三相三線電能表負電流的判斷和處理方法研究

尚婭 李為石 劉婭萍 饒玉貴 李夢姣

摘 要：在現(xiàn)場實際工作中會發(fā)現(xiàn)部分三相三線兩元件多功能電子式電能表液晶顯示屏顯示負電流（-Ia、-Ic），而負電流的產(chǎn)生可能會導致三相三線兩元件多功能電子式電能表少計甚至不計量。為使現(xiàn)場工作人員能正確分析判斷和處理三相三線電能表不同情況下的負電流，從而保證電能表正確計量，避免和用電客戶產(chǎn)生不必要的糾紛，同時也避免給用電檢查人員或計量人員帶來一系列煩瑣的追補電量工作，現(xiàn)從三相三線電子式電能表的現(xiàn)場接線圖和計量原理著手，分析電能表出現(xiàn)負電流的原因，通過數(shù)學公式推導得出三相三線電能表在無論接線正確與否的情況下A相或C相負電流所具有的特性，最后結合理論知識和實際工作，分別給出不同情況下三相三線電能表出現(xiàn)負電流的判斷標準和處理方法。

關鍵詞：三相三線電能表;負電流;功率因數(shù);錯誤接線;無功補償

中圖分類號：TM933.4? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0024-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.007

0? ? 引言

隨著電網(wǎng)智能化建設的推進，電子式智能電能表作為貿(mào)易結算級別的電能計量設備，成為智能電網(wǎng)重要的數(shù)據(jù)來源。智能電能表在智能電網(wǎng)中不可或缺[1]，南方電網(wǎng)公司《10 kV用電客戶電能計量裝置典型設計》（Q/CSG 113006—2012）明確提出，315 kVA及以上用電客戶需采用三相三線多功能電子式電能表計量，采用高供高計的計量方式。

隨著用電客戶用電量的增大和技術的發(fā)展，三相三線多功能電子式電能表已經(jīng)廣泛應用于電力系統(tǒng)。電能表能否正確計量關系到廣大用電客戶和供電企業(yè)的利益，而目前大多數(shù)文獻只闡述了三相三線電能表出現(xiàn)負電流的原因，并沒有總結實際工作中該如何去區(qū)分及處理三相三線電能表負電流，所以正確判斷和處理實際工作中不同原因引起的電能表負電流是保證計量準確的首要任務，同時也是電能計量人員和用電檢查人員的必備業(yè)務技能。

本文將總結三相三線電能表因不同原因引起負電流時的負荷特性，并結合實際工作案例，分別給出如何判斷和處理不同情況下三相三線電能表負電流的方法，從而保證電能表正確計量，避免給供用電雙方帶來不必要的損失和糾紛。

1? ? 三相三線電能表電流進出線接反引起負電流

由圖1可知，當電流互感器極性接錯或電流互感器到接線盒、接線盒到電能表接線端子的二次電流進出線接反時會出現(xiàn)負電流。

這時只需認真核對電能表現(xiàn)場接線，使用用電檢查儀、三相電能表現(xiàn)場校驗儀，結合畫六角圖等方式即可判斷電能表出現(xiàn)負電流的原因，然后更正錯誤接線即可使電能表正確計量。這是最直觀也是最容易更正的導致三相三線電能表負電流的原因。

2? ? 無功補償不當引起電能表負電流

由圖1可以看出，三相三線電能表的接線方式是第一組電磁元件的電流線圈串接于A相，電壓線圈并接于A、B相間。第二組電磁元件的電流線圈串接于C相，電壓線圈并接于C、B相間[2]。由三相三線電能表計量原理圖（圖2）可知：

第一元件有功功率表達式為：

P1=UabIacos（30°+φa）（1）

第二元件有功功率表達式為：

P2=UcbIccos（30°-φc）（2）

2.1? ? 正確接線情況下A相負電流時特性

依據(jù)《多功能電能表通信協(xié)議》（DL/T 645—2007），在正確接線情況下，由于負載的性質(zhì)，標準的三相三線制智能電能表也會產(chǎn)生負電流。三相智能電能表顯示某相電流的正負主要取決于該相電流與對應線電壓的功率夾角，即負電流是電能表功率元件反映負功率的直接表現(xiàn)。

當（30°+φa）或（30°-φc）大于90°時，該相功率為負功率，在電能表上顯示-Ia或-Ic[3]，即三相三線兩元件電能表中，當某一元件計算功率為負值時，智能電能表會自動判斷該元件電流為負值[4]。

