三相智能电能表的构造、测量原理与接线详解

(1)智能电能表的作用原理

智能电能表采用了当今世界上最先进的电能表专用集成电路、永久保存信息的不挥发性存储器、标准RS485 通信接口、红外通信、汉字大画面超扭曲宽温液晶显示、国际标准IC卡等先进技术,采用了当代SMT 电子装配新工艺,是按IEC 标准制造的换代型电能表。

智能电能表实现了有功双向分时电能计量、需量计量、正弦式无功计量、功率因数计量、显示和远传实时电压、电流、功率、负载曲线等,且可按电力部门标准实现全部失压、失流、电压合格率记录、报警、显示功能,可有效杜绝窃电行为,从而满足对用户进行现代化科学管理的要求。 该电能表可根据用户需求安装GPRS 模块(内置或外配)、无线模块、GSM 模块,解决远程抄表通道,以扩展其功能。

1)工作原理

智能电能表利用电子电路/芯片来测量电能,其原理如图1.22 所示。

图1.22　三相智能电能表工作原理(以三相四线表为例)

智能电能表利用分流器或电流互感器将电流信号变成可用于电子测量的小信号,用分压电阻或电压互感器将电压信号变成可用于电子测量的小信号,再利用专用的电能测量芯片将来自电压互感器、电流互感器的模拟信号转换成数字信号,并对其进行数字积分运算,然后输出频率与电能成正比的脉冲信号,脉冲信号被送到微计算机处理后进行液晶显示。

2)功能简介

①电能表的线路设计和元器件的选择以较大的环境允许误差为依据,因此可保证整机长期稳定工作;精度基本不受频率、温度、电压变化的影响;整机体积小,质量小,密封性能好,可靠性较其他同类产品有明显提高。

②当电网停电后,锂电池作为后备电源,提供停电后表内电量的显示读取,并保证内部数据不丢失,日历、时钟、时段程序控制功能正常运行,来电后自动投入运行。 在电能表端钮盒上设置有光电耦合脉冲输出接口,以便进行误差测试和数据采集。

③电能表运行信息可由手持电脑、RS485 接口、国际标准IC 卡3 种媒介传输,电力部门可根据本地区具体情况自行选择一种或多种传输方式。

④为方便用户现场更换电能表,使用表中特有的复印功能,可以方便地将被更换表的所有信息复印至更换后的电能表上,安全可靠,简化了用户更换电能表的工作程序,提高了工作效率。

⑤电能表适合的环境温度为-25 ～60 ℃,相对湿度不超过85%的地区。

3)规格和主要技术参数(表1.3)

表1.3　智能电能表的规格

4)计量功能

①电能计量。

a.记录、显示当前、上月及上上月的正反向有功、无功累计总电量。

b.记录、显示当前、上月及上上月的正反向有功尖电量、峰电量、平电量。 谷电量及用户要求的更多费率电量。

c.可分别记录、显示任意两象限无功电量绝对值之和。

d.可分别记录、显示当前、上月及上上月的A 相、B 相、C 相正反向有功累计总电量。

e.电量计量值为六位整数、两位小数,单位为kW·h、kvar·h。

②需量计量。

a.记录、显示本月、上月及上上月总的正反向有功、视在总最大需量及该需量出现的日期、时间。

b.记录本月、上月及上上月尖、峰、平、谷各时段的有功最大需量或用户提出的更多费率需量及该需量的出现日期和时间。

c.随机显示当前需量,真实反映当前负载状况。

d.电能表运行到预置抄表日零点(可设为0 ～23 点),最大需量自动抄表后清零,也可由授权人手动抄表后清零。

e.需量计量值为两位整数,四位小数,单位为kW、kV·A。

③电压、电流、功率计量。

a.实时显示A、B、C 三相电压、电流值。

b.实时显示总、A、B、C 相有功、无功功率值。

c.可记录36 天(整点记录,时间间隔可设为1 ～100 min)负载曲线(A、B、C 相电压、电流和有功总功率),也可按用户要求增加记录天数。

④功率因数计量。

a.记录、显示本月、上月及上上月的平均功率因数值。

b.随机显示当前15 min 的功率因数值。

5)失压、失流报警、显示、记录功能(www.xing528.com)

①失压。 当电流I≥5%Ib 时,三相电压中任意一相(两相)失压或低于额定电压的78% ±2 V时,电能表判定为故障失压,电能表声光报警、显示故障相别、该相失压累计时间(单位：h),连续失压超过1 min,启动内部失压记录程序,记录本次失压相别、失压累计时间、失压累积次数及故障期间失压相的安培小时数与额定电压乘积所得电量;当失压电压恢复到额定电压的85% ±2 V 时撤除失压报警,恢复正常显示和计量。

当三相电压失压时,电能表无显示,此时若电能表有电流信号且I ＞10%Ib 时,电能表判定为故障失压,电能表记录本次失压相别、失压累计时间、失压累积次数;当电压恢复时可以显示以上记录。

②失流。 当DSSD22 型三相三线电能表同时满足：

实际电流不平衡率=[(最大相电流-最小相电流)/最大相电流] ×100%≥不平衡电流设定比值(用bph表示)

