（控制理论与控制工程专业论文）高压电力计量系统故障分析与检测.pdf

河南大学研究生硕士学位论文螬i 页 摘要 在电力系统的发、输、供过程中，电能计量尤其是高电压大容量的电能计量 是非常重要的一环。计量系统发生故障，不论是自然产生还是人为造成其结果都导 致计量系统不能准确计量用户所用电量。因此，研究检测故障的方法非常必要。 其中，电流互感器短路( 包括一、二次短路和二次相间短路) 和极性反接故障以及电 能表缺相赦障的检测技术是当前电力计量系统的热门研究课题之一。基于这一原 因，本文将电流互感器短路故障检测作为重点研究内容，主要包括： 第一，提出高压电力计量系统网络故障模型。首先通过对不同负荷下计量系 统电路参数的分析，得出网络阻抗与电流互感器一、二次侧短路之间的密切关系。 其次，设计辅助电路，用于检测阻抗的变化，从而导出故障检测模型。最后进行 了仿真研究，以证明模型对故障检测的有效性。 第二，对高压计量系统的电能表缺相以及欠压故障进行分析，并分析这两种 故障的几种常用检测方法在对电流互感器二次回路相间短路和极性反接故障分 析的基础上，提出根据两相电流的相位关系判断故障的检测方法，该方法不仅可 以判断故障的发生而且还可以分辨故障的类型。这种方法电路简单，需要测量的 参数少，简单易行。 关键词：高压电力计量故障；检测方法；电流互感器短路；电能表缺相 第页河南大学研究生硕士学位论文 a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n to ft h ee l e c l r i cp o w e rs y s t e mw i t hh i 曲v o l t a g ea n ds 仃o n g c a p a c i t yp l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec o u r s eo fe l e c t r i c s y s t e mg 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 t h ef a u l to fm e a s u r e m e n ts y s t e m ，w h e t h e ri ti sc a u s e db y n a t u r eo rb yh u m a nb e i n g s ，c a l ll e a dt ot h ew r o n gm e a s u r e m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e r w h i c hi su s e db yu s e r s c o n s e q u e n t l y , i ti sn e c e s s a r yt oe x p l o r es o m em e t h o d sb yw h i c h t h ef a u l to f t h ee l e c t r i cp o w e rm e a s u r e m e n ts y s t e mc a l lb ed i a g n o s e dc o r r e c t l y a m o n g t h e s em e t h o d si st h ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yo ft h et h es h o r tc i r c u i tf a u l to ft h ec u r r e n t w a u s f o r m e r ( i n c l u d i n gt h es h o r tc i r c u i to fp r i m a r y s e c o n d a r ys i d e ，s h o r t c i r c u i to f s e c o n d a r ys i d eo f c u r r e n tt r a n s f o r m e r s ) a n do p p o s i n gc o n n e c t i o no f t r a n s f o r m e ra n do n e o rt w oo f t h e t h r e e - p h a s ev o l t a g ed i s c o n n e c t i o nw h i c h 黜o n eo f t h e h o tr e s e a r c ht o p i c s i nt h ee l e c t r i cp o w e rm e a s u r e m e n ts y s t e m b a s e d0 1 1s u c har e a s o n ，t h ed e t e c t i o n t e c h n o l o g yo ft h et h es h o r tc i r c u i tf a u l to ft h ec u r r e n tt r a n s f o r m e ri st a k e na st h em a i n r e s e a r c hc o