（电气工程专业论文）电能计量装置接线智能仿真培训系统及应用.pdf

浙江大学工程硕士学位论文 摘要 在电力系统的发电、输电和供电过程中，电能计量是非常重要的一个环节。 为了把握好这一重要环节，电能计量人员必须具备更高的业务素质和工作技能。 在电能计量装置接线检查的培训工作中，电工式和传统的程控式电能表接线培训 仪器，已满足不了培训的要求。因此，开展计量装置接线培训系统的研究与开发， 为计量人员操作训练提供一个仿真平台也就至关重要了。 本文研究的电能计量装置接线仿真系统，是一种模拟电能计量现场运行的仿 真装置，它能模拟电能计量接线的各种错误，并能方便快捷地对系统的各种常见 错误进行判断，如c r l 二次短路、开路、极性反接，p i 一、二次断相，电能表电压 错相、电流错相，电能表表尾电流进出反接等等。该系统可以仿真的接线种类齐 全，有三相三线高压电能表，三相四线高压电能表、三相四线低压电能表、c t 二次接线、p t 二次接线等等。 如果在系统的计算机上进行错误接线设置，计算机就会对各种接线要素进行 组合，从而计算出各个电压、电流之间的相位关系和数值关系，再迸一步得出各 种组合的接线图、相量图、功率表达式和更正系数。利用这种方法设计的电能计 量装置接线智能仿真系统，软件功能强大、灵活，能实现的接线种类齐全，基本 上覆盖了现场各种可能出现的错误接线。 本文用理论方法证实了电能计量装置接线智能仿真培训系统的可行性。对于 三相四线制和三相三线制两种不同的电路，本文分别对待，分别对其需要测量的 数据进行研究。对于电能计量装置的各种错误接线，本文提出了一些更方便、更 有效的分析和判断的方法，并以实例进行详细阐述。 关键词：电能计量装置错接线仿真判断方法 浙江大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i ce n e r g y m e t e r i n gi sav e r yi m p o r t a n tl i n ko f p o w e rs y s t e m sg e n e r a t i o n 、 t r a n s m i s s i o na n ds u p p l y w o r k e r sw h od oe l e c t r i ce n e r g y m e t e r i n gm u s th a v e r e l a t i v e l yh i g hp r o f e s s i o n a lq u a l i t ya n dw o r ks k i l l st og r a s pi t t h ew i r i n gt r a i n i n go f t r a d i t i o n a la n de l e c t r i c a lp r o g r a mc o n t r o l l e de n e r g ym e t e rc a n tm e e tt h ed e m a n d si n t h et r a i n i n go fe l e c t r i c a le n e r g ym e t e r i n gd e v i c ew i r i n gc h e c k s oi ti sv e r yi m p o r t a n t t od ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a le n e r g ym e t e r i n gd e v i c ew i r i n g t r a i n i n gs y s t e ma n dp r o v i das i m u l a t i o np l a t f o r mf o rm e t r o l o g i c a lp e r s o n n e l t h ee l e c t r i c a le n e r g ym e t e r i n gd e v i c ew i r i n gt r a i n i n gs y s t e ms t u d i e di nt h e p a p e ri sas i m u l a t i o nd e v i c ew h i c hc a ns i m u l a t et h ef i e l do p e r a t i o n i tc a ns i m u l a t e e v e r ye r r o ro fm e t i n gd e v i c ew i r i n ga n dj u d g ev a r i o u sc o m m o nf o u l so f t h es y s t e m c o n v e n i e n t l ya n di n s t a n t l y , l i k es e c o n ds h o r tc i r c u i t 、o p e nc i r c u i t 、r e v e r s e dp o l a r i t yo f c t , p tp h a s ef a i l u r e , v o l t a g ea n dc