电力计量装置异常原因分析及监测探讨陈海涛

电力计量装置异常原因分析及监测探讨陈海涛

陈海涛

深圳供电局有限公司广东深圳518000

摘要：系统的动态管理可以降低成本并防止电力计量装置故障。需要能量分计量来理解和管理主电源能耗。它还有助于识别通常由有缺陷的设备或低效的设施使用（例如，不适当的照明，加热或空调）引起的能量浪费。电功率测量提供反映负载行为的全面信息。与传统传感器相比，它通常可以更快地检测异常行为，如温度、压力、振动等。对这些电气参数的分析甚至可以预测故障，从而可以规划有效的预测性维护。

关键词：电力计量装置；异常；监测

电力计量装置用于测量、记录和检测电力质量问题，如谐波、浪涌和电力瞬变。一些电能质量应用包括：电力系统数量的测量和记录（kW，VA，VAR）；确定源或负载产生的谐波问题；监控相位平衡；配电盘和单个机器的故障排除；电机启动分析。电力计量装置在应用过程中也会出现一些异常情况，本文对这些异常原因进行了分析，并介绍思考了电力计量装置异常的检测设备。

1.电力计量装置现存问题及处理措施

1.1脉冲瞬态

脉冲瞬态是突然的高峰事件，其在正方向或负方向上升高电压和/或电流水平。这些类型的事件可以通过它们发生的速度（快速、中速和慢速）进一步分类。脉冲瞬态可以是短期持续时间（小于50ns）的非常快的事件（从稳态到脉冲峰值的5纳秒[ns]上升时间）。

脉冲瞬变的原因包括闪电、接地不良、感应负载切换、公用事业故障清除和静电放电（ESD）。结果可能包括数据的丢失（或损坏），也可能是设备的物理损坏。在这些原因中，闪电可能是最具破坏性的。由闪电产生的电磁场可以通过将电流感应到附近的导电结构上而导致大部分潜在的损坏。脉冲瞬态现象的发生可以通过五种方式来进一步抑制，第一种是使用相关的滤波器和吸收器；第二种是减小印制线路板的地线共阻抗值；第三种是将其远离敏感的电路；第四种是在正确使用接地技术；第五种是合理布线，将强电、弱电等分别绑线，将输入线和输出线尽量接短。

1.2振荡

振荡瞬态是信号电压、电流或两者的稳态条件在正和负信号限制下的突然变化，在自然系统频率下振荡。简单来说，瞬态导致功率信号交替膨胀然后非常迅速地收缩。振荡瞬态通常在一个周期内衰减到零（衰减振荡）。当关闭电感或电容负载（例如电机或电容器组）时会发生这些瞬变。由于负载抵抗变化，因此产生振荡瞬态。

在关闭旋转电动机时，它在发电时作为发电机短暂起作用，从而产生电力并通过配电发送。当电源接通或断开时，长的配电系统可以像振荡器一样工作，因为所有电路都具有一些固有的电感和分布的电容，这些电容会以衰减的形式短暂地通电。当振荡瞬态出现在通电电路上时，通常是因为公用事业开关操作（特别是当电容器组自动切换到系统中时），它们可能对电子设备造成很大的破坏。与电容器切换及其振荡瞬态相关的最公认的问题是可调速驱动器（ASD）的跳闸。相对较慢的瞬态会导致直流链路电压（控制ASD激活的电压）上升，从而导致驱动器脱机跳闸，并指示过压。

这种现象的发生主要是因为负载抵抗的变化和可调速驱动器的跳闸等，其中电容器跳闸的常见解决方案是安装线路电抗器或扼流圈，通过这两种方式可以将振荡瞬态抑制到可控制的水平。这些电抗器可安装在驱动器前面或直流链路上，可作为标准功能或大多数ASD的选件提供。而另一个电容器开关瞬态问题的解决方案是采用过零开关，当正弦波的电弧下降并达到零电平（在其变为负值之前）时，这被称为零交叉。电容器切换引起的瞬态将越大，转换发生的距离越远。正弦波的过零时间。过零开关通过监视正弦波来解决这个问题，以确保电容器切换尽可能接近正弦波的过零时序。根据具体的问题来采取合理的措施可以进一步保障其工作的正常开展。

1.3中断

中断的原因可能有所不同，但通常是某种类型的供电网损坏的结果，例如雷击、破坏性天气（大风、大雪等）、设备故障或基本断路器跳闸。虽然公用事业基础设施旨在自动补偿其中许多问题，但并非绝对可靠。可能导致商用电力系统中断的一个更常见的例子是公用设施保护装置，例如自动电路重合器。重合器确定大多数中断的时间长度，具体取决于故障的性质。重合器是公用事业公司用于感测公用设施基础设施中的短路电流上升以及在发生这种情况时切断供电的设备。因为导致中断的影响因素是很多的，故需要根据实际的情况来做出合适的选择。相关部门需要加大对于这些设备的保护投入力度，前期施工质量的保障，后期维护保养工作的定期开展，这可以在一定程度上减少它们破损的程度。

