長沙天恒測控技有限公司
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閱讀：90發(fā)布時間：2025-12-24
熊浩1 周新華2 鄧志軍2 鄧文2 彭浴輝2
1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 2.長沙天恒測控技術(shù)有限公司
摘要：基于OIML 制定的 R46 對電子式電能表在防交變磁場干擾提出了要求，研究磁場角度和勵磁電流如何影響電子式電能表的電能計量。通過定性分析得出，交變磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流使得電子式電能表功率因素角發(fā)生改變，其變化量與磁場引入的電能誤差成余弦曲線關(guān)系。采用微機遠(yuǎn)程控制裝置實現(xiàn)全自動檢定，得到工頻磁場干擾最不利相位和磁場角度。最后提出改造電能表工藝及結(jié)構(gòu)的可行性建議。
關(guān)鍵詞/Keywords:交變磁場,最不利相位和磁場,電能計量,功率因數(shù),全自動檢定
0. 引言
我國是電子式電能表生產(chǎn)大國，生產(chǎn)和研發(fā)能力也已經(jīng)能夠滿足國內(nèi)市場的不同需求，而且價格優(yōu)勢明顯，在市場上具有一定的競爭力。但隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)以及相應(yīng)的居民遞增式階梯電價改革模式的提出，對電能表等相關(guān)電能計量工具的要求也隨之提高。目前國際法制計量組織（OIML）制定的 R46 電能表國際建議草案中[1]，對電能表提出了新的要求，尤其是在防磁場干擾防竊電方面提出了更高要求。電能表一般采用電阻網(wǎng)絡(luò)對電壓進(jìn)行采樣，電流一般采用錳銅分流器或互感器進(jìn)行采樣[2]，兩者對交變磁場干擾較為敏感。外加交變磁場在被測儀表的電流測量回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，在測量電能誤差時，會引入相位和幅值誤差。下面將討論交變磁場是怎樣影響電子式電能表誤差的，以及如何確定最不利勵磁電流相位和最不利磁場角度。
1. 亥姆霍茲線圈
根據(jù)右手螺旋定則，亥姆霍茲線圈通交流電流可產(chǎn)生沿軸方向的較大均勻交變磁場。圖1 為新型亥姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)示意圖。
0 點是亥姆霍茲線圈幾何中心， Y 軸為亥姆霍茲線圈軸向方向。亥姆霍茲線圈通過電動機控制繞 X 軸方向 0~360° 旋轉(zhuǎn) [3-4]，使線圈能停留在任意角度。電能表旋轉(zhuǎn)臺通過托架與亥姆霍茲線圈連接。將被檢電能表置于電能表旋轉(zhuǎn)臺上，通過計算機程控或手動控制。電能表可以在 XOY 平面內(nèi) 0~360°旋轉(zhuǎn)，并可停留在任意方向。
隨著亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)，交變磁場 B 在 YOZ 平面旋轉(zhuǎn)。由亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的交變磁場可看成一對相互交變的振蕩磁偶極子 M1 和 M2[5]，旋轉(zhuǎn)磁偶極子數(shù)學(xué)模型如圖 2 所示。
隨著亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)，磁場方向 M 不斷變化，此時正交磁偶極子大小改變。設(shè)亥姆霍茲線圈原始角度為 0°，如圖 2 所示。當(dāng) θ=0° 或 θ=180° 時，此時磁場垂直通過電能表 Y 正交截面。當(dāng) θ=90° 或 θ=270° 時， M1 = M 、 M2 = 0 此時磁場垂直通過電能表 Z 正交截面 θ。將被檢表順（逆）時針旋轉(zhuǎn) 90° 即可以對電能表X正交截面進(jìn)行試驗。
2. 誤差分析
當(dāng)電能表在交變磁場干擾下，計算電能誤差 δ i 時會引入相位誤差和幅值誤差。
式中，W '為相位誤差和幅值誤差的電能值。下文以單相電能表為例進(jìn)行分析，三相電能表亦然。
根據(jù)規(guī)程《JJF12453— 2010安裝式電能表型式評價大綱 特殊要求靜止式有功電能表（0.2S、0.5S、 1 和 2 級）》要求[6]， cos= 1 ，即 φ= 0° 。φU 為 A 相電壓相位，令 φU = 0° 。產(chǎn)生工頻干擾，勵磁電流的頻率 f =50 Hz 。勵磁電流 I =I m sin(2πfr+Δφ )，其中 Δφ 為勵磁電流與工作電壓的相位差[7-9]。
當(dāng) θ 為定值時，感應(yīng)電流同勵磁電流成 90°，勵磁電流相位改變，感應(yīng)電流 ΔI 使電能表電流相位旋轉(zhuǎn)了 ε，使得電能表功率因數(shù)角由 0° 變成 ε 。圖 3 為電壓電流相位矢量圖。
如圖 3 可知，-90° ≤ φΔI≤ 90°, δi ≥0；90° ≤ φΔI ≤ 270°, δi≥0 。
式中 , δ0 為未加工頻磁場，測量的電能誤差； δi 為工頻磁場干擾下的電能誤差；δ 為工頻磁場引入的電能誤差。圖 4為磁場引入的電能誤差同功率因數(shù)角變化量曲線圖。
一些廠家檢定電能表時，需手搖亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)，磁場角度會引入較大的誤差。僅能檢定幾個磁場角度的影響，檢測數(shù)據(jù)單一。同時需要大量的人力成本，不適合應(yīng)用于大批量檢測電能表。本文設(shè)計的裝置，由微機控制實現(xiàn)全自動化測量。利用精密步進(jìn)電動機準(zhǔn)確調(diào)節(jié)磁場偏轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)磁場 0~360° 干擾，檢測最不利勵磁電流相位和磁場方向。計算機通過 RS 232 通信接口發(fā)送命令至控制臺，調(diào)節(jié)源裝置輸出電壓電流至標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表，使其正常工作，測量被檢電能表誤差 δ0[9]。然后調(diào)節(jié)源裝置輸出勵磁電流至亥姆霍茲線圈，使亥姆霍茲線圈幾何中心磁場強度 H達(dá)到 400 A/m。根據(jù)設(shè)定的磁場角度，調(diào)節(jié)亥姆霍茲線旋轉(zhuǎn)。在不同的磁場角度改變勵磁電流與電能表工作電壓相位角，計算電能誤差 δi。測試完畢后，打順時針旋轉(zhuǎn)電能表 90°，再測量電能誤差。最后通過比較 δ0 和 δi 值，計算出磁場引入的電能誤差。δ = δi - δ0
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