(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013)

0 引言

目前，世界各國(guó)的高壓電能計(jì)量基本上采用電壓互感器、電流互感器和電能表三者組合成電能計(jì)量柜或電能計(jì)量系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]，它的溯源是通過(guò)電能表和互感器分別溯源來(lái)實(shí)現(xiàn)，但對(duì)該電能計(jì)量裝置的整體誤差只能是以理論計(jì)算的綜合誤差指標(biāo)來(lái)衡量，而不是通過(guò)整體計(jì)量檢定/校準(zhǔn)來(lái)評(píng)定，這是不符合國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)關(guān)于電能表和電能表檢驗(yàn)裝置規(guī)定的基本原則的[2]。本文提出的實(shí)現(xiàn)10kV高壓電能計(jì)量器具室內(nèi)校準(zhǔn)或計(jì)量檢定的標(biāo)準(zhǔn)裝置為已批準(zhǔn)授權(quán)的國(guó)家10kV高壓電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)(0.02%)[3]和下一步將要建立的下一級(jí)高壓電能計(jì)量社會(huì)公用標(biāo)準(zhǔn)(0.05%)；依據(jù)的技術(shù)文件為已審定通過(guò)的高壓電能表和電能計(jì)量裝置(柜)校準(zhǔn)規(guī)范NIM-ZY-GJ-GD-001；采用的方法為“以源檢表”法來(lái)實(shí)現(xiàn)整體校準(zhǔn)/檢定。所謂“以源檢表”法就是使用國(guó)家10kV高壓電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或高壓電能計(jì)量社會(huì)公用標(biāo)準(zhǔn)中的三相高壓標(biāo)準(zhǔn)功率源，按被檢計(jì)量器具的實(shí)際使用狀況直接和被檢計(jì)量器具相連，這時(shí)三相高壓標(biāo)準(zhǔn)功率源相當(dāng)于一個(gè)等效的標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)，被檢計(jì)量器具測(cè)量到的三相電能和標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)輸出的標(biāo)準(zhǔn)電能進(jìn)行比較，即實(shí)現(xiàn)了其量值溯源或計(jì)量檢定。

1 三相四線(xiàn)虛地高壓電能測(cè)量裝置(或電能表)的校準(zhǔn)和檢定

10kV高壓電網(wǎng)為三相三線(xiàn)制，系統(tǒng)中的“地”只是用于保護(hù)電網(wǎng)中設(shè)備的安全，對(duì)電網(wǎng)而言應(yīng)稱(chēng)為“虛地”。目前大量的高壓電能計(jì)量器具也是三相三線(xiàn)制，應(yīng)該指出的是在三相制電網(wǎng)中沒(méi)有真正的三相四線(xiàn)電能表。近期我國(guó)發(fā)明的三相四線(xiàn)虛地高壓電能表[4]，應(yīng)用了三相四線(xiàn)電能測(cè)量模式，但還是三相三線(xiàn)連接，只不過(guò)它有一個(gè)“安全虛地GSD”接到電網(wǎng)設(shè)備的“地”上，以確保該電能表的安全。

三相四線(xiàn)虛地高壓電能表可以沿用傳統(tǒng)的三相四線(xiàn)制電能表校準(zhǔn)和檢定方法，這時(shí)三相標(biāo)準(zhǔn)功率源的地端(G)是和三相四線(xiàn)虛地高壓電能表的“安全虛地GSD”相連，它的接入是為了被檢表的安全，并不影響校準(zhǔn)和檢定的準(zhǔn)確度。

三相四線(xiàn)制虛地高壓電能表的校準(zhǔn)與計(jì)量檢定接線(xiàn)見(jiàn)圖1，它類(lèi)似于低壓電能表檢定時(shí)常稱(chēng)為“不脫鉤”檢定方式，符合電能表實(shí)際使用情況。如果采用高壓標(biāo)準(zhǔn)源的電流源輸出與電壓源高壓端在標(biāo)準(zhǔn)源內(nèi)部連接，雖然被檢表通過(guò)兩條電流導(dǎo)線(xiàn)連接到高壓標(biāo)準(zhǔn)源相應(yīng)的電流輸出端就可以實(shí)現(xiàn)檢定，但這時(shí)被檢表的電壓端和檢定裝置的電壓輸出端就會(huì)存在一個(gè)電壓差，在實(shí)際檢定中，當(dāng)電流達(dá)到1000A時(shí)，這個(gè)差別可能達(dá)到0.5V，與5.77kV相比， 誤差就會(huì)達(dá)到1×10-4。為了避免這一原理性誤差，圖1中采用了電壓源輸出端與高壓電能表電壓輸入端單獨(dú)連接的方式，可稱(chēng)為“三端扭接法”，在高壓電能表中每一相電流輸入高端和電壓輸入端是在表的內(nèi)部連接的。