u r r e n tp h a s ed i s l o c a t i o no ft h ee l e c t r i ce n e r g y m e t e r , c u r r e n ti na n do u ti n v e r s e dc o n n e c t i o n , a n ds oo n m a n yt y p eo fw i r i n g sc a nb e s i m u l a t e di nt h i ss y s t e m , s u c ha st h r e e - p h a s et h r e e - w i r ee l e c t r i c a le n e r g ym e t e ri n h i g h - v o l t a g e , t h r e e - p h a s e f o u r - w i r ee l e c t r i c a l e n e r g y m e t e ri n h i g h - v o l t a g e ， t h r e e p h a s et h r e e - w i r ee l e c t r i c a le n e r g ym e t e ri nl o w e r - v o l t a g e , c ts e c o n d a r yw i r i n g , p ts e c o n d a r yw i r i n g , e t c i fw r o n gw i r i n gi ss e ti nt h i ss i m u l a t i o ns y s t e m , t h ec o m p u t e rw i l lc o m b i n e e v e r ye l e m e n t st oc o m p u t ee a c hv o l t a g ea n dc u r r e n t sp h a s ea n dn u m e r i c a lr e l a t i o n s , w h i c hc a ng e tv a r i o u sw i r i n gd i a g r a m , v e c t o r g r a m , p o w e re x p r e s s i o na n da d j u s t e d c o e f f i c i e n t t h e i n t e l l i g e n t s i m u l a t i o ns y s t e mo fe l e c t r i ce n e r g ym e t e r i n gd e v i c e w h - i n gd e s i g n e db yt h em e t h o dh a sp o w e r f u la n df l e x i b l es o f t w a r ef u n c t i o nt h a tc a n r e a l i z et h es i m u l a t i o no fa l lk i n d so fw i r i n g a n da l m o s te v e r yw r o n gw i r i n gi n f i e l d i n ga l ec o v e r e di nt h es i m u l a t i o ns y s t e m t h ef e a s i b i l i t yo fi n t e l l i g e n ts i m u l a t i o ns y s t e mo fe l e c t r i ce n e r g ym e t e r i n g d e v i c ew i r i n gw a sp r o v e di nt h ep a p e rb yt h e o r e t i c a lm e t h o d ad i f f e r e n c ei sm a d e b e t w e e nt h r e e - p h a s et h r e e w i r ec i r c u sa n dt h r e e - p h a s ef o u r - w i r ec i r c u sa n dt h ed a t a m e a s u r e df o rt h e mw a ss t u d i e dr e s p e c t i v e l y c o n v e n i e n ta n de f f e c t i v ea n a l y s i sa n d j u d g m e n tm e t h o df o ra l lk i n d so f w r o n gw i r i n go f e l e c t r i ce n e r g ym e t e r i n gd e v i c ew a s p u tf o r w a r da n dd e t a i l e dd e s c r i p t i o nh a db e e nm a d eb ye x a m p l e s i t 浙江大学工程硕士学位论文 k e yw o r d s ：e l e c t r i ce n e r g ym e t e r i n gd e v i c e ；w r o n gw i r i n g ；s i m u l a t i o n ；j u d g i n g m e t h o d 浙江大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的目的和意义 当今电力工业发展迅猛，为了保证电力工业生产、电能计量能安全、可靠、 准确和经济地运行，我们必须依靠安装在电力生产现场上的能测量电压、电流、 功率、电能等电参数的仪器仪表来保证。 