n t e n tw h i c hi se x p l a i n e di nd e t a i l sa sf o l l o w s ： ( 1 ) an e t w o r kf a u l tm o d e lf o rt h eh i g hv o l t a g ee l e c t r i cp o w e rm e t e r i n gs y s t e mi s p r o p o s e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h ec l o s e dr e l a t i o n sb e t w e e ns h o r tc i r c u i to f t h ep r i m a r y o rs e c o n d a r ys i d eo fc u r r e n tt r a n s f o r m e ra n dt h en e t w o r ki m p e d a n c ea r ed r a w nf r o mt h e c i r c u i tp a r a m e t e ra n a l y s i so f t h em e t e r i n gs y s t e mu n d e rt h ed i f f e r e n tl o a d s s e c o n d l y , a n a u x i l i a r yc i r c u i ti sd e s i g n e d , u s e dt od e t e c tt h ei m p e d a n c ec h a n g e sf r o mw h i c ht h ef a u l t m o d e li sd e r i v e d f i n a l l y , s i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e d0 1 1t h em o d e lt od e m o n s t r a t et h e e f f i c i e n c yo f t b ef a u l td e t e c t i o nm o d e l ( 2 ) i ti sa n a l y z e dt h a to n eo rt w oo ft h et h r e e - p h a s ev o l t a g ed i s c o n n e c t i o na n d s o m em 昀, u so fd e t e c t i n gf a u l tm e a n w h i l e ，i ti sa l s oa n a l y z e dt h a tt h ef a u l to fs h o r t c i r c u i to fs e c o n d a r ys i d eo fc u r r e n tw a n s f o r m e r sa n do p p o s i n gc o n n e c t i o no fc u l t e n t t r a n s f o r m e r w ec a nj u d g en o to n l yf a u l t sb u ta l s ot h et y p e so ft h ef a u l t sb yn s eo ft h e p h a s er e l a t i o n s h i po f t w o - p h a s ec u r r e n t t h ed e t e c t i o nc i r c u i ti ss i m p l e ，r e a l i z e de a s i l y ； f u r t h e r m o r e ，o n l yt w ov o l t a g ev a l u e sn e e dt ob em e a s u r e d 河南大学研究生硕士学位论文第页 k e y w o r d s ：t h ef a u l to f h i g hp r e s s u r ep o w e rm e a s u r e m e n ts y s t e m ；d e t e c t i o nm e a n s ；t h e s h o r to fc u r r e n tt r a n s f o r m e r ；o n eo rt w oo ft h et h r e e - p h a s ev o l t a g e d i s c o n n e c t i o no f e l e c t r i ce n e r g ym e t e r 关于学位论文狙j 立完成和内容创新的声明 本人向河南人学提出硕士学信中请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是 本人在导师的指孚下独立完成的，列乃f 研究妁球题响割的见解。据我所知，睬 文中特别加以说明、标注和致铡酌地另外，论文中不包括其他人已经友表或撰 写过酌研究成果，也不包括其他人为获得任何教南、科研机构的学位或证书而 段保存、汇编学住论文( 纸质文本和电子文本) 。 ( 涉翟保密内睿酌学位论文在解密后适用本授权书) 学伍获得瘩( 学位论文作者) 蚕名 20 学位论文指导教师签名 狠象砻 2 0 。6 月( 铷 河南大学研究生硕士学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 在电力系统的发、输、供过程中，电能计量尤其是高电压大容量的电能计量 是非常重要的一环，因为它不仅仅关系着电力生产部门的安全经济运行和直接经 济效益，而且还直接、间接地联系着整个国计民生的经济效益和社会效益。因此， 一整套综合性的准确电能计量是电力系统中电测计量的重要组成部分【l 】 我国目前高压输电电压等级分为5 0 0 k v 、3 3 0 k v 、2 2 0 k v 、1 1 0 k v ，配给大 用户的电压等级为1 1 0 k v 、3 5 k v 、1 0 k v ，配给社区和广大中小用户( 居民照明) 的电压为三相四线3 8 0 2 2 0 v ，独户居民照明用电为单项2 2 0 v f 2 3 。供电公司对上述 等级各种用户所用电量计量的方法分为三种：l 、高压供电高压计量( 简称高供高 计) ：指我国城乡普遍使用的国家标准电压1 0 k v 及以上的高压供电系统( 我国特 大型工矿企业内部供电系统一般采用6 k v 高压供电) 。这种供电方式为高电压、 大电流，因此计量电量时电压和电流需分别经过电压互感器( p t ) 和电流互感器 ( c 1 ) ，并在电压互感器和电流互感器的二次侧接计量电能表的方式来计量。这种 计量方式的电能表额定电压：3 x 1 0 0 v ( - - 相三线二元件) 或3 x 1 0 0 5 7 7 v ( 三相四 线三元件) ；额定电流：l ( 2 ) a 、1 5 ( 6 ) a 、3 ( 6 ) a 。用户所用电量为电能表读数乘 以p t 和c t 的倍率。2 、高压供给低压计量( 高供低计) ：指3 5 k v 、1 0 k v 以下的 供电系统，针对有专用配电变压器的大用户。这种供电计量的方式为：电流需经 低压电流互感器( c d 再接入电能表来计量。这种计量方式的电能表额定电压为 3 x 3 8 0 v ( - - 相三线二元件) 或3 x 3 8 0 2 2 0 v ( 三相四线三元件) ；额定电流：1 5 ( 6 ) a 、 3 ( 6 ) a 、2 5 ( 1 0 ) a 。用户所用电量为电能表读数乘以低压电流互感器( c 1 ) 的倍率。 1 0 k v 供电且容量在5 0 0 k v a 以下时采用高供低计3 、低压供电低压计量( 简称 低供低计) ：指城乡普通用户的计量方式。这种供电方式的计量方式很简单，不需 要电压互感器和电压互感器。这种计量方式的电能表额定电压为单相表2 2 0 v ( 居 民用电) 或3 x 3 8 0 2 2 0 v ( 居民及中小动力和较大照明用电) ；额定电流：5 ( 2 0 ) a 、 5 ( 3 0 ) a 、1 0 ( 4 0 ) a 、3 0 0 0 0 ) a 。所用电量直接从表中读出。1 0 k v 供电的1 0 0k v a 变压器及以下为低供低计。本文研究额定电压为1 0 k v ，额定功率为5 0 0 k v a 以上 第2 页河南大学研究生硕士学位论文 的供电方式，计量方式采用高供高计。 高压电力计量系统包括电能表、电流互感器( c d 、电压互感器口t ) 以及二次导 线。它们中的任何一个部件出现故障或者由于自然或人为造成接线错误都会导致 不能正确计量甚至整个计量系统瘫痪，因此它的故障方式就跟接线以及各个部件 的状态有关。 1 1 1 高压电力计量系统故障的主要类型 高压电力计量系统包括电能表、互感器以及连接它们的二次导线；三相有功 电能计量常采用的接线方式为三相三线制接法，因此三相高压有功电能计量的接 线比较复杂，理论上接线种类4 0 7 1 种，而正确的只有一种，因此计量系统故障的 类型也很多。 1 按故障产生的原因可分为：1 ) 由三相电能表错误接线造成的故障；2 ) 由电压 互感器或电流互感器接线断开造成的故障；3 ) 由电流互感器一、二次短路或 电流互感器二次相间短路造成的故障。下面分别说明这几种故障形式： 电能表接线错误的方式很多，计量回路接线错误的方式依电能表的接入方 式及电能表的类型( 单相式、三相三线式、三相四线式) 而不同。如直接接入 式单相电能表接线错误可能性有1 5 种；经电流互感器接入的单相电能表接线 错误可能性有2 0 种；直接接入式三相三线电能表接线错误可能性有7 0 9 种， 经电流互感器接入的三相三线电能表接线错误可能性有7 5 0 种，经电压互感器 及电流互感器接入的三相三线电能表接线错误可能性有4 0 7 1 种；直接接入或 经互感器接入的三相四线电能表接线错误可能性在5 0 5 5 - 1 2 6 5 5 种之间嘲研。近 年来，不少工程技术人员针对由于电能表接线错误造成的计量故障进行了分析 研究，并提出了相应的检测方法。 电业部门对如电流互感器一、二次短路或电流互感器二次相问短路以及电 流互感器极性反接、电能表的某一相或两相电压断路等放障造成的计量损失进 行了分析计算【3 h 5 1 ，但没有具体给出检测这些故障的方法。