圖1 三相四線(xiàn)制虛地高壓電能表的校準(zhǔn)/檢定接線(xiàn)

圖1中被檢表包含電能測(cè)量機(jī)構(gòu)，其輸出信號(hào)連接到標(biāo)準(zhǔn)功率源主體，運(yùn)行檢表軟件進(jìn)行整體檢定。輸出信號(hào)不管是光電信號(hào)，還是485或RJ45接口輸出，甚至隨著技術(shù)發(fā)展，將來(lái)的互動(dòng)式智能電表發(fā)展到其他接口。這些輸出信號(hào)的改變都是上述標(biāo)準(zhǔn)裝置可以響應(yīng)的，大大提高其檢定/校準(zhǔn)能力和效率。

目前，在國(guó)家高壓電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)劃設(shè)計(jì)中，作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)公用標(biāo)準(zhǔn)，其三相標(biāo)準(zhǔn)功率源的準(zhǔn)確度為0.02%和0.05%，所以，它們適應(yīng)的被檢高壓電能表的最高計(jì)量準(zhǔn)確度等級(jí)分別為0.1(S)和0.2(S)，已滿(mǎn)足現(xiàn)有技術(shù)要求。上述標(biāo)準(zhǔn)裝置還可以檢驗(yàn)被檢高壓電能表的“掉相”保護(hù)功能。

表1 10kV虛地三相四線(xiàn)高壓電能表三相電能檢定結(jié)果

注：檢定時(shí)輸入三相電壓為6 kV，相應(yīng)線(xiàn)電壓為10.3923 kV，5A以下由于測(cè)量一組數(shù)據(jù)時(shí)間太長(zhǎng)，每組只取三個(gè)以下的數(shù)據(jù)，沒(méi)有統(tǒng)計(jì)其標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表1給出了一組10kV三相四線(xiàn)虛地高壓電能表三相電能檢定結(jié)果， 這是中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制的高壓電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，首次實(shí)現(xiàn)檢定已研制成功的10kV三相四線(xiàn)虛地高壓電能表。以該電能表為核心組成的電網(wǎng)高壓電能現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置，于2011年10月11日在煙臺(tái)供電公司成功掛網(wǎng)運(yùn)行，得到了首次網(wǎng)上現(xiàn)場(chǎng)電能在線(xiàn)檢定結(jié)果，與串行的電能計(jì)量柜比較，兩者相差小于0.2%，其檢定的標(biāo)準(zhǔn)偏差經(jīng)過(guò)幾天運(yùn)行后達(dá)到了0.01%[5]。

2 三相三線(xiàn)制高壓電能表或電能計(jì)量柜的校準(zhǔn)和檢定

用一個(gè)被檢高壓電能表或電能計(jì)量柜，按其在電網(wǎng)中的實(shí)際連接方式接到10kV高壓電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的三相高壓標(biāo)準(zhǔn)功率源上，則可由標(biāo)準(zhǔn)功率源對(duì)這些高壓電能表或電能計(jì)量柜的實(shí)施整體校準(zhǔn)/檢定。校準(zhǔn)/檢定三相三線(xiàn)高壓電能表或電能計(jì)量柜的接線(xiàn)見(jiàn)圖2，A-A′、C-C′分別與其A相、C相的電流回路連接， B-B′短路作為三相電能表A-B、C-B電壓公共端，這和三相高壓電能表在電網(wǎng)中的接線(xiàn)方式相同。標(biāo)準(zhǔn)源工作于三相四線(xiàn)狀態(tài)，并且滿(mǎn)足iA+iB+iC=0，它輸出的標(biāo)準(zhǔn)電能與被檢表測(cè)量到底電能進(jìn)行比較即實(shí)現(xiàn)檢定，這種狀態(tài)和三相三線(xiàn)電能表實(shí)際工作狀態(tài)是等同的，但和過(guò)去低壓三相三線(xiàn)電能表V型B相接地的模式是有區(qū)別的，前者稱(chēng)為“等同”校準(zhǔn)/檢定方式，后者稱(chēng)為“等效”校準(zhǔn)/檢定方式，本文推薦采取的方式是“等同”方式，它和實(shí)際情況一樣，輸出正常的A相、B相、C相電壓、電流，其功率因數(shù)為1.0和0.5，而不是低壓“等效”模式的±30°、0°、90°。這樣更符合實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)，特別是高壓狀態(tài)，更符合定義，具有更好的操作性和檢定準(zhǔn)確度。

