磁場影響電能表計量的分析與研究

祝毛寧 張蓬鶴 王璧成 秦譯為

（中國電力科學研究院有限公司）

0 引言

電能計量是發電企業、供電企業和電力用戶三者之間進行經濟結算的依據，它的準確與否直接影響各方的經濟利益。隨著電力基礎設施逐漸完善和推進電力市場化進程的迫切需求，堅定不移地確保電能計量的準確性，對發、供、用電三方都是十分必要的。

我國地域遼闊，不僅電力網絡線路結構長，而且低壓配網線路復雜多樣。然而，由于受利益驅使，部分不法電力用戶為了謀求更多的經濟利益，非法采取竊電手法、利用竊電作案工具，破壞電能表計量裝置，達到使電能表少計電量甚至不計電量的目的。本文通過分析電能表的結構原理，綜合分析磁場影響電能表少計電量的原因，并探討我國現行標準下電能表的磁場試驗要求。

1 電子式電能表的工作原理

電子式電能表按照國家相關規定和標準接入線路中，其工作原理見圖1。從線路中采集到的高電壓和大電流，通過電壓轉換器和電流轉換器按一定的比例轉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，得到瞬時功率。在一定時間內，乘法器首先累計瞬時功率，得到該段時間的平均功率，然后輸出一個與正相關的直流電壓。直流電壓經/轉換器變換成對應大小的脈沖頻率，脈沖頻率經分頻計數后，最終在電能表液晶顯示器上顯示出對應的電量值。

圖1 電子式電能表的工作原理

2 磁場對電能表元器件的影響

2.1 磁場對電流互感器的影響

電流互感器的基本原理是電磁感應定律。在閉合的鐵芯和一二次側繞組中，一次側線圈通以變化的電流，鐵芯中則會產生變化的磁通，并在二次側線圈產生對應的感應電流。

當電流互感器周圍存在外部磁場時，外部磁場會與鐵芯中的感應磁場相互疊加，這樣會改變了鐵芯中原有的磁場分布，影響了電流互感器二次側的輸出。當外部磁場達到一定強度時，甚至會使電流互感器鐵芯飽和，二次側輸出誤差急劇增大。

2.2 磁場對變壓器的影響

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所引起的損耗，即當電流流過線圈時，線圈電阻損耗的能量。鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗。當變壓器的一次繞組通電后，線圈會感應出磁通，磁通穿過鐵芯，就會在鐵芯中垂直于磁力線的平面上感應出電勢，然后在鐵芯表面形成閉合回路，產生渦流。渦流不僅會讓損耗增加，而且會讓鐵芯發熱，溫升增加，影響正常的二次輸出。

當變壓器周圍存在外部磁場時，會增加變壓器的損耗，原因有兩點。其一，在磁場中，金屬或半導體材料的電阻受磁場的影響，具有磁阻效應，其電阻會隨著磁場的增大而增大，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導致變壓器的溫度升高，不僅會影響二次側的輸出，而且可能會使過熱保護裝置誤動，使電能表黑屏。

2.3 磁場對繼電器的影響

繼電器是電能表內部的控制部件，通過它可以對電力用戶催費預警、遠程拉合閘，目前電能表內大多采取電磁繼電器，外部磁場會影響電磁繼電器的正常操作，可能使其誤動或拒動，其準確可靠對電力用戶的順利用電至關重要。

對于吸入式和拍合式電磁繼電器，當繼電器受到外來磁場干擾時，外部磁場在鐵芯內感應出干擾電勢，吸合電壓或釋放電壓由于受到干擾電勢的影響而出現誤差。若干擾電勢達到一定的數值，甚至大于或數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吸合或很大的電壓下拒不釋放，造成電磁繼電器拒動或誤動，影響電力用戶的供電可靠性。

2.4 磁場對錳銅分流器的影響

電子式電能表中，火線電流的測量通常采用錳銅分流器。錳銅分流器實際上就是一個阻值已知但很小的電阻，當負載電流流過錳銅分流器時，在其兩端便產生電壓，通過電壓便能準確知道負載電流的大小。