因此这类故障以及 检测方法是本文研究的一个重点 2 按故障跟人的关系分为：1 ) 自然产生的故障；2 ) 人为造成的故障。而这两种 故障产生的原因可以是上面三种原因中的任意一种。 3 根据电能计量的基本原理，电能表计量电量的多少取决于电压、电流、功率因 河南大学研究生硕士学位论文第3 页 数三要素和时间的乘积。因此，改变三要素中的任何一个，即可造成电能表慢 转、停转甚至反转，引起计量故障。另外，使电表本身机械或电子性能改变， 扩大计量系统的误差也可以造成计量故障。更有甚者私拉乱接、无表用电的行 为，这完全就是人为制造故障。按电能计量的原理因素，可把计量故障归结为 五大类嘲【9 】： 1 ) 电压型故障：由电压回路接线错误引起的计量故障。如某相断开，引起失压；虚 接某相电压端子，引起欠压，导致电能表少计或不计。 2 ) 电流型故障：由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；接入同 一相电压或电流，引起相位异常；在电压回路或电流回路中按入其 它负载，改变正常相位等。 4 ) 扩差型故障：由电能计量系统误差增大引起的计量故障这种故障通常由人为造 成，目的是为了窃电。具体方式如私拆电表，改变电表内部机械结 构性能；用外力损坏电表；改变电表安装条件；利用磁场或谐波干 扰等手段来扩大电能计量系统误差等 5 ) 分流型故障：负载不经过或部分经过电能计量装置，由自然或人为造成。人为的 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： 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。 据电业部门统计，现场常见的计量故障主要有以下两类g o ： 1 电压型故障：常见的是p t 断路，包括a b ，c 三相电压中的一相、两相甚至三 相断并。 ， 2 电流型故障：常见的是c t 一、二次短路或c t 二次侧相间短路以及c t 二次接线断 开等计量故障。 本文主要研究上面所述的两大类故障以及它们的检测方法。 1 1 2 高压电能计量系统故障常用检测方法 由于高压电能计量系统故障的形式很多，因此故障检测方法也很多，不同的 第4 页河南大学研究生硕士学位论文 故障有不同的检测方法。由于人为或自然改变计量系统的正常接线引起的故障， 长期以来电力部门的计量工程技术人员针对这种故障，主要依据经验定期检测计 量系统。检测手段相当落后，主要是利用电流表，电压表，相位仪测量相应的电 压、电流以及相位值，然后画出向量图进行分析判断。这种检测故障的方法比较 传统，依赖技术人员的经验水平，并且过程较为繁琐，因此很难满足实时性的要 求。为了简化这一故障检测手段文献【1 1 】【1 2 】中提出利用六角图法快速准确判断故 障的简化分析方法，这种方法是先画出标准的六角图，然后检测相应的值直接跟 六角图中的值对照即可判断故障。这种检测方法无疑比上面的方法简化，但它仍 需要测量7 个参数。文献 1 3 d p 提出实用性较强的计量回路接线分层识别法。该方 法把互感器回路误接线判别( t v 及t a 变比测量，t v 及t a 一、二次极性检验、 电压电流对称性检验等) 作为第一层识别内容，把电能表常见误接线判别作为第 二层识别内容的分层识别方法。经过第一层识别可把4 0 0 0 余种三相三线电能表接 线方式减为常见的4 8 种，从而加快了电能表接线错误的识别过程，减少了识别软 件的开发工作量，降低了开发成本，提高了工作效率，增强了识别过程的清晰度。 文献1 1 3 中针对三相三线二元件电能表4 8 种接线识别，可以用基于两个电流 信号相位的l ，4 分类法，基于两个电压信号相位的1 陀分类法，基于虚拟a 相电压 与虚拟a 相电流相位的l 6 分类法，从而完成了1 4 8 分类法即实现了4 8 种接线方 式的识别过程。该方法通过样机试验已经得到验证。这种检测方法的基本思想是 根据实测向量之间的相位关系判断误接线模式，逐层排除最后可以判定。这种检 测方法虽然可以判断出错误接线的类型，但过程繁琐。 用电管理部门也可以采用对电能表进行远程接线诊断的解决方案 1 4 - 1 6 来检测 电能表的接线。具体方法如下： 该文献提出的方法是把诊断过程分两个步骤，首先判断电能表是否存在错接 线，如果存在错接线，再判断接线方式。判断是否存在错接线采用的是短期负荷 预测方法【1 7 。2 1 】。电力系统短期负荷预测是依据电力系统的历史负荷时间序列值， 在满足一定精度的前提下预测未来某特定时刻的负荷值。电力系统的负荷具有复 杂的周期性，负荷序列本身可以看作是一些具有不同频率特征的分量的迭加。根 据此特点，使用小波多分辨率分析算法将历史负荷序列分解成多个具有不同频率 特征的分量，选择合适的小波基和分解层数，使各个分量相对原负荷序列呈现出 更为明显的周期性和规律性，对分解后的具有明显特性的分量再采用自回归滑动 河南大学研究生硕士学位论文第5 页 平均( a r m a ) 算法进行预测这种算法减少了负荷预测的峰值误差和平均误差，提 高了预测精度。判断接线方式时，首先对工业电能表近3 0 0 0 种接线方式做了系统 分析。