智能切換寬負載電能計量裝置研制及應用

郭 飛，郭靈豐

（1.內蒙古工業大學，內蒙古 呼和浩特 010051；2.包頭市達茂供電分公司，內蒙古 包頭 014500）

隨著電網技術的不斷發展，對電能計量的準確性的要求也不斷提高，為適應用戶負載功率變化劇烈的情況，供電系統計量用電流互感器新增加了0.5S 和0.2S兩個準確級。0.5S 和0.2S 級電流互感器雖然加寬了電能計量的寬度，提高了計量精度，但是當負載電流超出電流互感器額定一次電流百分之二十以上時，電流互感器的測量誤差就可能會超標，甚至造成電流互感器鐵心飽和，測量誤差嚴重超標，電能計量嚴重失準，造成大量電能計量損失。當負載電流低于電流互感器額定一次電流百分之二十時，電流互感器的誤差為負值，隨著電流變小負誤差變大，造成的電能計量損失相對也越大。對于負載變動較大的冶煉、電解、軋鋼和機械加工等用電企業，丟失的電量最多[1]。

智能電網技術的不斷發展，要求電能計量裝置不斷向自動化、信息化和互動化發展。不管是傳統的單變比電流互感器，還是多變比電流互感器，都存在著一定的局限性，單變比電流互感器因變比單一，計量范圍有限，無法準確計量用電負荷變化速度快、變化范圍大的用戶的用電量，經常出現當負載過低或過高時電能計量不準確的現象，造成計量的電能比實際使用的電能要小很多；多變比電流互感器在切換不同變比時，不但需要停電，還需要進行重新接線等一系列的人工操作，不但操作不方便，更會因停電造成經濟損失。因此，智能切換寬負載電能計量裝置的研制及應用成為用戶的迫切要求[2]。

1 智能切換寬負載電能計量裝置結構組成

智能切換寬負載電能計量裝置主要包括電流采樣電路、電流互感器變比切換電路、電流識別分析電路和控制電路等。電流采樣電路用于實時采集負載電流，將采集到的電流信號傳輸到電流識別分析電路，由其對負載電流進行實時分析判斷，再將分析結果傳輸到控制電路，控制電路根據負載電流分析結果判定是否發出變比切換指令，按照負載電流的變化及時調整電流互感器的變比，同時將大小變比調整到同一倍率輸入到電能表計量，保證電能計量的準確性和精度[3]。智能切換寬負載電能計量裝置的結構組成如圖1 所示。智能切換寬負載電能計量裝置的電源由電壓互感器提供，電壓為100V 或220V。智能切換寬負載電能計量裝置采用低功耗電子元器件，整體功耗很低。

圖1 智能切換寬負載電能計量裝置結構組成

2 智能切換寬負載電能計量裝置工作原理

智能切換寬負載電能計量裝置可以實時檢測多變比電流互感器的二次輸出電流，并實時將輸出電流傳輸到負載電流識別分析電路，負載電流分析電路負責對負載電流的大小及變化趨勢進行分析判斷，當需要切換變比時，利用控制電路實現多變比電流互感器的大小變比自動轉換。比如：電流互感器運行在小變比，并且負載電流增大，當負載電流超出電流互感器小變比的額定電流時，智能切換寬負載電能計量裝置就會自動將電流互感器切換到大變比上運行。又或者電流互感器在大變比上運行，當負載電流不斷減小，低于電流互感器大變比的百分之二十額定電流時，智能切換寬負載電能計量裝置就會將自動將電流互感器切換到小變比上運行。電能計量裝置在自動切換電流互感器的變比時，會自動將大小變比統一到同一倍率，最后將負載電流數據輸送給電能表進行計量，從而保證了電流互感器的計量精度。

采用多變比電流互感器比采用單變比電流互感器電能計量的準確精度要高。多變比電流互感器可以有兩個變比，也可以有三個及以上的變比，最大變比與最小變比的倍率差一般取2～5 倍，根據負載電流的大小不停電實現多變比電流互感器的變比自動切換，并調整到同一倍率下，解決了小負載電流時電能計量失準，丟失電量的問題，同時也解決了大負載電流導致電流互感器鐵心飽和造成電能計量失準，丟失電量的問題[4]。