在接線正確的情況下，結合公式（1），當三相三線兩元件電能表滿足特性1：60°<φa≤90°，P>0、P1<0、P2>0、Q>0、Q1>0、Q2>0[5]時，電能表液晶顯示屏上A相電流顯示-Ia。

A相負電流實例舉證：

貴陽市白云區(qū)某用戶，容量1 000 kVA，采用20 kV供電、高供高計方式計量，電壓互感器的變比為20 000/100，電流互感器變比為40/5。

2019年12月27日，在工作人員確認計量裝置接線正確的情況下送電，送電成功后電能表顯示A相負電流，A相功率因數(shù)為0.057，即A相功率因數(shù)角為φa=87°，且電能表運行在第一象限，滿足特性1，所以預判是無功補償不當導致A相負電流。經(jīng)核查，實為補償柜未啟用，現(xiàn)場啟動無功補償柜后，負電流隨即消失，電能表顯示恢復正常。

2.2? ? 正確接線情況下C相負電流時特性

在接線正確的情況下，結合公式（2），當三相三線電子式電能表滿足特性2：C相功率因數(shù)角滿足-90°≤φc<-60°，0≤cos φc<0.5，P>0、P1>0、P2<0、Q<0、Q1<0、Q2<0[5]且電能表液晶顯示屏顯示C相功率因數(shù)為反向時，電能表液晶顯示屏顯示C相電流為-Ic。

C相負電流實例舉證：

貴陽市白云區(qū)某路燈管理所，容量為1 890 kVA，采用高供高計方式計量，電壓互感器的變比為10 000/100，電流互感器變比為150/5。自2017年10月上戶以來電能表一直顯示正常。

2019年12月，發(fā)現(xiàn)該戶電能表液晶顯示屏顯示-Ic，C相功率因數(shù)為0.053且顯示反向，可知φc≈-87°，即φc∈[-90°，-60°），電能表運行在第四象限，調(diào)取計量系統(tǒng)采集的負荷數(shù)據(jù)，顯示P>0、P1>0、P2<0、Q<0、Q1<0、Q2<0，滿足特性2，所以預判該戶電能表出現(xiàn)C相負電流的原因是功率因數(shù)補償不當。隨后到現(xiàn)場核查，發(fā)現(xiàn)該戶的無功補償柜自動補償功能已壞，客戶將無功補償改為手動且全部投切，現(xiàn)場讓客戶斷掉部分無功補償后，電能表顯示恢復正常。

因此，在接線正確的情況下，三相三線電能表A相長期顯示負電流的多為無功欠補償?shù)挠脩?，大多?shù)是用戶變壓器輕載、空載且沒有無功補償投入的情況。當變壓器輕載或空載運行時，雖然二次側有功功率輸出很小或沒有，但一次側仍會從電網(wǎng)吸收部分有功功率，以補償磁滯損耗、渦流損耗等漏抗，且其無功分量遠大于有功分量，因此會出現(xiàn)φ角大于60°的情況。

在接線正確的情況下，三相三線電能表C相長期顯示電流為負的多為無功過補償?shù)挠脩?。當變壓器輕載或空載運行時，如果用戶的無功補償裝置發(fā)生故障或未能按功率因數(shù)進行相應投切，就會發(fā)生無功過補償，此時φ角會小于-60°。以上兩種情況電能表總有功功率P都大于0[6]。

3? ? 空載或輕載運行引起電能表負電流

在線路空載熱備用運行過程中，線路對地和相間分布電容引起的容性充電電流是客觀存在的，可能導致負電流[7]。在空載情況下，由于功率因數(shù)極低，電能表液晶顯示屏會顯示某一相電流為負值。當用戶變壓器帶上負載后，功率因數(shù)逐漸增大，電壓和電流夾角緩慢減小，當功率因數(shù)增加到一定值后，電能表顯示屏上的負電流隨即消失[8]。

隨著技術的進步，現(xiàn)在的用電客戶大部分使用的無功補償柜都是帶自動補償功能的智能補償柜，但是實際工作中，有的時候運行狀態(tài)為空載或輕載，只靠無功補償柜來提高功率因數(shù)達到消除負電流的目的是不行的，必須提高負載才能消除負電流。

輕載引起負電流實例舉證：

貴陽市白云區(qū)某路燈管理所，新投運變壓器容量為315 kVA，采用高供高計方式計量，電壓互感器變比為10 000/100，電流互感器變比為20/5，無功補償柜帶有自動補償功能。

