電能表通常用錳銅片分流的方式進(jìn)行電流采樣，采樣信號(hào)通過(guò)軟線連接送給計(jì)量芯片。若把輸入回路、PCB板等部分視為一個(gè)感應(yīng)線圈回路，如圖2所示，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線圈中產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)會(huì)直接附加在電流采樣回路上，影響電能表的計(jì)量準(zhǔn)確度。

圖1 單相電能表原理框圖

圖2 感應(yīng)線圈回路

電子式電能表的計(jì)量準(zhǔn)確性與其所在的工作環(huán)境密切相關(guān)，其中的一個(gè)重要影響因素是工頻磁場(chǎng)[2]。根據(jù)GB/T17626.8-2006《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)》中對(duì)工頻磁場(chǎng)來(lái)源說(shuō)明：工頻磁場(chǎng)是由導(dǎo)體中的工頻電流產(chǎn)生的，或極少量的由附近的其他裝置（如變壓器的漏磁通）所產(chǎn)生。單相電子式電能表的輸入電路一般采用錳銅片分流的方式進(jìn)行電流采樣，輸入電路，PCB板等多處均對(duì)磁場(chǎng)有敏感的響應(yīng)，簡(jiǎn)而言之若把輸入回路、PCB板等部分視為一個(gè)大的線圈回路，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，工頻磁場(chǎng)穿過(guò)回路線圈時(shí)，會(huì)在線圈中感應(yīng)出同頻率的電流[3，4]。

3 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

根據(jù)故障描述和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在自動(dòng)流水線上用特斯拉計(jì)測(cè)量表上場(chǎng)強(qiáng)的值，如圖3所示。當(dāng)臺(tái)體電流為5 A時(shí)，測(cè)得表上場(chǎng)強(qiáng)最大處為19.40μT；當(dāng)臺(tái)體電流為0.05 Ib時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)為19.31μT。而臺(tái)體電流為0 A時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)為19.16μT。可以看出，臺(tái)體檢定電流不是磁場(chǎng)產(chǎn)生的主要來(lái)源，但表上存在的磁場(chǎng)會(huì)影響電能表計(jì)量。為了查找磁場(chǎng)來(lái)源，當(dāng)臺(tái)體電流為0.05 Ib時(shí)，我們?cè)谝粋€(gè)托盤中對(duì)一塊電能表用鐵板遮擋，如圖4所示，測(cè)得磁場(chǎng)強(qiáng)度15.76μT，對(duì)比可以看出遮擋后磁場(chǎng)強(qiáng)度有所降低，分析得出電能表上存在相鄰表位電能表磁場(chǎng)影響。

圖3 不同電流下自動(dòng)化流水線上磁場(chǎng)強(qiáng)度

圖4 鐵板遮擋時(shí)自動(dòng)化流水線上磁場(chǎng)強(qiáng)度

為了驗(yàn)證兩塊電能表互相之間會(huì)有磁場(chǎng)干擾，我們選取兩塊故障表，在試驗(yàn)室中調(diào)整掛表間距來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電表的誤差，得到的數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖4所示。

圖4 掛表間距對(duì)表計(jì)誤差的影響

從試驗(yàn)中可以看出，對(duì)相互間距小于20 cm的兩只電能表進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，相鄰的兩塊表互相之間會(huì)影響計(jì)量準(zhǔn)確度。掛表間距對(duì)大電流Ib負(fù)荷點(diǎn)影響較小，基本可以忽略不計(jì)，但在小電流負(fù)載下掛表間距對(duì)相鄰近的電能表計(jì)量準(zhǔn)確度的影響較大，并且電能表之間的間距越小，影響越大。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與試驗(yàn)，相鄰電能表在小電流負(fù)載下會(huì)有磁場(chǎng)干擾，而磁場(chǎng)干擾來(lái)源于相鄰表位電能表，經(jīng)驗(yàn)分析得出電能表磁場(chǎng)來(lái)源于電能表變壓器漏磁。電能表變壓器的漏磁通是指未經(jīng)過(guò)鐵芯閉合的部分磁通，對(duì)于電能表使用的變壓器，生產(chǎn)企業(yè)大多采用圖5所示的EI型硅鋼片疊成。在E型與I型鐵芯的結(jié)合處將產(chǎn)生空氣隙，因空氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯的磁阻，電磁感應(yīng)產(chǎn)生的磁力線在通過(guò)空氣隙時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生圖5所示的扭曲變形和泄漏。因此，實(shí)際變壓器的磁力線的泄漏是不可避免的。

圖5 變壓器的漏磁

拆開這些不合格電表，查看內(nèi)部電流采樣回路的硬件情況，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)錳銅片分流器與電路板之間的連線纏繞雜亂，有較大面積的閉合環(huán)路。而故障表上磁場(chǎng)來(lái)源于相鄰表位電能表變壓器漏磁，當(dāng)磁場(chǎng)輻射穿過(guò)相鄰電表的時(shí)，由于電流采樣電路存在導(dǎo)線回路和PCB走線回路，當(dāng)磁場(chǎng)穿過(guò)它就會(huì)產(chǎn)生較小的感應(yīng)電流，因此在校驗(yàn)較小電流的誤差時(shí)這種干擾影響是較為明顯的，有的誤差可達(dá)1.0以上。

