110kV用戶電能表反向有功問題故障分析

廣州黃埔供電局 鐘海東

某園區(qū)客戶由110kV 雙回路供電，LX 線660、HY 線884，目標(biāo)用戶兩臺(tái)主變壓器的功率達(dá)到50000kVA，分別將無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置（SVG 動(dòng)態(tài)無功發(fā)生器）安裝于機(jī)器的二次10kV 母線處。計(jì)量點(diǎn)電壓為110kV，高壓供電同時(shí)在高壓裝置PT，CT 進(jìn)行計(jì)量3×57.7（100）V，電能表倍率66000，電流互感器變比300/5。

1 提出問題

于2020年10月進(jìn)行裝表并送電時(shí)發(fā)現(xiàn)，10kV的母線尚未接入任何負(fù)荷，所以難以就電能表所安裝的線路是否正確進(jìn)行測(cè)定。在2021年1月啟用用戶內(nèi)部的用電設(shè)備后發(fā)現(xiàn)，HY 線處所安裝的884電能表始終處于反向計(jì)量狀態(tài)，基于該計(jì)量情境，工作人員及時(shí)更換電能表且就電流的接線方向進(jìn)行了及時(shí)調(diào)整。2021年4月，通過系統(tǒng)監(jiān)控的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，線路使用客戶（110kV）LX 線660、HY 線884的電能表始終處于反向電量狀態(tài)。

基于上述情形，2021年4月15日，計(jì)量中心附屬檢測(cè)團(tuán)體前往故障現(xiàn)場(chǎng)將電能表更換，在對(duì)電能表進(jìn)行實(shí)地更換前，對(duì)其進(jìn)行二次檢查以確保實(shí)際運(yùn)行情況確實(shí)存在故障，測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：Ua=60.1、Ia=0.357A、Ua∧Ia=16°，另外兩項(xiàng)測(cè)量指標(biāo)的數(shù)值在整體層面展現(xiàn)的大致相同。盡管檢測(cè)數(shù)據(jù)處于正常范圍內(nèi)，但是不可避免地仍然會(huì)產(chǎn)生反向電量的現(xiàn)象。

2 解決問題

2.1 計(jì)量點(diǎn)1故障分析

2.1.1 原因分析與排查

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)SVG 的投入以及退出情景下，電能表所表現(xiàn)出的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了實(shí)際分析。結(jié)果顯示，在LX 線660處所安置的無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置SVG 在進(jìn)行正式投入前，在計(jì)量原件一處存在著顯著的電流反向現(xiàn)象，具體的參數(shù)為：U1=60.1、I1=0.100A、U1∧I1=264.7°，而計(jì)量元件二、三所表現(xiàn)出的數(shù)據(jù)則同元件一大致保持相同，在龍信線771線路上所安置的無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置的SVG 在投入正式的使用過程中，其電流表現(xiàn)為正向，具體的各項(xiàng)參數(shù)表示為：U1=60.1、I1=0.0.357A、U1∧I1=16°，而計(jì)量元件二、三所表現(xiàn)出的數(shù)據(jù)則同元件一大致保持相同。

圖1 SVG 投切前后三相電壓電流相量圖

根據(jù)上述的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在將SVG 進(jìn)行正式投入前的I1應(yīng)該展現(xiàn)為容性，究其原因：在I1超前U1大于90°、I1的隨相電壓只有很小的概率是U1。由于I1相較于U3存在著明顯的滯后現(xiàn)象，因此I1處的相電壓是U3的可能性也極小。基于上述內(nèi)容可以推斷出，I1所表現(xiàn)出的隨相電壓一定為U2，同時(shí)I1電流線存在著反向接入的現(xiàn)象，其展現(xiàn)為向量圖中-I1。

電流表的三相電流始終在接反狀態(tài)維持的原因在于，電能表的狀態(tài)處于三相平衡水平，同時(shí)，在計(jì)量區(qū)域的設(shè)備電壓回路主要以跨相連接的形式表示[1]。

2.1.2 故障原因驗(yàn)證

上述過程在進(jìn)行實(shí)地檢查后，還要進(jìn)一步對(duì)其推斷過程的正確性進(jìn)行分析，本研究對(duì)SVG 進(jìn)行正式投入前與投入后所展現(xiàn)的有功功率數(shù)值進(jìn)行對(duì)比判斷。比對(duì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SVG 設(shè)備在進(jìn)行正式投入前與投入后的電流I1數(shù)據(jù)分別達(dá)到了0.11A和0.368A，在將SVG 投入使用前，將電壓進(jìn)行逆時(shí)針的方向移相120°，此時(shí)進(jìn)行計(jì)量的有功量達(dá)到了：0.11×57.7×cos35.3 ° =5.1805W；而在將SVG 投入后，電流I1所達(dá)到的有功分量則為0.368×57.7×cos76°=5.142W，上述兩項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，在投入前后，兩個(gè)有功分量大致保持相同，由此表明上述推斷正確。基于此，推斷出LX 線660計(jì)量點(diǎn)1電能表的電壓以及電流接線情況為：元件一（Uc、-Ia），元件二（Ua、-Ib），元件三（Ub、-Ic）。