但因為該路燈專變所供負荷為新開發(fā)片區(qū)，交通信號燈及攝像頭等用電設備還未投入使用，所以盡管客戶使用了帶自動投切功能的無功補償柜，還是沒能消除電能表產(chǎn)生的負電流，但是在18：00路燈開啟以后電能表負電流自動消失。根據(jù)貴州電網(wǎng)有限責任公司計量自動化系統(tǒng)采集的負荷數(shù)據(jù)，該戶電能表A相電流在冬天07：00—18：00顯示為-Ia，在18：00—次日07：00路燈開啟時電能表A相負電流負號消失。

4? ? 電壓互感器PT2一、二次側不對應引起電能表負電流

文中已經(jīng)討論過三相三線兩元件電能表中某一元件計算功率為負值時，智能電能表會自動判斷該元件電流為負值，所以錯誤接線不單單只是電流互感器進出線接反會導致負電流，只要線電壓與之對應的相電流之間的余弦值小于零的錯誤接線也會使電流出現(xiàn)負值。

下面就以電壓互感器PT2一、二次側不對應引起的負電流為例進行說明。當電壓互感器PT2一、二次側不對應時，由圖2可知，C相電流對應的線電壓由Ucb變?yōu)閁bc。第二元件功率表達式為負，P2功率表達式如下：P2=UbcIccos（150°+φc）=-UIsin φ<0，此時電能表顯示-Ic。

電壓互感器PT2一、二次側不對應引起的負電流實例舉證：

貴陽市白云區(qū)某物業(yè)服務有限公司2018年投運，運行方式為雙電源全供全備，容量為1 300 kVA，采用高供高計方式計量，電壓互感器變比為10 000/100，電流互感器變比為40/5，綜合倍率為800。2018年投運以來一直為主供計量，2021年5月切換到備供計量。2021年6月21日，通過貴州電網(wǎng)有限責任公司計量自動化系統(tǒng)監(jiān)測到該備供表C相負電流，反有功走字、正有功不走字，到現(xiàn)場核實電能表端接線無異常，用三相電能表現(xiàn)場校驗儀查接線提示B相失壓，推測為電壓互感器接線錯誤。

隨即用鉗形電流表測量電能表端子線電壓Uac為177 V，判斷為電壓互感器極性接反，經(jīng)核實為PT2極性接反，更正互感器接線后C相負電流電能表計量正常。

5? ? 光伏發(fā)電引起電能表負電流

隨著碳達峰、碳中和發(fā)展目標的提出，光伏、風電等清潔能源受到了國家的高度重視。微電網(wǎng)作為一個小型而完整的電力系統(tǒng)，不僅可以并網(wǎng)運行，還可以孤島運行、自產(chǎn)自銷。在發(fā)電量不足時，微電網(wǎng)可以從電網(wǎng)購電，而當微電網(wǎng)出力大于其消納能力時，可以提供兩種運營模式，即余電上網(wǎng)運營方式和余電制氫運營模式[9]。

光伏發(fā)電出力特性，一方面受到光伏設備的光電轉換效率、光伏設備生產(chǎn)制造水平的影響;另一方面，光伏發(fā)電功率還受到太陽輻射強度、天氣、溫度等氣象因素的影響，具有較大的波動性，春季、夏季、秋季出力系數(shù)較冬季高，其中夏季日出力系數(shù)最大值的平均值最高，即夏季分布式光伏發(fā)電效率最好[10]。貴州電網(wǎng)有限責任公司貴陽白云供電局已經(jīng)有部分用戶為光伏發(fā)電，當光伏發(fā)電出力過剩時就會有“余電上網(wǎng)”電能表出現(xiàn)負電流。

6? ? 負載特性引起電能表負電流

上面分析了計量接線錯誤、無功補償不當以及空載或輕載引起電能表負電流的實例。但除了上述情況外，有時需結合現(xiàn)場工作具體情況才能確定產(chǎn)生負電流的原因。比如：高鐵處于剎車制動狀態(tài)時，電能表呈現(xiàn)負電流，原因是高鐵下坡和進站是一個能量釋放過程，給電機施加了反向電流，即電機處于發(fā)電狀況，導致電能表反轉;當施工現(xiàn)場的塔吊、吊車負載重物下降以及電梯下降時，電機也處于發(fā)電狀態(tài)，電能表產(chǎn)生反向電量[11]，如果剛好只帶有上述負載，電能表就會產(chǎn)生負電流。