圖6 故障表電流采樣回路實(shí)物圖

根據(jù)GB/T17626.8-2006《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)》，變壓器的漏磁屬于工頻磁場(chǎng)。而國(guó)網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 364-2009《單相智能電能表技術(shù)規(guī)范》中對(duì)于電能表抗工頻磁場(chǎng)干擾要求為：“外部0.5 mT磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，電能表電流施加Ib電流，功率因數(shù)為1.0，百分?jǐn)?shù)誤差改變極限應(yīng)不大于2.0%”。但技術(shù)規(guī)范中沒(méi)有對(duì)輕載工況下的電能表抗磁場(chǎng)干擾有要求，針對(duì)此我們對(duì)故障表在小電流負(fù)載點(diǎn)（0.1 Ib與0.05 Ib）做了工頻磁場(chǎng)影響量試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境與試驗(yàn)結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 工頻磁場(chǎng)影響量試驗(yàn)

圖8 工頻磁場(chǎng)對(duì)不同負(fù)荷點(diǎn)的影響

由于試驗(yàn)室設(shè)備的限制，我們所做的最小磁場(chǎng)試驗(yàn)為0.05 mT，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出該電能表受工頻磁場(chǎng)的影響很大，工頻磁場(chǎng)在電表內(nèi)部引線之間產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)直接附加在采樣電流上，影響電能表的計(jì)量準(zhǔn)確度，雖然滿足Q/GDW 364-2009《單相智能電能表技術(shù)規(guī)范》中對(duì)電流施加Ib電流、功率因數(shù)為1.0負(fù)載點(diǎn)，測(cè)得的誤差改變極限應(yīng)不大于2.0%的工頻磁場(chǎng)影響試驗(yàn)要求，但在小電流負(fù)載下電能表受磁場(chǎng)影響檢定誤差偏差巨大，在0.05 mT磁場(chǎng)下誤差已接近2%，隨著磁場(chǎng)的增大，誤差更大。通過(guò)以上的工頻磁場(chǎng)影響量試驗(yàn)也很好的解釋了上述自動(dòng)化流水線上部分相鄰被檢電能表的磁場(chǎng)干擾約19.40μT時(shí)，小電流負(fù)載點(diǎn)下存在誤差達(dá)到1%的現(xiàn)象。

4 改進(jìn)措施及建議

針對(duì)電能表在小電流負(fù)載點(diǎn)受變壓器漏磁的干擾，我們提出措施與建議：

1）電表廠家產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面考慮電磁兼容方面的設(shè)計(jì)，可從幾方面改進(jìn)去減小變壓器漏磁的干擾：

（1）減小采樣閉合回路面積。改進(jìn)錳銅采樣電阻設(shè)計(jì)，在采樣電阻中間位置設(shè)有一個(gè)通孔，采樣信號(hào)連接端設(shè)在錳銅片上下，將采樣電阻劃分成兩個(gè)不同方向的回路，形成不同方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相抵消，并通過(guò)把采樣雙絞線緊密扭絞在一起減小電流采樣電路的閉合回路面積，可大大降低了磁場(chǎng)干擾的影響。

（2）調(diào)整變壓器的安裝位置。改變磁力線方向，減小輻射敏感性。

（3）增加屏蔽措施。采用外部加導(dǎo)磁外殼的方式，對(duì)變壓器產(chǎn)生的漏磁進(jìn)行屏蔽，導(dǎo)磁材料的外殼可以將漏磁場(chǎng)束縛在內(nèi)部，通過(guò)外殼發(fā)熱來(lái)消耗漏磁能量，減小向周圍空間產(chǎn)生的輻射。

2）針對(duì)工頻磁場(chǎng)影響量試驗(yàn)，目前電能表的國(guó)網(wǎng)技術(shù)規(guī)范是依據(jù)國(guó)際使用面最廣泛的IEC標(biāo)準(zhǔn)制定的，國(guó)網(wǎng)技術(shù)規(guī)范在綜合誤差評(píng)估時(shí)，工頻磁場(chǎng)影響量試驗(yàn)只關(guān)注Ib負(fù)載點(diǎn)，這樣是不能反映出小電流負(fù)載下工頻磁場(chǎng)影響；而根據(jù)國(guó)際建議的最新的標(biāo)準(zhǔn)IR46標(biāo)準(zhǔn)提出不僅要關(guān)注Ib負(fù)載點(diǎn)下的工頻磁場(chǎng)影響量帶來(lái)的誤差，還需增加做小電流負(fù)荷點(diǎn)的工頻磁場(chǎng)影響量試驗(yàn)。通過(guò)這次技術(shù)分析引起了我們對(duì)小電流負(fù)載下工頻磁場(chǎng)影響的關(guān)注，對(duì)后續(xù)開展研究IR46標(biāo)準(zhǔn)具有重要的意義。

[1]李勤.電磁干擾對(duì)電子式電能表的影響及其抑制策略[J].電測(cè)與儀表，2007，44（6）:50-54.

[2]秦曾煌.電工基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，1990．

[3]羅拓.電力變壓器漏磁場(chǎng)的特點(diǎn)與分析[J].廣東輸電與變電技術(shù)，2007，（2）.

[4]GB/T 17215.321-2008，交流電測(cè)量設(shè)備特殊要求第21部分:靜止式有空電能表（1級(jí)和2級(jí)）[S].