电能计量装置是进行电能交易的“秤一，供用电双方都很重视。电能计量是 否准确，除了与电能计量装置的准确度有关之外，还与计量回路接线是否正确有 密切关系。如果由于电能表本身的误差和超差，使电能计量产生的误差一般只有 百分之几，但如果由于电能表计量回路有错误接线，可能会使电能计量的误差达 到百分之几百，这会给用户或供电企业带来极大的经济损失。 为了把握好电能计量这一重要环节，电能计量人员必须具备更高的业务素质 和工作技能。在电能表接线检查的培训工作中，电工式和传统的程控式电能表接 线培训仪器，已满足不了培训的要求。电工式培训设备一般都是手动接线，技术 落后，而传统的程控式仪器，虽然是用计算机进行程控的，但由于设计原理的限 制，只能把已知的、常见的一千多种错误接线预先录入到计算机的数椐库中，使 用时再从数椐库中检索出符合己知条件的错误接线，这种方法局限性大，不能覆 盖现场各种各样的错误接线。 本文介绍的电能计量装置接线仿真系统，是一种模拟电能计量现场运行的仿 真装置，它能模拟电能计量接线的各种错误，并能方便快捷地对系统的各种常见 错误进行判断，如c ，i - 二次短路、开路、极性反接，p t 一、二次断相，电能表电压 错相、电流错相，电能表表尾电流进出反接等等。这系统可以仿真的接线种类齐 全，有三相三线高压电能表，三相四线高压电能表、三相四线低压电能表、c t 二次接线、p t 二次接线等等。 我们可以在系统的计算机上进行错误接线设置，当设置了各种接线要素时， 计算机就会对这些接线要素进行组合，从而计算出各个电压、电流之间的相位关 系和数值关系，再进一步得出各种组合的接线图、相量图、功率表达式和更正系 数。此系统不仅适用于机械式有功电能表、无功电能表，还适用于电子式多功能 电能表的有功、无功、需量接线分析。此系统还有试题库编辑功能，可以为考官 自动生成需要的试题库。 浙江大学工程硕士学位论文 电能计量装置接线智能仿真系统很好地满足了电力系统装表、校表、抄表、 用电检查等人员的培训和考核，很多供电企业都将它作为员工培训、技能考核和 技能竞赛用，目前，越来越多的供电企业配置了该系统。该系统已经在浙江电力 教育培训中心的营销和计量培训中，取得了很好的培训效果。k 司 电能计量装置接线智能仿真系统的错误接线有几万种，本文对其错误接线做 了大量的试验研究，并对其判断方法进行了分析总结。 1 2 电能计量装置异常问题的现状 我国电力行业市场化改革的总体目标要求打破垄断，引入竞争，降低成本， 健全电价机制n 8 1 ，从而迫使处于电能生产、送配和销售等各个环节上的电力企业 加强对上下游产品的监控，以维护自身的经济利益，这就有赖于加强对电能计量 工作的重视，提高计量数据的完整性、可靠性和准确性，从而为控制成本和经济 核算提供依据。 在计划经济和电力系统垄断经营的条件下，电力企业主要关心的是安全生产 问题，而由计量装置故障、人为窃电、电力系统扰动等因素造成的电能计量装置 异常问题一直没有得到充分的重视。各种类型的电能计量装置异常问题往往造成 电能计量值低于实际售出的电能，使供电企业蒙受了巨大的经济损失。 近年来，随着电力行业市场化改革的深入进行，电力企业开始将工作重心转 向创造和维护自身的经济效益，这也促使他们对电能计量装置异常问题给予更大 关注。另一方面，由于局部地区电力供需状况紧张以及电费不断上涨的因素，人 为窃电情况日益增加；而电力电子技术的广泛应用，使电力系统的谐波源大量增 加，引起局部电压、电流波形的严重畸变，影响了电能表的正常工作，这些都进 一步地加剧了电能计量装置的异常。汹1 电能计量装置接线的检测工作就显得尤其重要。目前，这一工作主要依靠人 工进行，包括两个环节：抄表和稽查。前者是营销部门日常进行的工作，由抄表 人员定时对电表计量状况和计量装置的不正常情况( 如卡盘、卡字、自走、倒转、 私启封印、窃电、违章用电等) 进行检查和记录。后者则是根据相关部门的规程 2 4 2 5 要求，由用电稽查人员和农村电工等进行的对电能计量状况的专门的 稽查活动，执行用电监察和电量追补等任务，是对日常电能计量监测工作的补充 这种传统的电能计量装置检测方法的不足之处主要表现在为：( 1 ) 信息化程度低， 不能及时反馈电能计量装置异常状态并对其做出反应；( 2 ) 检测工作依赖于工作 人员的素质和技术。删 浙江大学工程硕士学位论文 传统电能计量检测手段存在的不足，说明了我们有必要采取新的、自动化和 信息化程度较高的监测方式，以提高电能计量监测工作水平，控制电能计量装置 异常问题，挽回电力企业的损失。 