2.2 計(jì)量點(diǎn)2故障分析

原因分析與排查。SVG 已經(jīng)在HY 線的884處進(jìn)行了統(tǒng)一的安置，并且在進(jìn)行使用前，計(jì)量點(diǎn)2處的電能表狀態(tài)如下所示：電能表中所存在的電流始終處于正向的計(jì)量狀態(tài)，各項(xiàng)有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)具體為：U1=60.1、I1=0.040A、U1∧I1=81.9°，剩余數(shù)據(jù)在整體上保持著較為均衡的狀態(tài)，華隱線995處周圍所設(shè)置的SVG 在使用過程中，計(jì)量點(diǎn)2處表現(xiàn)為如下電流計(jì)量數(shù)據(jù)：電流處于反方向狀態(tài)，其他有關(guān)參數(shù)為：U1=60.1、I1=0.178A、U1I1=177.2°，其他兩相基本相同。在將SVG 投入電路的使用過程后，在順時(shí)針方向電流I1共計(jì)偏離了大約95.3°。由于偏移角度超過了90°，因此SVG 的引入改變了電流I1處電能表的計(jì)量電能屬性。

由于電流始終處于順時(shí)針的偏移狀態(tài)，因此可以推斷進(jìn)行計(jì)量的無功補(bǔ)償設(shè)備屬于感性設(shè)備的一種，其并不屬于容性設(shè)備屬性。SVG 在正式投入前，I1應(yīng)展現(xiàn)為容性。圖2中表示了在SVG 進(jìn)行投切前與投切后HY 線處884計(jì)量點(diǎn)2所表現(xiàn)出的相量圖，在圖2中，黑色代表SVG 投入前的對(duì)應(yīng)向量，紅色代表SVG 投入后的對(duì)應(yīng)向量。由于在SVG 進(jìn)行投入前，I1表現(xiàn)為容性，由此可以推斷I1本身的隨相電壓并不可能為U1。在下述相量圖中，I1本身的隨相電壓只有通過U2表示。基于上述推斷，電能表在處于三相平衡狀態(tài)時(shí)，電壓回路應(yīng)該展現(xiàn)為錯(cuò)相。

圖2 SVG 投切前后HY 線884計(jì)量點(diǎn)2的向量圖

故障原因驗(yàn)證。為進(jìn)一步驗(yàn)證上述推理內(nèi)容的準(zhǔn)確性與可信性，該部分研究進(jìn)一步對(duì)SVG 在投入前后所達(dá)到的有功功率進(jìn)行橫向比對(duì)。結(jié)果顯示，在SVG 設(shè)備投入后與使用前的電流I1數(shù)值分別為0.041A、0.060A，計(jì)量人員將電壓沿順時(shí)針方向移相120°左右，SVG 使用前，I1電流的有功分量參數(shù)為：0.043×56.5×cos37.9°=1.8563W，而在將SVG 投入后，I1電流所展現(xiàn)的有功分量具體表現(xiàn)為0.055×56.9×cos43.5°=1.8906W，前、后兩個(gè)所計(jì)量的有功分量整體保持一致性，由此表明，上述推理具備著邏輯正確性。所以可推斷華隱線995計(jì)量點(diǎn)2電能表的電壓、電流接線情況為：元件一（Uc、Ia），元件二（Ua、Ib），元件三（Ub、Ic）。

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果

由上述流程中所涉及的分析結(jié)果我們可以獲知，即使在解決現(xiàn)場(chǎng)故障后，SVG 設(shè)備仍然無法進(jìn)行正常狀態(tài)的使用，雖然進(jìn)行強(qiáng)行投入，但是所展現(xiàn)出的電表功率因數(shù)僅為0.3，遠(yuǎn)不符合電網(wǎng)要求的0.9。因此，線路檢察人員應(yīng)協(xié)同有關(guān)電氣設(shè)備原始安裝企業(yè)，以及SVG 的組裝生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合排查，排查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所展現(xiàn)的計(jì)量障礙其主要原因在于：計(jì)量互感器在電壓與電流方面存在人工標(biāo)注錯(cuò)誤，針對(duì)該問題進(jìn)行了及時(shí)排查與解決。

3.2 分析

由于上述高壓用戶電能表出現(xiàn)反向有功電能計(jì)量故障，首先分析差錯(cuò)電量情況。

差錯(cuò)電量計(jì)算分析。計(jì)量點(diǎn)1差錯(cuò)電量計(jì)算。在2021年4月13日對(duì)故障進(jìn)行處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，LX 線660處計(jì)量點(diǎn)1處所安置電能表的數(shù)值展現(xiàn)為：有功正達(dá)到了31.12、有功反達(dá)到了1.52、無功達(dá)到了I=3.92、II=0、III=8.39、IV=10.46，處于電能表中的三原件，其電壓與電流之間始終處于相對(duì)制衡狀態(tài)，并且在二次側(cè)安裝的電能表數(shù)值達(dá)到了20.93，倍率則為80000。