當錳銅分流器周圍存在干擾磁場時，干擾磁場會在引線上感應出感應電流，該感應電流會影響采樣電流的大小。若感應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，這勢必影響錳銅分流器的準確采樣測量，特別對小電流信號的測量精度影響更大。

2.5 磁場對液晶顯示器的影響

液晶是一種介于固體與液體之間，具有規則性分子排列的有機化合物。一般最常用的液晶形態為向列型液晶，分子形狀為細長棒形，在不同電流電場作用下，液晶分子會旋轉一定角度實現規則有序排列，由此來產生透光度的差別，如此可以在電源通斷下產生明暗的區別。依此原理控制每個像素，便可構成所需要的圖像。

磁場會對電能表的液晶顯示器產生不利影響，改變液晶分子的正常取向。當液晶顯示器周圍有強大的磁場時，外部磁場對液晶分子的作用大于正常電場對液晶分子的作用，液晶分子不能正常取向，液晶顯示器不能正常顯示示數。

3 電能表標準中的磁場試驗要求

我國已經制定了一系列電能表標準，電能表標準規范了電能表產品的設計，包含了對應的技術要求、型式試驗的內容，以及文件、軟件、圖樣等方面的要求。就磁場能夠影響電能表計量而言，磁場試驗是電能表出廠前所必須進行的型式試驗。

3.1 三相智能電能表中的磁場試驗要求

DL/T 1485—2015《三相智能電能表技術規范》規定了三相智能電能表工頻磁場試驗要求和恒定磁場試驗要求。三相智能電能表工頻磁場試驗要求：電能表在0.5 mT工頻磁場無負載，電壓線路通以115%，電流回路無電流時，將0.5 mT工頻磁場施加在電能表受磁場影響最敏感處，在20倍的理論起動時間內電能表不應產生多于一個的脈沖輸出。三相智能電能表恒定磁場試驗要求：電能表通以參比電壓、參比電流，將50 mm × 50 mm × 50 mm 表面磁場強度300 mT的磁鐵分別放置在電能表正面、側面、底面靠近電源模塊的位置，每個平面試驗持續20 min，電能表應不死機、不黑屏。將磁場分別在電能表正面、側面靠近內置負荷開關的位置移動，負荷開關應不改變狀態，連續發送5次拉合閘命令，負荷開關應正確動作。

3.2 單相智能電能表中的磁場試驗要求

DL/T 1487—2015《單相智能電能表技術規范》規定了單相智能電能表工頻磁場試驗要求和恒定磁場試驗要求。工頻磁場試驗中，單相智能電能表與三相智能電能表要求一致。恒定磁場試驗中，單相智能電能表只需200 mT的磁鐵，僅磁場強度比三相智能電能表低，其余試驗要求與三相智能電能表相同。

3.3 高壓電能表中的磁場試驗要求

GB/T 32856—2016《高壓電能表通用技術要求》規定了不同等級的高壓電能表在工頻磁場和射頻電磁場下的百分數誤差改變極限，見表1。

表1 影響量引起的百分數誤差改變限值

3.4 恒定磁場干擾監測及事件記錄

DL/T 1490—2015《智能電能表功能規范》規定了恒定磁場干擾事件及事件記錄功能。當三相電能表檢測到外部有100 mT強度以上的恒定磁場，且持續時間大于5 s，記錄為恒定磁場干擾事件。在恒定磁場干擾，電能表能正常工作時，電能表應具有恒定磁場監測功能，當磁感應強度高于100 mT時，電能表應記錄恒定磁場干擾事件。而且事件記錄功能應記錄恒定磁場干擾事件總次數，最近10次發生時刻、結束時刻及對應的電能量數據。

4 結語

電能表是電能計量的核心器件，電能表內的元器件如互感器、變壓器、繼電器、錳銅分流器和液晶顯示器等易受外部磁場干擾。針對磁場干擾影響電能表計量的現象，應提高對電能表電磁兼容測試的重視程度，相關標準可進一步加強與完善。通過分析磁場干擾電能表計量的原理，應不斷改善電能表抗電磁干擾能力的方法，確保電能計量準確。