1 3 造成电能计量装置异常的原因 电能计量装置包括电能计量表计( 有功电能表及无功电能表) 、电压互感器、 电流互感器及二次回路。如果计量装置在运行中不能正确计量用电量，我们就称 计量装置出现了异常。造成计量装置异常的原因主要包括以下四个方面：计量装 置故障和误差；系统干扰：分流；计量装置错误接线。 l 、计量装置故障和误差：是指计量装置本身存在的故障和误差，如电能表 故障、电压互感器故障、电流互感器故障、二次回路故障和误差等，计量装置的 各种故障直接引起的后果就是计量装置综合误差的增大，会造成计量错误。文献 ( 9 ) 对计量综合误差的形成原因进行了详细分析，并提出了控制综合误差的一 般方法；文献( 1 0 ) 则从工程的角度对如何减小计量装置综合误差提出了看法。 上述研究是相当透彻的，对解决实际生产当中由于计量装置故障引起的计量装置 误差问题提供了有益的指导。 2 、系统干扰：如谐波干扰、强磁场干扰等都会影响计量装置的准确性，会 造成计量错误。文献( 1 1 ) ( 1 2 ) 对电力系统谐波对计量装置的影响进行了全面 分析，文献( 1 3 ) 提出了谐波对计量装置干扰的比较精确的数学模型。这些研究 表明，系统谐波对电能计量装置的干扰主要产生在感应式电能表上，而对电子式 电能表的影响要小得多。此外，轻载负荷和冲击性负荷对电能计量也会产生一定 的影响，文献【1 4 ) ( 1 5 ) 研究表明，只要选用精度和采样频率较高的电子式电 能表，就能够基本上克服这些干扰。n 6 3 、分流：负载不经过或部分经过电能计量装置，称分流型故障，这常常是 由人为造成的。如将负载接在电能表进线之前，空置电能表，完全不经电能表计 量，即将进线绕开电表入户；或在电能表进线之前搭接其它负载，电能表仅计量 部分负载等。 4 、计量装置错误接线：电能表、电压互感器、电流互感器任何一个元件接 线错误，都会导致电能表不计、少计或多计电量。一个电能计量装置所计量电能 的多少，取决于电压、电流和功率因数三要素与时间的乘积，只要改变三要素中 的任何一个要素，就会引起计量错误。按电能计量的原理因素，可把由于错误接 线引起的计量错误归结为以下三种情况： 浙江大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 电压型故障：由于电压回路接线错误引起的计量故障。如某相电压回路 断开，引起失压；虚接某相电压端子使电压回路接触不良，引起欠压，导致电能 表少计或不计。 ( 2 ) 电流型故障：由于电流回路接线错误引起的计量故障。如短路或开路c t 二次侧，短路c t 一次侧，使电流无法正常流入电能表；虚接电流端子，使流入 电能表的电流减少 ( 3 ) 移相型故障；电能表正常的接线被改变，引起相位异常的故障。如p t 一次侧或二次侧反接，引起相位异常；c t 二次侧反接，引起相位异常；电能表 中接入与电能表线圈不对应的电压或电流，引起相位异常；在电压回路或电流回 路中接入其它负载如电感或电容等，引起移相，等等。 对于计量装置故障和误差、系统干扰、分流这三种造成计量装置异常的原因， 在很多文献中都有研究，本文主要研究计量装置错误接线的判断方法。 1 4 电能计量装置接线智能仿真培训系统的培训内容 从电能计量装置接线智能仿真培训系统的功能设置上看出，主要有以下六 个方面的培训内容： ( 1 ) 电流互感器、电压互感器的正确接线培训； ( 2 ) 电能表的结构、接线端子及电能表正确接线的培训； ( 3 ) 相位伏安表正确使用的培训； ( 4 ) 电能计量装置错误接线的种类、后果及更正培训； ( 5 ) 根据相量图判断电能计量装置错误接线类型的培训； ( 6 ) 电能计量装置各种接线的更正系数、追补电量的计算的培训。 另外，从培训角度考虑，只提供一个模拟环境是不够的，本论文介绍的电能 计量装置接线仿真培训系统己经具有了智能培训的概念，所以本仿真培训系统还 具有以下几个方面的内容： ( 1 ) 对于操作者的误操作给予语音提示； ( 2 ) 操作者通过测量、分析，确定出错误接线方式后，可在台体上直接进行更 改接线； ( 3 ) 系统会自动生成退补电量的数值，与操作者所得结果进行对比，即可判断 培训者的结论正确与否； ( 4 ) 操作者输入不同的接线要求，让系统自动生成符合条件的多个试题库。 浙江大学工程硕士学位论文 1 5 本文的主要工作 ( 1 ) 本文用理论方法证实了电能计量装置接线智能仿真培训系统的可行性； ( 2 ) 本文说明了相位伏安表的正确使用方法，对于三相四线制和三相三线 制两种不同电路需要测量的数据作了分析研究； ( 3 ) 对于电能计量装置的各种错误接线，本文提出了一些更方便、更有效 的分析和判断的方法； ( 4 ) 本文以实例详细阐述了电能计量装置各种错误接线的判断方法和步骤： 先用相位伏安表测量物理量，再判断接入电能表表尾各端子的电压类型，再画出 相量图，再根据相量图确定出电流类型，最终确定出计量装置的接线类型。 浙江大学工程硕士学位论文 2 1 电能计量装置 第2 章电能计量原理 电能计量装置由电压互感器( p t ) 、电流互感器( c t ) 、电能表以及二次回 路等组成。从原理上看，互感器就是一种容量小、用途特殊的变压器。