7? ? 結論與建議

結合現(xiàn)場工作所見并查詢相關文獻后，本文提出了實際工作中導致三相三線電能表出現(xiàn)負電流的幾大因素及現(xiàn)場工作中如何準確判斷和處理電能表負電流的方法，現(xiàn)歸納如下：

（1）計量裝置接線錯誤導致負電流，只需現(xiàn)場核線即可找到原因，再通過更正錯誤接線即可恢復三相三線電能表正確計量，消除電能表負電流。

（2）在接線正確的情況下無功補償不當導致電能表顯示某一相電流為負值，通常無功補償不當不會導致三相三線電能表兩相電流同時為負。根據(jù)現(xiàn)場工作數(shù)據(jù)統(tǒng)計，無功補償不足大多導致三相三線電能表顯示A相電流帶負號，無功補償過多大多導致電能表顯示C相電流帶負號。

可以根據(jù)電能表顯示的相關數(shù)據(jù)，對照文中提到的特性1及特性2判斷是否為無功補償不當導致電能表顯示負電流。如果確定是無功補償不當導致電能表顯示負電流，就要檢查客戶無功補償柜是否帶有自動投切功能、是否啟用、是否故障、手動投切的電容數(shù)量以及補償柜電容數(shù)量是否滿足變壓器容量的30%等，從而找到原因，達到消除電流負號的目的，千萬不能更改計量裝置接線。

（3）變壓器空載或輕載運行導致電能表負電流，只能等客戶用電設備增多后負電流隨著負載的增大而消失，比如新投運的客戶。

如果客戶用電設備越來越少，則根據(jù)實際情況建議客戶減容或暫停使用變壓器，比如已停產(chǎn)的用電客戶。因為變壓器長期輕載或空載運行，導致空載損耗比重增大，功率因數(shù)降低，不僅有可能造成電能表出現(xiàn)負電流，執(zhí)行功率因數(shù)考核時還會因為功率因數(shù)過低而承擔罰款，所以變壓器長期空載或輕載運行對供用電雙方都是不利的。

（4）用電設備本身的特性導致電能表出現(xiàn)負電流，如文中提到的高鐵、電梯、吊車等。目前沒有發(fā)現(xiàn)可解決的辦法。

所以，當發(fā)現(xiàn)電能表負電流時，需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況具體分析原因，不能一看見負電流就盲目地去調(diào)表尾接線，或者認為是無功補償?shù)膯栴}，還應該去了解客戶的現(xiàn)場用電設備。能否及時發(fā)現(xiàn)和正確處理負電流直接關乎供用電雙方的利益，筆者結合工作經(jīng)驗及文獻[12]總結了以下幾條建議：

（1）對100 kVA及以上工業(yè)用戶無功補償裝置運行情況進行排查，宣傳正確使用無功補償裝置知識及功率因數(shù)調(diào)整電費相關電價電費政策，讓用電客戶意識到確保無功補償裝置正常使用的重要性。

（2）在計量系統(tǒng)篩查“負電流、反有功走字、功率因數(shù)異?！?，發(fā)現(xiàn)問題用戶，及時現(xiàn)場檢查處理，避免給供用電雙方帶來更大損失和糾紛。

（3）在計量系統(tǒng)增加“負電流、反有功走字、功率因數(shù)異?！眴栴}自動報警程序，省時省力，能夠方便對同類問題的管控，提高工作效率。

（4）加強監(jiān)控，若用戶功率因數(shù)過低或達不到規(guī)定范圍（160 kVA以上的高壓供電工業(yè)用戶，裝有帶負荷調(diào)整電壓裝置的高壓供電電力用戶和3 200 kVA及以上高壓供電電力排灌站的功率因數(shù)標準為0.90;100 kVA（kW）及以上的其他工業(yè)用戶、非工業(yè)用戶、非居民照明用戶、商業(yè)用戶、臨時用電戶和100 kVA（kW）及以上的電力排灌站，躉售用戶功率因數(shù)標準為0.85;100 kVA（kW）及以上的農(nóng)業(yè)用電功率因數(shù)標準為0.80），及時通知用戶投入和切除無功補償裝置，實現(xiàn)供電企業(yè)和用戶雙贏。

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收稿日期：2022-01-06

作者簡介：尚婭（1989—），女，貴州納雍人，助理工程師，用電檢查技師，主要從事用電檢查工作。