鉴于传统判断方式直接使用电能表上传的电量数据，判断结果不准确，本 文构建出电能表接线矢量模型，通过该模型能够将电能表上传的标量数据还原为 矢量数据，从而判断出接线方式，并绘制出向量图和接线图。 上述都是判断高压电力计量系统接线错误的方法。除了这些以外还可利用阙 值检钡8 法来检测故障。针对电能量计费系统，在数据初步校验的基础上，提出3 种 故障检测方法嘲：事件检测、单表阈值逻辑检测和多表阈值检测。事件检测是通 过检测相关的事件信息判断是否有故障发生；单表阈值逻辑检测是检测单个电能 表上的相电压、相电流、功率因数是否越限或判断电量增值是否符合自身的规律 来确定是否有故障发生；多表阈值检测是通过检测母线平衡率、线损、网损是否 越限检测是否有故障发生。利用从多个电度表上获得的同一时刻的功率，求出母 线平衡率，若母线平衡率在计及母线自身的电阻损耗后，仍然不在正常范围之内， 且此状况持续两个周期以上，则有理由认为与此母线连接的电能表计量不准确， 即有故障发生。 1 1 3 有功计量和无功计量 由于电力电子设备的广泛应用，只计量有功电能】洲已经无法满足实际的要 求，因此还需要对无功电能计量圈陶。三相三线二元件有功电能表防窃电技术这 篇文章论述了当前我国电能的多种计量方式，然而其中存在一些防窃电方面的漏 洞。尤其对大中电力用户的计量，由于采用了电流互感器交流，人为造成计量系 统故障如电流互感器短路难以检测，并且目前市场上尚没有有效产品和成熟技术 能检测这一故障。在分析电流互感器短路故障的基础上，剖析其它故障方式，总结 出新的检测方法。文献 2 5 】 2 6 阐述了正弦和非正弦无功电能计量理论。目前对 正弦电路无功功率的定义和无功电能计量方法有了比较完善的理论，由于非正弦 电路无功功率定义的局限性以及非正弦电路无功电能表标准相对缺乏，因此目前 在实际中电力部门往往只注重有功功率的计量，而忽略无功功率的计量。随着电 力电子元件的增多，这样的计量方式已经不能满足实际要求。电力系统运行时电 网向用户提供两部分能量：用于能量单向转换的有功电能和用于能量交换的无功 电能，无功电能在电网中流动不仅要占用电网，而且还会引起电压变化，功率损 第6 页河南大学研究生硕士学位论文 耗。因此电力用户从电网吸取以及向电网传送的无功电能的大小也需要计量。其 实，近年来电力部门已经发现了这个问题，因此把无功电能的计量提上日程，并 不断完善计量方法，在计量无功功率特别是非正弦无功功率时采用了一些数学方 法，如变换法，傅立叶变换，希尔伯特变换，小波变换，神经网络等方法。 高压计量故障给电力企业带来的损失是巨大的，由于计量故障可能自然产生 也可能是人为造成的，无论什么方式造成的，都会使计量系统无法正确计量所用 电量。随着技术的提高自然产生的故障越来越少，然而却有很多工矿企业为了降 低生产成本，人为造成计量系统故障，这是防不胜防的。因此，下面讨论国内外 人为故障的现状以及防窃电的发展概况。 1 2 国内外高压电力计量系统故障及检测方法概况 1 2 1 国内人为故障概况 我国自改革开放以来，经济发展和社会进步都取得了举世瞩目的成就。随着 经济的发展，对电的需求量不断扩大，电力销售市场的扩大又刺激了整个电力生 产的发展。但是随着经济的发展和用电量的增大，尤其伴随着市场经济体系的建 立，因人为造成计量故障引起计量损失的问题变得越来越突出，供电企业乃至国 家为此蒙受了巨大的经济损失。电力计量故障问题不仅困扰电力企业的发展，也 严重影响了国家的经济建设和社会的稳定。 电力计量故障给国家造成的损失是巨大的。目前，国内因计量故障造成的经 济损失成每年递增的态势。以吉林省年售电量2 3 0 亿千瓦时为例，人为故障造成的 线损如果为一个百分点，就少计电量2 亿多千瓦时，折合人民币几千万元田】。据大 洋网2 0 0 0 年1 2 月5 日的湖南每年被窃电超过2 亿度新闻报道，湖南省电力局副 局长何兆成介绍，近年来湖南省每年仅被窃电量超过2 亿千瓦时，相当于一个中等 规模县的全年用电量。近几年湖南每年省电网销售的电量为3 0 0 亿千瓦时左右，实 际线损率为8 8 ，除去线路传输及设备损耗的5 ，其余部分都属于管理损耗即偷、 漏掉的电量。根据各市州供电部门不完全统计，其中人为计量故障超过2 亿千瓦时。 按照发、供电的最低成本每千瓦时0 2 4 元计算，电力部门每年因人为故障造成的 损失在4 8 0 0 万元以上。近两年湖南省每年都查出三、四千起由人为造成计量故障 的案件，而这里面“五小”企业占了相当比重。 河南大学研究生硕士学位论文第7 页 据中国电力新闻网报道，美国加利福尼亚州最大的电力公司太平洋煤气和电 力公司2 0 0 1 年6 月1 1 日宣称，由于面临严重的电力危机，加州人为造成计量故障十 分惊人，该公司每年由于人为计量故障造成的损失超过1 亿美元。 据这家电力公司原负责人员霍华德迪安向新闻界表示，该公司每年因窃电 而遭受的经济损失在1 亿到4 亿美元之间。迪安还表示，美国全国都存在这样的现 象，每年造成的经济损失高达4 0 亿美元圆。 在欧美发达国家，窃电现象也普遍存在。防窃电技术也在不断地发展。从目 前来看，美国的u p c 公司可以代表发达国家当前防窃电技术的水平。u p c 公司( 寰宇 保护公司) 是美国一家专门从事防窃电产品开发、生产和销售的高科技公司。