一是更正系數(shù)法。更正系數(shù)法的計(jì)量原理在于對(duì)正確電量-錯(cuò)誤電量的比值進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算可以得到相對(duì)的比值系數(shù)G，之后將處于錯(cuò)誤狀態(tài)的抄見電量作為分析依據(jù)，就相應(yīng)的正確電量進(jìn)行相應(yīng)的科學(xué)計(jì)量。在依據(jù)更正系數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)的公式為G=P/P'，在上述公式中，P 表征著處于正確狀態(tài)的電量情況，其單位為kWh，P'代表著在處于故障狀態(tài)時(shí)，從電能表中所反映的功率，單位為kWh。

在本文中，首先對(duì)更正系數(shù)G 進(jìn)行計(jì)量與分析，并由上文有關(guān)公式對(duì)退補(bǔ)電量進(jìn)行計(jì)算，由最終的電量計(jì)算結(jié)果我們可以獲知，電量達(dá)到了：△P=（G-1）×P'。在本文中，在計(jì)量點(diǎn)1處所顯示的錯(cuò)誤電量，以及后期根據(jù)更正系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后的系數(shù)值具體如公式（1）、公式（2）展現(xiàn)，在φ=330°時(shí)為公式（3）。基于更正系數(shù)法面向存在錯(cuò)誤的接線進(jìn)行狀態(tài)推理與更正計(jì)算，結(jié)果表明，在φ 為330°時(shí)，更正系數(shù)接近存在著無窮大的狀態(tài)，所以基于上述數(shù)據(jù)，可以有效推斷出：經(jīng)過更正系數(shù)法所進(jìn)行的計(jì)量過程同經(jīng)過有關(guān)公式所計(jì)算的退補(bǔ)電量數(shù)值間相互符合。

二是計(jì)算實(shí)際用電量。及算法主要借助于錯(cuò)誤電量所表現(xiàn)出的有功與無功功率與正確電量間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算與推斷，進(jìn)一步可以有效推導(dǎo)出基于有功與無功數(shù)據(jù)的正確電量范圍，對(duì)于錯(cuò)誤電量有功功率和無功功率表達(dá)式為：

依據(jù)上述公式對(duì)正確電量進(jìn)行計(jì)算，最終的計(jì)算結(jié)果為：26.773×65000=1740245kWh，相應(yīng)的，電能表設(shè)備所記錄的具體電量參數(shù)為：30.23×65000=1964950kWh，退補(bǔ)電量為（31.12-27.642）×66000=229548kWh。對(duì)龍信線771進(jìn)行分析，結(jié)果表明，其總共運(yùn)行了持續(xù)223天的時(shí)間，在這一運(yùn)行期間，基于變壓器處所消耗的電量數(shù)值累積達(dá)到如下范圍：3.07×24×223=164306kWh，進(jìn)一步計(jì)算目標(biāo)用戶在上述維持運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)用電電量及所產(chǎn)生的損耗電量，其數(shù)值具體為：1673600+164306=1837906kWh，由上述數(shù)據(jù)的分析可以獲知，該數(shù)值同1824372kWh 的電流計(jì)量結(jié)果大致保持一致，所以在通過計(jì)算法對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行推理后的計(jì)算電量同實(shí)際的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)相符合。

計(jì)量點(diǎn)2差錯(cuò)電量計(jì)算。2020年7月13日面向故障進(jìn)行及時(shí)的分析、處理，在這一過程中，由故障的處理結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)：計(jì)量點(diǎn)2處各項(xiàng)電量數(shù)值分別為：有功正達(dá)到-2.77、有功反達(dá)到-20.63，無功達(dá)到I=9.21、II=2.16、III=1.23、IV=0，基于上述數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以知道，所檢測(cè)的目標(biāo)用戶在變二側(cè)電能表處的接線始終處在正確劑量的范圍內(nèi)，在該電量計(jì)量狀態(tài)下，正向的有功示數(shù)為15.50，倍率80000。退補(bǔ)電量計(jì)算，實(shí)用電量以及退補(bǔ)電量的計(jì)算方式如以下公式所示：

在基于上述公式進(jìn)行計(jì)量計(jì)算后，最終結(jié)果表明目標(biāo)用戶的準(zhǔn)確用電量為：20.53×65000 =1334450kWh，電能表記錄電量2.69× 65000=174850Wh，退補(bǔ)電量（20.53-2.69）×65000 =1159600kWh。退補(bǔ)電量算法驗(yàn)證。依據(jù)用戶在變二側(cè)位置電能表計(jì)量結(jié)果的數(shù)值范圍，進(jìn)一步將其同變壓器的銅損、鐵損進(jìn)行相互比對(duì)，以此對(duì)用電量是否處于準(zhǔn)確狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，最終結(jié)果表明，在使用期間內(nèi)（2020年1月7日至7月13日），目標(biāo)變壓器所展現(xiàn)的消耗電量為：30.65×23×183=1129006kWh，用戶的用電及損耗電量是1240000+138518=1378518kWh，與計(jì)算電量1302840kWh 基本一致。