必須指出：上述從定義出發(fā)的“等同”校準(zhǔn)/檢定方式是適用于所有的三相四線(xiàn)制虛地、三相三線(xiàn)制的高壓電能表或高壓電能計(jì)量柜，包括“三相三線(xiàn)兩元件”和“三相三線(xiàn)制兩個(gè)電壓元件加三個(gè)電流元件”的高壓電能計(jì)量器具?！叭嗳€(xiàn)兩元件”高壓電能計(jì)量器具校準(zhǔn)/檢定接線(xiàn)見(jiàn)圖2，“三相三線(xiàn)制兩個(gè)電壓元件加三個(gè)電流元件”高壓電能計(jì)量器具校準(zhǔn)/檢定接線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖2 三相三線(xiàn)高壓電能計(jì)量柜的“等同”校準(zhǔn)與計(jì)量檢定連接方式

圖3 三相三線(xiàn)三電流元件高壓電能計(jì)量柜的校準(zhǔn)與計(jì)量檢定連接方式

當(dāng)然，上述標(biāo)準(zhǔn)裝置也可以提供“三相三線(xiàn)兩元件”高壓電能表或高壓電能計(jì)量柜的“等效”檢定方式，其接線(xiàn)見(jiàn)圖4，它可以采用傳統(tǒng)的校準(zhǔn)/檢定方法，運(yùn)行傳統(tǒng)的檢定軟件程序即可實(shí)現(xiàn)。但在此只說(shuō)明傳統(tǒng)檢定方式也適用而不推薦采用此方式。

圖4 三相三線(xiàn)高壓電能計(jì)量柜“等效”校準(zhǔn)與計(jì)量檢定連接方式

3 組合互感器在電能測(cè)量模式下的計(jì)量校準(zhǔn)/檢定

圖5 三相三線(xiàn)制組合互感器校驗(yàn)接線(xiàn)圖

目前PT/CT的校準(zhǔn)/檢定是相互獨(dú)立的。但實(shí)際PT/CT是組合使用的，是一種電能測(cè)量模式的組合，而且是一種高壓電能測(cè)量模式的組合，它直接用于組建高壓電能計(jì)量柜或高壓電能表，待測(cè)參數(shù)包括電能、角差和比差。比差和角差在高壓大電流運(yùn)行狀態(tài)下存在著相互影響，而且這種影響是隨量程改變的。所以，PT/CT組合在電能測(cè)量模式下的校準(zhǔn)/檢定，應(yīng)該考慮這種影響以及這種組合狀態(tài)下可能引起的測(cè)量電能的誤差。用上述標(biāo)準(zhǔn)裝置，借助工作于低壓狀態(tài)的三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表，即可實(shí)現(xiàn)從定義出發(fā)對(duì)PT/CT組合的整體校驗(yàn)。被檢對(duì)象可以是三相三線(xiàn)連接，也可以是單相連接。電流互感器、電壓互感器組合在電能測(cè)量模式下的計(jì)量校準(zhǔn)/檢定連線(xiàn)見(jiàn)圖5。采用該校準(zhǔn)/檢定PT/CT方式，和傳統(tǒng)的PT/CT檢定方式不同之處就在于：一是在高壓大電流組合下校準(zhǔn)/檢定，校準(zhǔn)/檢定的結(jié)果是考慮了它們之間的相互影響；二是可以按實(shí)際使用情況，在校準(zhǔn)/檢定時(shí)電流源和電壓源都可以加入諧波，這樣可以觀察到PT/CT的諧波響應(yīng)。當(dāng)然，這時(shí)對(duì)其測(cè)量結(jié)果的評(píng)估，值得研究、探討和規(guī)范。

由于在三相高壓電網(wǎng)中不存在真正意義上的三相四線(xiàn)高壓電能表，所以文中沒(méi)有提及三相四線(xiàn)接法的組合互感器校驗(yàn)方法。

4 結(jié)論

本文論述了高壓電能表或電能計(jì)量柜及PT/CT組合的整體室內(nèi)校準(zhǔn)/檢定，提出了“以源檢表”的新方法，非常直接簡(jiǎn)單；同時(shí)，提出了“等同”檢定方式的新概念，非常真實(shí)科學(xué)。這為高壓電能計(jì)量器具的整體校準(zhǔn)/檢定提供了新思路。

[1] 瞿清昌.新型三相電能表和高壓電能計(jì)量關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2007，28(4A)

[2] 王月志.電能計(jì)量[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004

[3] 鄭志受，陳希武，漆小建，張志高，王立新，瞿清昌.10kV/1000A高壓電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及其量值溯源的研究.計(jì)量學(xué)報(bào)，2012，33(5)

[4] Zheng zhi-shou，Deng wen-dong，Zhang zhi-gao1，F(xiàn)an wen，Xia zhong-min，QI xiao-jian，Zhang jia-hai，Qu qing-chang .Study on Establishing the Power Grid Advanced Metering Infrastructure by ApplyingOn-site Working Standard.ICSAI 2012.550-555

[5] 鄭志受，賈超，夏忠民，鄧文棟，張嘉海，瞿清昌.10kV電網(wǎng)高壓電能現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置掛網(wǎng)運(yùn)行.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2012，Vol26