在电气测 量中，测量仪器有时无法对被测的高电压和大电流进行直接测量，这时就需要把 高电压和大电流变换成低电压和小电流再进行测量，互感器就是这样一种具有变 换作用的仪器。 互感器除了具有变换的作用外还具有以下优点：由于互感器隔离了高电压和 大电流，从而能够保证测量仪表与测试人员的安全；互感器采用统一的标准化输 出量程：如电压互感器二次电压为1 0 0 v 或1 0 0 3v ，电流互感器二次电流为5 a 。 让接在互感器后的电能表采用统一的规格，有利于仪表的批量生产和使用。因此， 测量互感器在电力系统中的得到了广泛应用。 2 1 1电压互感器 l 、电压互感器的工作原理 电压互感器的结构相当于一台降压变压器，由铁芯、一次绕组、二次绕组、 接线端子和绝缘支持物等组成。它把高电压变换成低电压，供给测量仪表和继电 保护装置，以保证测量仪表与测试人员的安全。电压互感器二次额定电压为1 0 0 v 或l o o 3v 。电压互感器的一次绕组与高压电力线路连接，二次绕组与计量仪 表电压回路并联，因此，一次绕组的匝数多，二次绕组的匝数少。电压互感器示 意图如图2 - 1 浙江大学工程硕士学位论文 ? 以 ? l _ 1 b ，- 。 f 1 【百i 图2 - 1 电压互感器 ( a ) 结构图；( b ) 图形符号 卜一次绕组；2 一铁芯；3 - 二次绕组 根据变压器工作原理，在理想情况下，电压互感器存在以下等式： = 等= 瓮 ( 2 _ 1 ) 式中：k i 广电压互感器的额定变压比； u l 厂电压互感器一次侧额定电压； u 2 厂电压互感器二次侧额定电压。 此关系式说明了电压互感器的一次电压、二次电压的大小与各自的匝数 成正比。 2 、电压互感器的接线方式 电压互感器的接线方式主要有以下几种： ( 1 ) 电压互感器的v v 接法( 不完全星形接法) 图2 2 是两台单相电压互感器v v 接法的接线图。v v 接法广泛地应用于中 性点不接地或经消弧线圈接地的3 5 k v 及以下的高压三相系统，特别是l o k v 三 相系统。因为它既能节省台电压互感器，又可满足三相有功电能表、无功电能 表和三相功率表所需的线电压。仪表电压线圈一般是接于二次侧a 、b 间和c 、b 间。这种接法的缺点是：不能测量相电压；不能接入监视系统绝缘状况的电压表。 浙江大学工程硕士学位论文 图2 - 2 电压互感器v 接线图 图2 - 3 电压互感器y y n 接线图 ( 2 ) 电压互感器的y y n 接法 图2 3 是一台三相电压互感器v y 接法的接线图。y y n 接法是用一台三相 三柱式电压互感器，也可用三台单相电压互感器构成三相电压互感器组。这种接 法多用于小电流接地的高压三相系统。此种接法的缺点是：当二次负载不平衡时， 可能引起较大的误差；并且为了防止高压侧单相接地故障，高压侧中性点不允许 接地，故不能测量对地电压。 ( 3 ) 电压互感器的y n y n 接法 v n y n 接法如图2 - 4 所示，此种接法多用于大电流接地系统时，常采用三台 单相电压互感器构成三相电压互感器组。此种接法优点是：由于高压侧中性点接 地，故可降低绝缘水平，使成本降低；电压互感器绕组是按相电压设计的，故既 可测量线电压，又可测量相电压。此外，二次侧增设的开1 ：3 - - 一 角形接地的辅助绕 组，可构成零序电压过滤器供继电保护等使用。 。r - 。 一_ 暑9 “、一 ：l _ ，t 苎卜“1 “一 k f - _ _ _ _ 。一 图2 - 4 电压互感器v n y n 接线图 2 - 5 三相五柱式v n y n 接线图 当y n y n 接法用于小电流接地系统时，多采用三相五柱结构的三相电压互感 器，如图2 5 所示。这种接法一、二次侧均有中性线引出，所以既可测量线电 压，又可测量相电压。另外，二次侧开1 ：3 - - - 角的辅助绕组可供监视绝缘之用。 3 、电压互感器的使用注意事项 ( 1 ) 在接线时，要注意端子的极性。我国规定，单相电压互感器的一次绕 篆 严-，、j争、li 浙江大学工程硕士学位论文 组端子标以a 、x ，二次绕组端子标以a 、x ，端子a 与a ，x 与x 是对应的“同 名端 或“同极性端修。对于三相电压互感器，按照相序，一次绕组端子分别标 以a 、x ；b 、y ；c 、z ，二次绕组端子分别标以a 、x ；b 、y ；c 、z ，端子a 、b 、 c 、x 、y 、z 分别与a 、b 、c 、x 、y 、z 为对应的“同名端芹或“同极性端疗。 ( 2 ) 电压互感器二次侧必须有一端接地。为防止电压互感器一、二次间绝 缘击穿时，高电压窜入低压侧造成人身伤亡或设备损坏，电压互感器二次侧必须 设保护性接地点。 ( 3 ) 运行中的电压互感器二次侧不允许短路：由于电压互感器一、二次侧 都是在并联状态下工作的，正常运行时二次侧相当于开路，电流很小。如果二次 侧发生短路，将产生很大的短路电流，有可能烧毁互感器，甚至影响一次电路的 安全运行。因此电压互感器的一、二次侧都必须装设熔断器以进行短路保护。 2 1 1 电流互感器 l 、电流互感器的工作原理 电流互感器的结构与电压互感器一样，也是由铁芯、一次绕组、二次绕组、 接线端子和绝缘支持物等组成。