2.电力计量装置异常检测设备

2.1电流互感器/电流传感器

电流互感器（CT）有助于测量交流电流，它根据电磁感应的原理将一次测大电流转换成二次侧小电流，它可以保障有线路的电流全部流过，同时二次绕组匝数比较多可以串接在测量仪中，这使得它的工作状态是接近短路的，这使得检测的数据更加准确。CT提供了一种将大的主（输入）电流缩放为更小，可管理的输出（次级）电流的方法，用于测量和仪器。CT使用导体周围的磁场强度在其次级绕组上形成感应电流。这种间接接口方法便于安装，并在初级电路和次级测量电路之间提供高水平的隔离。CT是一种“仪表变压器”，设计用于在其次级电流中提供电流，该电流与其初级电流中的电流精确成比例。当测量额定电流（30A或50A）时，一些电流互感器产生333mV的交流电压。某些传感器在额定值下产生5VDC输出或20mADC电流输出。

电流传感器的一些关键要素是：（1）精度：在大多数应用中，测量精度直接影响整个系统的效率。功率计算的准确性取决于电流传感器的精度。1级功率计需要电流传感器，其精度远高于1％。（2）漂移：传感器的漂移与读数随时间的持续性有关。其特性的某些变化可能是由环境湿度和温度的变化，部件老化等引起的。（3）线性度：传感器的线性度是指在完整工作模式下其特性的稳定性。模拟传感部件的高线性度对于精确测量宽范围的初级电流至关重要，尤其是在低电流水平下。（4）相移：真实有功功率或能量计算的精度不仅与交流电流和电压传感器在幅度方面的准确度和线性度有关，而且与这些相关测量值之间可能发生的相移有关。（5）集成：由于自供电，CT不需要任何其他接线，而不需要与主电源监控单元的2线输出连接。典型的1-A和5-A或333-mV输出与市场上大多数标准功率计兼容。电流输出对干扰几乎不敏感，并且当需要长电缆将传感器连接到功率计时，电流输出优于电压输出。（6）价格：当需要精确的电流传感器进行三相功率测量时，传感器的价格非常重要。

2.2精密CT

功率测量系统通常实现非接触式电流传感器而不是分流器，因为后者导致功率损耗以及安装和安全问题。传统的实心电流传感器基于变压器的原理，意味着初级和次级绕组通过磁芯磁性连接。这些基本CT设计用于测量典型的50或60Hz范围内的正弦交流电流。固态电流互感器提供与线电流成比例的低电流电流输出，用于自动化和计量应用。

CT非常精确（最大误差0.3％），体积小，价格低廉。但是，必须关闭电源并且通常在断路器处打开电路，以便实心核心CT可以在电力线上滑动。安装后，必须重新连接电源线以关闭电路。然而，CT不适用于涉及现有机器和设施的电力监控的众多应用，其中在可能使用它们的所有地方改装固体核心传感器之前，必须关闭电源并断开电缆。如果需要服务中断，即使是短时间内（例如，停止生产线，电信或数据中心电源，某些核电站设备等）。精密CT因其检测的高准确性在工作中得到广泛的应用，它在使用的过程中保护了设备的安全性。

图1精密CT

2.3分裂式CT

分体式铁芯变压器适用于半永久性安装。它们由变压器组成，其中一个支腿可以打开或移除以放置在导体周围，然后用闩锁或一些其他类型的紧固件固定。它们可以安装在电气控制面板中，从而避免复杂的布线。远程监控有时在难以接近或恶劣的环境中运行的设备。分裂式变压器的优点在于它们可以在不受干扰的情况下改装成现场安装，这也是它最大的优点，因为这一点使其成为设计功率计的工程师的最佳选择。当需要添加监控和SCADA数据时，分体式或钳式CT可替代直接连接到变电站升级或改造应用中的测量或继电器CT。这种非侵入性方法可以更快地安装，而不会中断服务。软件的优化升级和其他变压器相比是有很大的优势的，一方面是保障工作的正常开展，另一方面体现其安全性。