它生 产的用于减少非技术性损耗和防止窃电的产品已被美国和加拿大的各主要电力部 门所采用，同时，该产品还大量应用于巴西、中美州、哥伦比亚、厄瓜多尔i 秘 鲁、委内瑞拉等国家。 1 2 2 防人为故障概况 因为计量方式的不同，国内外防止人为故障的方法也不一样。但基本原理是 相通的。本论文将从国内外检测计量故障技术发展现状出发，进一步研究检测高 压计量系统故障的检测方法。 随着科技的发展，故障的检测方法也在不断进步网。 早期人们为了防止人为因素引起计量故障，对计量装置的紧固螺丝采用漆封 和腊封，这样当紧固螺丝被取下时，封就会被破坏，从而发现有人故意拆封。这 样的封很容易受环境、气候等方面的影响而自然脱落，因此给判断带来了困难， 目前已不再使用。 现在最普遍的防止人为故障的方法是铅封，铅封就是将电能表或计量柜的关 键部位的紧固螺丝用丝线、钢丝或铅钉穿上后，再用带有印模的专用封钳将铅球 或铅钉压上印模。长期以来，铅封对防止计量装置被人有意开启起着十分重要的 作用。它有效地防止了简单窃电行为的发生，但是也经常发现有伪造或开启后复 原的情况。铅封仍是目前普遍采样的防止人为故障的措施。 八十年代，我国又研制开发了计量专用配电柜，把与计量有关的设备全部集 中安装在此柜中。很多电力部门为了防止人为故障，把整个计量系统的二次回路 封装在铁箱内，有的甚至还采取了智能防窃电措施【姗。 第8 页河南大学研究生硕士学位论文 近年又推出了各种各样的监测故障的电能表。目前针对上述几种故障已有的 监测方式又有哪些呢? 除了上面所述的一些人工的办法检测错接线或故障的发生 外，电业部门还利用一些监测电能表来达到监测故障的目的。人们己开发出各种 监测故障的电能表，并已申请多项技术专利。有的在机械方面作了改进，有的在 电磁方面考虑监测故障，更多的应用了现代电子技术。市场上先后开发的“掉电 计时仪”，“失压欠流计时仪”、“低压计量装置故障诊断仪”、“防窃电电脑 监测系统”、“智能型高压电能表错接线判定仪”等几十种产品。但由于产品自 身的原因，使用并不广泛。其中“掉电计时仪疗、“失压欠流计时仪”是试图解 决电流型故障的两种产品，生产厂将电流监测值规定为0 或3 ，。、3 0 ，b 。比如 规定电流监测值为0 的情况，当电度表输入电流为零时，计时仪便判为窃电而予以 计时。这样用户不用电时也被判为窃电，用户当然不能接受【3 l 】。对短接计量电流 回路( c r 或电能表线圈) 和破坏电能表计数器方式，目前只有采取加强铅封管理和 强行封锁计量箱的方法，这在一定时间内能够起到一定的作用。后几种仪器基本 上属于装置或系统，其体积大、价格高，只适用于电力部门检查和抽测，而不宜 于长期在线监测量大、面广的各种电度表工作状态。加之这些仪器大多数又缺乏 自身防护能力，无人值守时杜绝不了窃电者在其本体上动手脚。例如河南电力试 验研究所研制的z d p 一1 智能型高压电能表错接线判定仪【3 2 】，这种判定方法的实质 是采用双计量回路( 或模拟比较回路) 来判断是否出现错接线。具体来讲，即在回 路中串入或并入专用检测电路采集电量信息，与电能表计量的电量信息相比较， 如果结果不相符即判为错接线。虽然这种方法可以快速反映用户错接线发生的时 间，利于供电部门及时采取措施，减少经费损失。但是供电部门只有在发现了故 障后，再测量接线回路，并存在上述一系列缺点，故并没有得到广泛应用。目前 尚无在线监测的办法来长期监测这种故障的发生。在文献1 3 1 中，作者分析了四 种能监测故障的单相电度表和一种三相监测故障仪的线路功能是否能完全监测故 障的发生，还提出了监测故障仪器的设计及加强对其管理的建议。 失压记录仪是从计量回路取得工作电源，当使用电流小于一定值时( 标称值 为0 2 5 a ) ，失压记录仪便停止工作。负荷一旦比较小或c t 分流时，失压记录仪根 本就不能工作，无法起到失压记录和监测故障的作用。新型的失压记录仪中增加 了断流记录功能，这对监测故障没有任何意义，因为断流包括正常没有负荷状态、 短接计量回路电流互感器二次测线圈( 理想状态) 、短接失压记录仪电流线圈等。 ；- 3 南大学研究生硕士学位论文第9 页 记录的断流时间也不能说明任何问题，即使记录了断流累计时间，用户也可以解 释为停产无负荷【3 3 】【3 4 1 。 已经推出的监测故障电能表虽然很多，但1 9 9 7 年8 月份，电力部门有关领导， 曾对中国机械行业名牌产品评定委员会仪器仪表评审组发出相同的急切呼吁：“你 们机械工业部能不能组织攻关，解决电能表的防窃电问题”【3 l 】。这说明了什么? 不是没有相关的产品，近几年国内先后推出了一些具有监测故障功能的单相电能 表，多功能三相电能表，也取得了一些很好的效果。但这些产品的监测故障功能 存在着共同的缺陷，难以监测所有的计量故障，尤其是对电流互感器的开路短路 无法准确判断，不仅如此，很多监测故障的电能表的功能存在问题【3 5 那l ，如“采 用矢量分析检测非法窃电自动检测装置”、“单相多功能防窃电、防触电电能表” 这些装置曾经见于国内较大的科技刊物，还有的来自厂家散发的产品简介。但通 过该文献的分析得知，这些装置在监测故障方面有很大的漏洞，所述的功能根本 无法达到，甚至有的需要一些前提条件。 