在高压电力计量系统中，电流互感器是一种重要 电器设备，是一次系统和二次系统之间的联络元件，被广泛应用于继电保护、系 统监测和系统分析中。电流互感器是一种电流变换装置，它把大电流变换成小电 流，供给测量仪表和继电保护装置，以保证测量仪表与测试人员的安全。电流互 感器二次额定电流为5 a 。电流互感器的示意图见图2 - 6 图2 - 6 电流互感器 ( a ) 结构图( b ) 图形符号 卜铁芯：2 一一次绕组；3 一二次绕组 矸 t ， 浙江大学工程硕士学位论文 根据变压器工作原理，在理想情况下，电流互感器存在以下等式： b 2 誓= 筹 洱2 ， 式中；k r 电流互感器的额定变流比； i l n 一电流互感器一次侧额定电流； 1 2 广电流互感器二次侧额定电流。 此关系式说明了电流互感器的一次电流、二次电流的大小与各自的匝数 成反比。 2 、电流互感器的接线方式 电流互感器的接线方式常用的有以下几种： ( 1 ) 电流互感器的v 形接线( 不完全星形接法) v 形接线如图2 - 7 ( a 、b ) 所示，它们都由两只完全相同的电流互感器构成， 其中一台接在a 相，另一台接在c 相。这两种接线方式常用在负载不论平衡与 否的三相三线制电路中。 l 鸯璺盥7 - 台一一一 1 骋卫f 2 l 士，= - 力 磊 k l 。 - - 一 k 2r ， l 1 i r z b 蔓氅1 _ 一 l 2 f b ) 图2 7 电流互感器的v 形接线 c a ) v 形简化接线；( b ) v 形四线制接线 图2 7c a ) 图称为v 形简化接线( 也称混相接法) 。虽然b 相没有接入电流 互感器，但是由于接线的原因，根据三相交流电路中j 。+ 厶+ j 。：0 的原理，在其 n 二次侧的公共线上可获得电流，a 。此接线方式不仅可节省一根导线，还为现场接 线检查提供了可供比较的三相电流。其缺点是接线容易出错，且发生错误接线后 不易查找。 图2 7 ( b ) 图称为v 形四线制接线( 也称分相接法) 。为了弥补简化接法的 浙江大学工程硕士学位论文 缺点，在计量装置中电流互感器有时采用四线制接法，即各相分别连接。其优点 是：各相电流线相互独立，使得错误接线几率相对减少。缺点是多增加了一根导 线。但由于高压用户线路较多，接线一般较复杂，因此从提高准确度与可靠性来 说，多费一根导线是合算的。 ( 2 ) 电流互感器的y 形接法( 完全星形接法) y 形接线如图2 8 所示，它由三只完全相同的电流互感器构成。这种接线中 的三个电流线圈，正好反映了各相的电流。该接法被广泛应用于负荷不论平衡与 否的三相电路中，常用于高电压大电流接地系统、发电机二次回路及低压三相四 线制电路。采用这种接线方式可减少二次回路的电缆芯数。但由于a 、b 、c 三 口口0 相电流互感器二次绕组分别流过，。、，6 、，。电流。当三相电流不平衡时，公共 口口n口 线中的电流i 疗= i o + ，a + ，。当三相电流平衡时，i 。= 0 。这种接线方式不允许公 共线断开，否则，会造成较大的计量误差。 z b 图2 8 电流互感器的y 形接线 3 、电流互感器使用注意事项 ( 1 ) 极性连接要正确 电流互感器的极性，一般是按减极性标注的。对于电流互感器而言，就是一 次电流i l 和二次电流1 2 相对于各自绕组的同名端瞬时方向恰好相反，即一次电 流流入互感器时，二次从互感器流出，这样的极性称为减极性。如果电流互感器 的极性连接不正确，不仅会造成计量错误，而且，当同线路有多个电流互感器 并联时，还可能造成短路事故。为了不使接线搞错，对于单电流比的电流互感器， 其极性标志规定为：一次绕组出线端首端标为l l ，末端标为l - a ；二次绕组出线 端首端标为k l ，末端标为k 2 ，如图2 8 所示。 浙江大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 运行中的电流互感器二次回路不允许开路 电流互感器工作时，二次回路始终是闭合的，但因测量仪表和保护装置的串 联绕组阻抗很小，其工作情况接近短路状态，当电流互感器开路时，将在二次绕 组产生很高的电压，威胁人身安全，造成仪表、保护装置、互感器二次绝缘损坏。 并且电流互感器二次回路必须接地，以防止一次绝缘击穿时，高电压窜入二次绕 组威胁人身和设备安全。 2 1 3电能表 电能表是电能计量装置的核心设备，它专门用于计量负荷消耗的电能。目前， 我国使用最广的电能表是感应式电能表和电子式电能表。 感应式电能表是利用电磁感应原理工作的，它主要由驱动元件( 电压元件和 电流元件) 、转动元件( 转盘和转轴) 、制动元件、轴承和计度器等部件组成。当电 压和电流通过驱动元件时，所产生的与有功功率成正比的电磁力矩驱动转盘转 动，转盘的累积转数就可以表示消耗的电能。感应式电能表由于具有结构简单、 维修方便、价格便宜等优点，一直被广泛应用。 电子式电能表是通过将功率转换成为标准脉冲输出，然后对脉冲累积以测量 电能的计量装置。电子式电能表主要由采样元件、榭数转换器、i j i 乘法器、电 压频率转换器和计度器等部件组成。电子式电能表工作时，首先让所采样的电 压和电流分别经过各自的模数转换器，由模数转换器将它们转换成数字量，再 将转换结果送入乘法器，由乘法器将电压和电流的瞬时值相乘，然后就输出一个 与一定时间内的平均功率成正比的直流电压u 6 ，再通过电尉频率转换器将u 6 转换成相应的脉冲频率内，这样f o 就正比于平均功率，最后将内分频后，通过 计数器的记数，得到相应的电能数值。 