工频交变磁场对电子式电能表的计量影响（发表于《电气应用》2016）（1） -凯发k8国际

熊浩1 周新华2 邓志军2 邓文2 彭浴辉2

1.云南电网有限责任公司电力科学研究院 2.长沙天恒测控技术有限公司

摘要：基于oiml 制定的 r46 对电子式电能表在防交变磁场干扰提出了要求，研究磁场角度和励磁电流如何影响电子式电能表的电能计量。通过定性分析得出，交变磁场产生的感应电流使得电子式电能表功率因素角发生改变，其变化量与磁场引入的电能误差成余弦曲线关系。采用微机远程控制装置实现全自动检定，得到工频磁场干扰最不利相位和磁场角度。最后提出改造电能表工艺及结构的可行性建议。

关键词/keywords:交变磁场,最不利相位和磁场,电能计量,功率因数,全自动检定

0. 引言

       我国是电子式电能表生产大国，生产和研发能力也已经能够满足国内市场的不同需求，而且价格优势明显，在市场上具有一定的竞争力。但随着我国智能电网建设进程的不断推进以及相应的居民递增式阶梯电价改革模式的提出，对电能表等相关电能计量工具的要求也随之提高。目前国际法制计量组织（oiml）制定的 r46 电能表国际建议草案中[1]，对电能表提出了新的要求，尤其是在防磁场干扰防窃电方面提出了更高要求。电能表一般采用电阻网络对电压进行采样，电流一般采用锰铜分流器或互感器进行采样[2]，两者对交变磁场干扰较为敏感。外加交变磁场在被测仪表的电流测量回路中产生感应电流，在测量电能误差时，会引入相位和幅值误差。下面将讨论交变磁场是怎样影响电子式电能表误差的，以及如何确定最不利励磁电流相位和最不利磁场角度。

1. 亥姆霍兹线圈

       根据右手螺旋定则，亥姆霍兹线圈通交流电流可产生沿轴方向的较大均匀交变磁场。图1 为新型亥姆霍兹线圈结构示意图。

       0 点是亥姆霍兹线圈几何中心， y 轴为亥姆霍兹线圈轴向方向。亥姆霍兹线圈通过电动机控制绕 x 轴方向 0~360° 旋转^[3-4]，使线圈能停留在任意角度。电能表旋转台通过托架与亥姆霍兹线圈连接。将被检电能表置于电能表旋转台上，通过计算机程控或手动控制。电能表可以在 xoy 平面内 0~360°旋转，并可停留在任意方向。

随着亥姆霍兹线圈旋转，交变磁场 b 在 yoz 平面旋转。由亥姆霍兹线圈旋转产生的交变磁场可看成一对相互交变的振荡磁偶极子 m₁和 m₂^[5]，旋转磁偶极子数学模型如图 2所示。

       随着亥姆霍兹线圈旋转，磁场方向  m 不断变化，此时正交磁偶极子大小改变。设亥姆霍兹线圈原始角度为 0°，如图 2 所示。当 θ=0° 或 θ=180° 时，此时磁场垂直通过电能表 y 正交截面。当 θ=90° 或 θ=270° 时，m₁=m、m₂=0 此时磁场垂直通过电能表 z 正交截面 θ。将被检表顺（逆）时针旋转 90° 即可以对电能表x正交截面进行试验。

2. 误差分析

       当电能表在交变磁场干扰下，计算电能误差 δ _i 时会引入相位误差和幅值误差。

  

式中，w '为相位误差和幅值误差的电能值。下文以单相电能表为例进行分析，三相电能表亦然。

根据规程《jjf12453— 2010安装式电能表型式评价大纲 特殊要求静止式有功电能表（0.2s、0.5s、 1 和 2 级）》要求^[6]， cos= 1 ，即 φ= 0° 。φ_u 为 a 相电压相位，令 φ_u = 0° 。产生工频干扰，励磁电流的频率 f =50 hz 。励磁电流 i =i _m sin(2πfr+δφ )，其中 δφ 为励磁电流与工作电压的相位差^[7-9]。

       当 θ 为定值时，感应电流同励磁电流成 90°，励磁电流相位改变，感应电流 δi 使电能表电流相位旋转了 ε，使得电能表功率因数角由 0° 变成 ε 。图 3 为电压电流相位矢量图。

      如图 3 可知，-90° ≤ φδi≤ 90°, δ_i ≥0；90° ≤ φδi  ≤ 270°, δ_i≥0 。

 式中 , δ₀ 为未加工频磁场，测量的电能误差； δ_i为工频磁场干扰下的电能误差；δ 为工频磁场引入的电能误差。图 4为磁场引入的电能误差同功率因数角变化量曲线图。

       一些厂家检定电能表时，需手摇亥姆霍兹线圈旋转，磁场角度会引入较大的误差。仅能检定几个磁场角度的影响，检测数据单一。同时需要大量的人力成本，不适合应用于大批量检测电能表。本文设计的装置，由微机控制实现全自动化测量。利用精密步进电动机准确调节磁场偏转角度，实现磁场 0~360° 全方位干扰，检测最不利励磁电流相位和磁场方向。计算机通过 rs 232 通信接口发送命令至控制台，调节源装置输出电压电流至标准表和被检表，使其正常工作，测量被检电能表误差 δ₀^[9]。然后调节源装置输出励磁电流至亥姆霍兹线圈，使亥姆霍兹线圈几何中心磁场强度 h达到 400 a/m。根据设定的磁场角度，调节亥姆霍兹线旋转。在不同的磁场角度改变励磁电流与电能表工作电压相位角，计算电能误差 δ_i。测试完毕后，打顺时针旋转电能表 90°，再测量电能误差。最后通过比较 δ₀ 和 δ_i 值，计算出磁场引入的电能误差。δ = δ_i -  δ₀