如何有效防止这些故障的发生，保障国家电力部门的利益，是摆在科技人员 面前的一个重要课题，当前市场上出现的监测故障仪表种类繁多，但没有一种产 品能有效地监测所有故障，究其原因，一是以偏概全，将能监测部分故障的产品 夸大成多功能监测故障产品，并且这类产品漏了若干主要故障的监测，自然难以 推广。二是性价比差，采用网络化，故障监测效果好，但操作不便，价格昂贵， 而且这类产品也存在无法解决电流型故障的问题。 除了利用一些具有监测故障功能的电能表来监测故障外，也可以利用负荷管 理系统监测故障。这种方法在国内的应用已经相当普遍。人为故障发生比较多的 地区，对如何利用负荷管理系统防治窃电进行过广泛的研究。防窃电技术方案从 简单的模拟量分析、负荷曲线对比，发展到电量曲线对比，方案日趋成熟，并取 得良好的应用成果。负荷管理终端能实时监测用户的计量电表信息，把从监测故 障模块和电能表获取的用户电量数据传回主站，将两条曲线显示在同一个画面上， 根据曲线数值差距和趋势差异，判断用户用电是否正常。一旦发现有异常，则需 要对其他信息进行不问断地监测，并将监测的数据进行综合分析判断是否有窃电 嫌疑 3 7 1 。 第1 0 页河南大学研究生硕士学位论文 1 3 选题意义和研究内容 1 3 1 选题的意义 世界工业发达国家把计量检测、原材料、工艺装备视为现代工业生产的三大 支柱。电力营销人员只有凭借可靠的电能计量数据实现发电与供电，购电与售电 的最小差值才能保证电力企业的安全、可靠、经济运行，才能保证电力企业及市 场的健康发展，否则电力企业乃至国家将蒙受巨大的经济损失。所以供电部门不 仅需要提高供电质量更要准确计量所发出的电量。 电能的计量尤其高压电力计量系统的正确计量在用电量越来越大的今天就显 得尤为重要。该系统由电压互感器、电流互感器、三相电能表以及连接它们的二 次导线组成，它的任何一部分出现故障都不能对用户所用电量正确计量甚至使整 个计量系统瘫痪，这是绝对不允许的。因此研究计量系统故障以及检测方法非常 必要 近些年来电力部门对三相三线制计量系统的多种故障形式进行了分析，但有 些故障如电流互感器短路故障的检测方法在实际应用中几乎是空白，由于这种故 障的本质是电力线路上的电流不完全经过互感器到二次侧进行计量，故障发生较 为隐蔽，不易察觉。因此对电流互感器一、二次侧短路以及二次相间短路故障分 析，并提出相应的检测方法或者建立故障检测模型就显得非常重要。 1 3 2 研究内容 本文在对高压电力计量系统某些故障分析的基础上，提出相应的故障检测方 法。三相高压有功电能的计量采用经电流互感器和电压互感器的三相二元件电能 表来计量，因此高压电力计量系统的任一部件出现故障或者它们的接线不正确都 将导致计量不准确，甚至使整个计量系统瘫痪。本文着重对电流互感器一、二次 侧短路故障进行分析，建立了故障检测模型并用计算机仿真证明了该模型对故障 检测的有效性。除了对上述两种目前研究较少的故障研究外，还对电流互感器二 次相间短路以及极性反接的计量特点进行分析，从而提出电路简单，需要测量参 数少的检测方法，弥补了这方面检测方法较少的不足。最后对电压互感器二次回 路断开分析，给出了检测电路和检测原理。 河南大学研究生硕士学位论文第1 1 页 1 4 本论文的主要工作安：j = - i 第1 章首先，介绍了不同电压等级用户的电能计量方式；其次，由高压电 力计量系统组成出发给出该系统的故障类型以及故障检测方法；再次，分析 了该系统故障尤其人为故障现状以及防窃窀现状；最后，在上述分析的基础 上提出本课题研究的意义以及本论文的主要内容： 第z 章介绍了高压电力计量系统的主要构件：电压互感器、电流互感器以 及电能表的工作原理、误差、选择标准、接线方式的一些基本知识； 第3 章对高压计量系统的电流互感器一次、二次短路故障进行分析，建模， 并给出检溺电路，仿真结果证明了该模型检测这种故障的有效性，从两解决 了电流型窃电检测的难题；。 第4 章对高压计量系统的电能表缺相以及欠压故障进行分析，并分析这两 种故障的几种常用检测方法。在对电流互感器二次回路相间短路和极性反接 故障分析的基础上，提出根据两相电流的相位关系判断故障的检测方法，该 方法不仅可以判断故障的发生面且还可以分辨故障的类型。该方法检测电路 简单，易于实现。 1 5 本章小结 首先，介绍了不同电压等级用户的电能计量方式；其次，由高压电力计量系 统组成引出该系统的故障类型以及敌障检测方法；再次，分析了该系统故障尤其 人为故障现状以及防窃电现状；最后，在上述分析的基础上提出本课题研究的意 义以及本论文的主要内容。 第12 页河南大学研究生硕士学位论文 2 1 电力系统 第2 章基础知识 电力系统由生产、输送、分配、消费和计量等环节构成。因为电能是一种商 品，就需要对发出或者消费的多少进行计量，还有其既定的价格，这样电能才能 成为真正的商品，真正的做到公平1 3 s - 3 9 1 。电力系统的结构简图如2 - 1 所示。 1 l o k 矿 图2 - 1 电力系统结构框图 2 1 1 电力系统的接线方式和电压等级 1 ) 电力系统接线方式 尽管现实生活中电力系统接线往往十分复杂，却可将它们看作是若干个简单 系统的复合。简单系统大致可分为无备用和有备用两种，无备用接线包括单回路 放射式、干线式和链式网络；有备用接线包括双回路放射式、干线式、链式以及 环式和两端供电网络，两者之间的区别在于无备用接线简单、经济，运行方便， 缺点是供电可靠性差，而有备用接线优点是供电可靠和供电质量高，缺点是不够 经济。 