电子式电能表具有准确度高、体积小、重量轻、功能多等优点，正在得到日 益广泛的应用。而具有的显示、存贮和输出数据等功能，更可以用于电脑全自动 抄表、计费和检测，所以更得到了计量部门的青睐。 浙江大学工程硕士学位论文 2 2 有功电能表的计量 2 2 1电能的基本计算 电能计算可以通过下面的公式进行，即 ( f ) = ，p ( f 矽= 甜( t ) i ( t ) d t ( 2 - 3 ) 式中，( f ) ，f ( f ) ，p ( t ) 分别是瞬时电压，瞬时电流，瞬时功率值。 由( 2 1 ) 式可见，电能的计算与功率的计算只相差一个时间变量，因此，电能 的计算可以通过对功率的计算来实现。 2 2 2 有功电能表的接入方式 l 、直接接入计量方式 直接接入计量方式适用于低压( 3 8 0 v 或2 2 0 v ) 供电线路，负荷电流为8 0 a 及以下的情况。居民照明用户和小容量动力负荷大多数采用直接接入式计量。 对于低压三相四线制电路( 3 8 0 2 2 0 v ) 来讲，可以选用一只三相四线有功电 能表，也可选用三只单相有功电能表。此种接线方式一般是在低压配电系统中， 中性点直接接地的三相四线制系统中应用，而且不论三相电压、电流是否对称都 能正确计量。 在农村配电系统中，常采用三只单相电能表的接线方式，当一相发生故障时， 就会有一只单相电能表的读数出现差异，比较容易判断出是否有异常计量状况。 而用一只三相四线的电能表，当一相故障时，电能表圆盘转动虽然变慢，造成电 量的少计，但很难判断出是负荷变化了还是有了故障。 2 、间接接入计量方式 间接接入计量方式可分为两种情况：一是不经电压互感器( p t ) ，只经电流互 感器( c t ) 的接入方式，此方式适用于负荷电流大于8 0 a 的低压计量( 3 8 0 2 2 0 v ) 电路；另一种是既经电压互感器( p t ) ，又经电流互感器( c ，i ) 的接入方式，此方式 适用于负荷电流大于8 0 a 的高压计量( 1 0 k v 及以上) 电路。接线示意图见2 2 4 的三相四线有功电能表的计量和2 2 5 的三相三线有功电能表的计量。 在实际应用中，应根据不同的被测电路( 单相、三相三线、三相四线、高压 和低压) 、负荷情况以及测量对象来选定适当的电能表和互感器，这是保证计量 浙江大学工程硕士学位论文 准确的一个关键环节。 2 2 3 单相有功电能表的计量 l 、单相有功电能表的接线 单相电能表由一个单相元件组成。单相电能表工作在低电压，所以无需接入 电压互感器p t 。根据不同的负荷电流，有两种不同的接线方式：( 1 ) 电流回路 直接接入式，见图2 9 所示；( 2 ) 电流回路经电流互感器c t 接入式，见图2 1 0 所示。 a n 图2 9 直接接入式单相有功电能表接线图 a n 图2 1 0 经电流互感器接入式单有功电能表接线图 2 、单相电路的相量图和有功功率计算式 采用一只单相有功电能表计量单相电路电能的相量图如图2 1 l 所示。 浙江大学工程硕士学位论文 莎屯 单相有功电能表驱动元件上的量是n 与i l ，0 4 与i l 之间的相位差为伊； 单相有功电能表的有功功率公式为： p = u l c o s 缈 ( 2 - 4 ) 式中，卜电压有效值，i 一电流有效值，矽一相位角即功率因数角 2 2 4 三相四线有功电能表的计量 1 、三相四线有功电能表的接线 三相四线电能表由三个单相元件组成。三相四线电能表通常工作在低电压的 情况下，所以无需接入电压互感器p t 。根据不同的负荷情况，有两种不同的接 线方式：( 1 ) 电流回路直接接入式，见图2 1 2 所示；( 2 ) 电流回路经电流互感 器c t 接入式( 完全星形接法) ，见图2 1 3 和图2 1 4 所示，图2 1 3 是电流互感 器六线制接法，图2 1 4 是电流互感器简化接法。 商! 良 l 字 i。 1l 图2 1 2电流回路直接接入式三相四线有功电能表接线图 浙江大学工程硕士学位论文 a b c n 、胁二室 事 、 f 一 善 一 ： w i ，、7 一、， 图2 1 3 经电流互感器接入式六线制接法三相四线有功电能表接线图 a b c n _ 翼： 鼍 雨： 长 ， ，i ! l， _ ) 一 f f 一 1 v 一 一、，、 一 、 图2 1 4 经电流互感器接入式简化接法三相四线有功电能表接线图 2 、三相四线制电路的相量图和有功功率表达式 采用一只三相四线三元件有功电能表( 或三只单相有功电能表) 计量三相电 路电能的相量图如图2 1 5 所示。 图2 1 5 三相四线制电路的相量图 浙江大学工程硕士学位论文 三相四线有功电能表三个元件上的量：第一元件为讥、i 。，0 。与i 。之间的相 位差为仍；第二元件为讥、i b ，讥与i b 之间的相位差为仇；第三元件为讥、i c ， 1 c i 。与i 。之间的相位差为纯。 三相四线有功电能表的有功功率公式为： p = 日+ 罡+ e = u o l c o s 讫+ 厶c o s 够b + u d 。