电流低限=(任意相电流/In) ×100%≥设定比值(用dLd 表示)式中In 为互感器二次额定电流。

以上两条件满足时,电能表失流报警,同时记录失流次数、时间、故障电量等。 当bph设置为100%时,不对失流进行考核。

③电压越限报警、显示、记录功能。 可按月记录电能表总运行时间以及A 相、B 相、C 相电压超越上限和下限时间。 超限时电能表会声光报警。

④超负载报警功能。 该电能表具有预置超负载报警功能。 当电能表超过预置负载值5 min后,电能表声光报警提示用户尽快降负载。

⑤电网参数记录功能。 电力部门可根据用户的用电情况,将用户的用电负载连续记录下来,画出负载曲线,以便于更合理地进行用电管理。 由授权人设置月电网参数记录间隔时间(间隔时间可设定为1 ～100 min)后,表计将自动对三相平均电压、电流和功率整点记录。当时间间隔设定为60 min 时,记录时间为36 天;当时间间隔设定为30 min 时,记录时间为18 天,以此类推,最小间隔时间为1 min;电力部门也可按用户要求增加记录天数。

⑥事件记录功能。 记录最近一次清零、最大需量清零、编程、最近5 次失压事件出现和恢复时间及最大需量清零次数和编程次数;也可按用户要求增加记录次数。

⑦远方编程、抄表功能。 根据用户需要,电力部门可利用电能表中标准RS485 接口和6路脉冲输出接口,通过负控端、市话网、移动通信网以及其他传输形式组成远方抄表管理系统,实现电力部门营业抄表、负载监控等远动控制、接口通信协议和数据结构符合《多功能电能表通信规约》(DL/T 645—2016)、《电力负荷控制系统数据传输规约》(DL 535—1993)(适用加装GPRS 通信模块)标准;也可按用户要求制作其他形式的通信规约。

⑧停电抄表功能。 在电网停电的情况下,按动#3 按键使液晶显示,即可实现停电抄表,也可按用户要求实现无接触式红外唤醒抄表。

⑨复印功能。 该电能表具有独特设计的复印功能,轮换表时可用复印卡将旧表上所有的信息转换至新表上,方便电能表的编程和轮换。

⑩远方控制功能(仅适用于GPRS 通信模块电能表)。 该电能表通过GPRS 移动通信网可对用户用电情况实施全天候的监测,当发现电能表任何不正常情况时,立即在系统界面上显示该电能表异常信息,促使供电部门进行检查,甚至输出2 路控制信号实施远方控制报警、拉闸、断电等操作。

(2)测量原理

在三相三线电路中,通常采用“两表法”测量电路的功率。 其测量原理如下：

三相三线电路中有

将iV = -iU -iW 代入三相功率p=uUiU +uViV +uWiW 表达式中,得

所以可以用两块功率表,一块接uUViU,另一块接uWViW,所测功率之和便为三相总功率。同理可证明用两块功率表,一块接uUWiU,另一块接uVWiV;或一块接uVUiV,另一块接uWUiW,也可以测量三相总功率,即“两表法”测量三相三线电路的功率有3 种接线方式,如图1.23所示。

因为电能表接线与功率表相同,该方法同样适用于测量三相电能,所以三相三线有功电能表是两元件的,当其测量接线按图1.23 中的任意一种接线方式接入被测电路时,在三相三线有功电能表的计度器上可直接读出被测三相电路的总电能。 我国生产的三相三线有功电能表均采用图1.23(a)中的接线方式。

①原理接线。 图1.24 为高压三相三线电能表经V/V 接线的电压互感器和两个电流互感器的接线。 这是三相三线电能表常用的接线方式,用于计量中性点非直接接地高压三相三线系统中的有功电能。 因为是高压,所以电流互感器二次侧必须接地。

接线说明：

a.高压三相三线有功电能表经电压、电流互感器接线多用于中性点非直接接地系统,如10 kV、35 kV 系统。 其中电压互感器采用两台单相按V/V 接线方式接线;U、W 两相电流互感器采用分相接线方式。

图1.23　三相三线有功电能表接线原则

图1.24　高压三相三线电能表经电压、电流互感器接线

b.电能表有7 个接线端,其中1、5 端分别连接U、W 两相电流互感器二次侧极性端,3、7端分别连接U、W 相电流互感器二次侧非极性端。 2、4、6 3 个端子分别与电压互感器二次侧U、V、W 相连接。

②三相三线有功电能表与互感器二次回路通过联合接线盒接线。 电能表的联合接线是指在电流互感器或电流、电压互感器二次回路中同时接入电能表以及其他有关测量仪表(失压记录表、最大需量表等)。 联合接线盒的作用：可以实现带负荷现场校表及带负荷现场换表。

联合接线盒的原理图如图1.25 所示,1、5、9、13 端分别为U、V、W、N 电压接线端子排;2、3、4 端为U 相电流接线端子排;6、7、8 端为V 相电流接线端子排;10、11、12 端为W 相电流接线端子排。 联合接线盒实图正反面如图1.26 所示。

当现场校三相三线有功电能表时,一般是采用标准电能表法。 可先将标准表的U、W 相电流元件分别接于2、3 短路片间和6、7 短路片间(注意标准表极性),然后将两个短路片断开,标准表的U、W 相电流元件便分别与被校表U、W 相电流元件串联了。 再将标准表的U、V、W 3 个电压端子连接到1、5、9 电压接线端,则标准表的电压元件便与被校表的相应电压元件并联了。

图1.25　联合接线盒原理图

图1.26　联合接线盒正反面实图

又如现场换三相三线有功电能表时,可将3、4 间短路片和7、8 间短路片分别短接,将1、5、9 电压接线连片断开,被换表即退出运行。 换上新表,接好表线后,再将3、4 间短路片和7、8 间短路片分别断开,将1、5、9 电压接线连片连好,即完成了带负荷换表。