2.4柔性或刚性罗氏线圈电流传感器

罗氏线圈是一种特殊缠绕的环形线圈，它也成倍电流测量线圈和微分电流传感器等，它是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，可以打开并放置在带有AC的导体周围。AC产生的交变磁场在线圈中感应出电压。该电压与导体中的电流变化率成比例。然后将该电压电子积分以提供模拟导体中的电流波形的输出电压。这个过程中，通过对于一个输出点啊信号进行积分的线路可以将输入电流较为真实的还原出来，这在一定程度上可以使得工作人员在工作开展中减少不必要的失误。罗氏线圈适用于测量高达数千安培的电流，对导体周围的定位不敏感，并且可以提供精确的相位响应。罗氏线圈的电感低于CT，因此采用非磁性磁芯材料，因此具有更好的频率响应。即使具有高初级电流，它也是高度线性的，因为它没有可能饱和的铁芯。因此，这种传感器特别适用于可承受高或快速变化的电流的功率测量系统。为了测量大电流，它具有体积小和易于安装的额外优点。总的来说，柔性或刚性罗氏线圈电流传感器受到的限制是极少的，它可以实时测量电流、相应的速度是极快的，也不存在饱和的问题，这使得相位误差的问题是基本没有的，工作人员可以对其进行很好的额控制来保护电路。

图2柔性罗氏线圈电流传感器

2.5钳式电流传感器

钳式电流传感器有多种型号和电流范围可供选择，带有直流或交流电压输出。夹式传感器易于使用：只需打开夹具并将其放置在其中一个载流导体周围。这些传感器非常适合临时安装，并且可以轻松地从一个站点移动到另一个站点，尽管它们比固定CT更昂贵。安装方便的特点可以极大程度上提高工作的效率，同时检测的质量也可以得到保障。

ADS8684和ADS8688均为16位数据采集系统，分别具有4通道和8通道模拟输入。每个模拟输入通道都包含一个过压保护电路，一个可编程增益放大器（PGA）和一个二阶抗混叠滤波器，可在输入信号进入4或8通道模拟多路复用器（MUX）之前调节输入信号。基于逐次逼近寄存器（SAR）架构，使用16位模数转换器（ADC）将MUX的输出数字化。整个系统可以实现500kSPS的最大吞吐量，并且可以在所有通道中实现。这些器件具有4.096V内部基准电压源，具有快速建立缓冲器和简单的SPI兼容串行接口，具有菊花链（DAISY）功能。这些器件采用5V单模拟电源供电，可以提供高达±2.5×VREF的真双极性输入信号。无论采样频率或所选输入范围如何，器件均提供恒定的1MΩ电阻输入阻抗。多通道精密模拟前端电路与高输入阻抗的集成以及采用5V单电源供电的精密ADC提供了简化的终端解决方案，无需外部高压双极性电源和复杂的驱动电路。

3电力计量装置异常监测方法分析

3.1监测状态量

对其状态量进行监测可以及时发现计量装置是否存在异常，主要是根据计量负荷的主要特征、负荷运行方式以及变化特点来对其实际的状态量进行判断。同时，也会利用线损率和用电量数据分析计量装置的状态来进行判断。工作人员可以通过系统中的线损耗率、母线工作时的不平衡损耗率是否超出了正常的范围进行判断，也根据电力系统中正常情况下，用户用电量出现异常现象来进行判断。如果这些方面存在问题则间接体现出电力计量装置存在问题。

3.2监测电压及电流

当计量装置处于异常运行的时候，电路中的电压和电流也会发生变化，故工作人员可以利用监测电压和电流来进行判断。在监测电压的时候，如果发生以下两种状况则表示其存在异常，第一是额定电压值的70%仍然是高于相电压的，三相电压的监测显示器不平衡电压较高，并且在30分钟内没有回复到正常的范围之内；第二种是在断路器或者是继电保护装置没有进行检修或者是分闸信息的时候，相电压值是明显高于限值的。在监测电流的时候，出现下面的三种情况则表示存在问题。第一是三相电流明显高于正常的范围并且在30分钟内未恢复正常；第二种是在短路保护装置正常工作下或者是没有出现分闸情况的时候显示电流是超出正常范围的；第三是相电流的实际变量是高于限定范围的。

4.结语

总的来说，本文对于电力计量装置的异常原因及其监测设备进行思考分析，电力计量装置在我们的生活中有着广泛的使用，它在一定程度上提高了电能的质量，对于我们的生活工作有着极大的帮助。电能质量监测可以减少设备停机时间和生产费用。通过了解电气环境以及设备对电能质量扰动的敏感性，将有助于发现更好的方法来提高电力计量装置运行质量。

参考文献：

[1]王亚.电力计量装置异常的监测方法及处理对策[J].中国高新技术企业.2014（21）：142-143

[2]朱东花.分析电力谐波对不同计量装置的误差影响[J].电子制作.2017（02）：93-94