c o s 谚o ( 2 5 ) 假设三相电路对称，即玑= = u o = ，l = 厶= l = ，q , o = 伤= 仍= 缈， 则： p = 3 c o s p = 4 3 u c o s 9 ( 2 6 ) 注：此公式中的u p 代表相电压，i p 代表相电流，u 代表线电压，i 代表线电 流。这种接法无论三相电路对称与否，都能正确计量三相电路的电能。 2 2 5 三相三线有功电能表的计量 1 、三相三线有功电能表的接线 三相三线电能表由两组测量元件组成。三相三线电能表通常工作在高电压、 大电流的情况下，所以在使用中需要接入电压、电流互感器( 不完全星形接法) ， 是间接接入式。三相三线电能表的正确接线图如图2 1 6 和图2 1 7 所示。，图2 1 6 是电流互感器四线制接法，图2 1 7 是电流互感器简化接法。 a b c ， 甲 i i 市 i l _ l 姒 一 r p i 一 ： 一 l 、- - 一，、- 一， 幸 图2 1 6 经c t 、p t 接入式c r r 四线制接法三相三线有功电能表接线图 浙江大学工程硕士学位论文 a b c _ 爿 _ i ，6 ，i l l 1 竖n 型 1啊1 f i w ： 一 l 图2 1 7 经c t 、p v 接入式简化接法三相三线有功电能表接线图 2 、三相三线制电路的相量图和有功功率表达式 采用一只三相三线两元件有功电能表计量三相电路电能的相量图如图2 1 8 所示。 图2 1 8 三相三线制电路的相量图 三相三线有功电能表两个元件上的量：第一元件为乩、i i ，讥与i t 之间的相 位差为3 0 。+ 9 ；第二元件为d 曲、i 。，比与i c 之间的相位差为3 0 。一缈。 浙江大学工程硕士学位论文 三相三线有功电能表的有功功率公式： 第一元件所测的有功功率为：暑= lc o s ( 3 0 。+ 咒) = u i c o s ( 3 0 。+ 劝 第二元件所测的有功功率为：p 2 = t c o s ( 3 0 。- 够o ) = u c o s ( 3 0 。- 谚 两个元件计量的有功功率之和为： p = 只+ 罡= u 1 c o s ( 3 0 。+ 妒) + u c o s ( 3 0 。一妒) = 爻厅c o s 缈 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 浙江大学工程硕士学位论文 第3 章卅2 4 型接线智能仿真系统的原理和性能 3 1 智能仿真系统的原理 该系统由三大部分组成：计算机、三相程控电源、接线转换箱( 见图3 1 ) 。 其中三相程控电源是把单相交流电变换为三相四线制电源，从而输出三相电压和 电流；接线转换箱由继电器构成，主要用于实现电流互感器接线、电压互感器接 线、电能表接线的各种接线组合，在计算机的统一指挥下，可以模仿真实现场的 各种接线，包括三相三线、三相四线电能表及电压互感器( p t ) 、电流互感器( c t ) 二次接线等。 图3 1 系统原理图 系统内部的走线如下：p t 、c t 一次一p t 、c t 二次一电能表联合接线盒一有功、 无功电能表。操作时，可在计算机上设置好组合接线的方式；做题时，用相位伏 安表在电能表表尾和联合接线盒上测量数据( 必要时需在p t ，c t 二次侧进行测 量) ，依据测量数据，画出向量图，判断出电能表电压、电流的错误接线方式， 最后改正接线。叭2 1 3 2 接线转换箱的控制原理 接线转换箱由继电器构成，主要用于实现电流互感器接线、电压互感器接线、 电能表接线的各种接线组合。 浙江大学工程硕士学位论文 3 2 1三相三线经c t 、p t ，p t 简化接线方式的各种接线组合 p t 简化接线，是指两个p t 的二次非极性端相互联接后拉出一根公共回线，见 图2 1 7 ，在p ，i i 一次接线正确的情况下电压部分的接线错误可以归结为以下两种情 况：一种是p t - - 次输出端极性反接、断相( 对一个p t 而言) ，三相三线制接线时， 有两个p t ，每个p t 二次的接线都有3 种可能：正确接线、极性反接和断相，因此 两个p t 有3x3 - - - 9 种接线可能。在计算机的控制下，图3 2 中的继电器l i 一l 4 用于 实现这9 种接线组合。另一种是电压错相，即接入电能表输入端的三根电压线可 能出现的错相，电压错相有6 种可能，其中正序3 种( 这时相序为a 曲- c ，b 飞a ， c - a _ b ) ，负序3 种( 相序为a c - b 。c - b a ，b _ a c ) ，图3 2 中的l s l 1 3 用于实现 这6 种接线组合。嘲 山脚 p t 极 性接 线 电压 错相 接线 图3 2电压接线转换 在c j i i 一次接线正确的情况下，电流部分的接线错误可以归结为以下三种情 况：第一种是c i 二次输入端极性反接、短路( 对于一个c t 而言) ，在三相三线制 接线时，有两个c i i ，每个c t 的二次接线有3 种可能：正确接线、极性反接和短路， 浙江大学工程硕士学位论文 因此两个c t 有3 3 - - 9 种接线可能，图3 3 9 继电器k 1 - - k 4 用于实现9 种接线组合。 第二种是电