2 ) 电力系统的额定电压等级 近代电力系统中，各部分电压等级之所以不同，是因为三线功率s 和线电压u 、 河南大学研究生硕士学位论文第13 页 线电流，之间的关系为s = j 折考虑到现有的实际情况和进一步发展，我国国 家标准规定的标准电压( 又称额定电压) 如表2 - i 所示。选择电力线路电压时只能 选用国家规定的电压等级4 2 】。 用电设备额定交流发电机线变压器线 电压 线电压电压 一次绕组二次绕组 33 1 53 及3 1 53 1 5 及3 3 66 36 及6 36 3 及6 6 1 01 0 51 0 及l o 51 0 5 及1 1 1 5 7 51 5 7 5 3 53 5 。 3 8 5 ( 6 0 )( 6 0 )( 6 6 ) 1 l o 1 1 01 2 1 ( 1 5 4 )( 1 5 4 ) ( 1 6 9 ) 2 2 0 2 2 0 2 4 2 3 3 0 3 3 03 4 5 及3 6 3 5 0 0 7 。 5 0 05 2 5 及5 5 0 2 1 2 电能生产、输送、消费的特点 电能也是商品，和其他商品一样，也有其生产、输送和消费。但电能以及生 产、输送和消费有极其明显的特殊性。 1 ) 电能与国民经济各部门之间的关系都很密切 由于电能与其它能量之间转换比较方便，宜于大量生产、集中管理、远距输 送、自动控制，使用电能较其他能量有显著优点，各部门都广泛使用电能。电能 供应的中断或减少将影响国民经济各部门 2 ) 电能不能大量储存 电能的生产、输送和消费实际上是同时进行的，即发电设备任何时刻生产 的电能必须等于该时刻用电设备消费与输送中损耗电能之和，而且这一数值还 随时间不断变化。 3 ) 生产、输送和消费各个环节所组成的统一整体不可分割 第14 页河南大学研究生硕士学位论文 由于电能不能大量储存，必须保持生产、输送和消费的连续性。 4 ) 对电能质量的要求颇为严格 电能质量的好坏指电源电压的大小、频率和波形能否满足要求。电压的大 小、频率偏离要求值过多或波形因谐波污染严重而不能保证正弦时，都可能导 致产生废品、损坏设备，甚至大面积停电。因此，对电压大小，频率的偏移以 及谐波分量都有一定的限额。电压质量和频率质量以偏离是否超过给定值来衡 量，例如给定的允许电压偏移为5 ，给定的允许频率偏移为0 2 0 5 h z 等。波形质量则以畸变率是否超过绘定值来衡量。所谓畸变率，是指各次谐波 有效值平方和的方根值与基波有效值的百分比。给定的畸变值常因供电电压等 级不同而异，例如，i o k y 供电时为4 。而且，由于系统工况时刻变化，这些 偏移量和谐波分量是否总在限额之内，需经常监测。 2 2 三相电路 三相电路是由三个频率相同，振幅相同，相位相差1 2 0 。的正弦电动势作为供 电电源的电路1 4 3 1 。 2 2 1 三相电路的瞬时值和向量表示 。a 相电压瞬时值和向量值表达式：u 。( t ) = 4 2 u c o s c o t ，以= u z o 。 b 相电压瞬时值和向量值表达式：= 至d c o s ( 耐一1 2 0 。) ，以= u z 一1 2 0 c 相电压瞬时值和向量值表达式：甜c = x 2 u c o s ( c o t + 1 2 0 。) ，以= u z l 2 0 。 2 2 2 三相电路的特点以及相序 对称三相电源的特点： i “+ “口+ c = 0 【叽+ + c ，c = 0 对称三相电源的相序 三相电源中各相电源经过同一个值( 如最大值) 的先后顺序 正序( 顺序) ： b _ c a 负序( 逆序) ：a - 吒b 一 河南大学研究生硕士学位论文第1 5 页 b a c c b 相序的实际意义：对三相电机来说，相序反了，电机就会倒转。 2 3 电压互感器 2 3 1 电压互感器的工作原理 a 1 ) 在电测量中，测量器具有时无法对被测电压或电流直接测量，这时需要先对 电压或电流进行变换，再进行测量。互感器就具有这样一种交换作用。互感 器除了具有变换的作用外还具有以下优点： 由于互感器对变换前后隔离的结构，以及良好的绝缘性能，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：如电压互感器为1 0 0 v ，1 0 0 4 3v 电流 互感器为5 4 ，1 爿等：从而使数十伏到数百千伏的电压，数十毫安到上万安的 电流经过互感器变换后，进行测量的仪表量程统一为简单的几种，大大减少 了仪表的生产和使用： 当电力线路发生故障，出现过电压和过电流时，由于互感器铁心趋于饱和， 其输出不会成正比增加，能够对测量仪表、二次设备起到保护作用。 因此，测量互感器在电力系统中的应用非常广泛 电压互感器的工作原理 电压互感器( p 1 ) 的结构相当于一台降压变压器，它与变压器的区别有两点：一 是电压互感器对电压变换的比例以及变换前后的相位有严格的要求，而降压变压 器对这些要求不高；二是前者主要传输被测量的信息，即电压的大小和相位；后 者主要用于传输电能或进行阻抗变换洲。 电磁式电压互感器的一次绕组l 连接于高压电力线路，二次绕组2 连接测量 仪表，因此，一次绕组1 的匝数远远多于以。单项电