智能切換寬負載電能計量裝置的主要技術參數如下：

工作電壓：AC100V 或220V。

額定頻率：50Hz。

相數：單相或3 相。

功率：≤3W。

準確度等級：0.1 級。

多變比電流互感器變比倍數：2 倍、3 倍、4 倍、5 倍。

多變比電流互感器額定二次電流：5A。

多變比電流互感器額定輸出容量：5VA 或10VA。

切換壽命：≥10 萬次。

采用多變比電流互感器的智能切換寬負載電能計量裝置比采用普通單變比電流互感器的電能計量裝置的負載電流計量誤差要小，電流計量誤差限值見表1。

表1 電流計量誤差限值

智能切換寬負載電能計量裝置可以設計成單相電能計量裝置，也可以設計成3 相電能計量裝置，配套的多變比電流互感器變比數量可以是2 個、3 個或4 個。

3 智能切換寬負載電能計量裝置倍率選擇

電能計量裝置在選擇配套的電流互感器時，應按照電力系統的測量和計量系統的不同要求，選擇適用的電流互感器類型和準確級。測量系統一般選用準確級為0.5 級的單變比電流互感器，而計量系統一般選用準確級為0.2 級的單變比電流互感器，當負載電流變化范圍較大時，測量系統應選用準確級為0.5S 級的單變比電流互感器，計量系統則應選用準確級為0.2S 級的單變比電流互感器。為進一步提高寬負載用戶的測量和計量系統的準確性，可選用準確級為0.5S 級或0.2S級的多變比電流互感器。

電流互感器的額定一次電流Ipr 一般由額定負載電流決定，當一次負載為額定負載時，用于電能計量的電流互感器的工作電流應大于其額定電流的三分之二，而不超過額定電流。以單相負載為例，其工作電流可按下式計算：

式中：

UN——電流互感器的額定電壓（kV）。

P1——電流互感器所接負載的功率（kVA）。

cosφ——功率因數，一般取0.8 或1。

為保證計量系統的精度，電流互感器的變比應保證負載額定運行時的電流約為電流互感器額定電流的百分之八十。

在運行中，智能切換寬負載電能計量裝置一般是將電流互感器的小變比統一到大變比進行電能計量。因此多變比電流互感器在選擇變比倍率時，應根據上述要求，先計算出最大負載電流，根據最大負載電流確定電流互感器的額定一次電流，即多變比電流互感器的大變比，確定好多變比電流互感器的大變比后，再遵循最大負載電流等于2 到5 倍最小負載電流的原則，計算出最小負載電流，選取與其最近的標準電流值，作為多變比電流互感器小變比的額定一次電流值，同時智能切換寬負載電能計量裝置要選擇與多變比電流互感器同一倍率。

4 應用中需注意的事項

4.1 使用條件

必須與多變比電流互感器配合使用，智能切換寬負載電能計量裝置必須選用多變比電流互感器以實現智能切換變比。

多變比電流互感器的各變比與最小變比的倍數必須是2～5 的整數倍關系，并配備相同倍率的智能切換寬負載電能計量裝置。

單相負載選用單相智能切換寬負載電能計量裝置，三相負載選用三相智能切換寬負載電能計量裝置。

4.2 接線方式

將電壓互感器的二次端子u 和n 接入計量裝置中對應的電源接線端子。

單相智能切換寬負載電能計量裝置中將電壓互感器的二次端子a 和n 接入計量裝置中的對應的a 和n 接線端子，將多變比電流互感器的二次出線端子S1、S2和S3 等接入計量裝置中的對應的S1、S2 和S3 等接線端子。將s1 和s2 端子接入電能表中對應的電流端子。

三相智能切換寬負載電能計量裝置中將各電壓互感器的二次端子a、b、c 和n 接入計量裝置中的對應的a、b、c 和n 接線端子，將各相多變比電流互感器的二次出線端子S1、S2 和S3 等分別接入計量裝置中的對應的AS1、AS2、AS3、BS1、BS2、BS3、CS1、CS2、CS3 等接線端子。將as1 和as2 端子接入電能表中A 相對應的電流端子，將bs1 和bs2 端子接入電能表中B 相對應的電流端子,將cs1 和cs2 端子接入電能表中C 相對應的電流端子。

4.3 常見故障

1.電源電壓不正確。應選擇正確的電源電壓，否則會導致智能切換寬負載電能計量裝置不工作或者燒毀電能計量裝置。

2.電壓互感器接線錯誤。必須嚴格按照各電壓互感器的端子接入電能計量裝置對應相中對應的接線端子，如果接線錯誤，會導致電能表計量失準。

3.多變比電流互感器接線錯誤。在接一次導線時，一次導線中電流方向必須嚴格遵循P1 端流入P2 端流出的原則，否則會導致電能表計量失準。各相多變比電流互感器的二次輸出端子必須嚴格接入對應相中對應的接線端子，否則也會導致電能表計量失準。

5 結語

智能切換寬負載電能計量裝置適用于用電負載變化快、變化大或季節性用電等單位的電能計量。提高了電能計量的精度，減少了停電時間，減少了人工操作。智能切換寬負載電能計量裝置可以實時檢測負載電流的大小，根據負載電流的大小和變化趨勢不停電智能切換多變比電流互感器的變比，并自動調整計量倍率，保證了電能計量的精度。采用此裝置增加了電能計量的精度和準確性，保證了電能交易的公平性，提高了電網的自動化水平。