关于中频小冶炼厂电能计量严重失真的问题分析及整改方案

一、基本情况
受供电公司的委托，2008年8月22日我公司派技术人员对该厂的计量情况进行了实地考察，用户用电基本情况如下：
1、用户名称：（从略）
使用设备：0.5吨中频炼钢炉1套及少量机加工设备
变压器容量： 315kVA
2、电能计量：
高压侧装：JLSG4-12　0.2S级　40/5型高压计量箱一套（计量表计为湖南威胜多功能电子表）
低压侧装：LMZ-0.5　1000/5型低压电流互感器3只（有功计量为三只单相机械表，无功为一只三相机械表）
3、设备使用情况简介
该冶炼厂采用的是峰谷电价，一般在夜间投产，用户开炉后实测技术参数（后附），从实测数据看用户严重超负荷运行（2.1倍以上），变压器发热严重，为防止变压器发热烧毁，用户将变压器置于水箱中强制水循环，但仍能听到变压器燥音很大，运行条件十分恶劣。
4、存在的问题
电能计量不正常，从现场抄表看，用户用电8天，从高压侧抄表为有功68800kwh，无功52800kwh，低压侧有功52000kwh，无功19200kwh，有功差距为16800kwh，无功差距为33600kwh。
高低计量对比相差太大，计量严重失真。
二、实测数据如下
（一）测量结果如下：
1、三相有效值

2、低压侧三相波形图

3、高压侧波形图

4、低压侧电压电流谐波曲线

5、高压侧谐波曲线

（二）测量结果分析：
1、变压器严重过载运行：
315kVA变压器的额定输出为Is=454.7A，实际检测中发现变压器的实际输出最大电流为1050A，为额定值的2.309倍，通常运行在950A左右，为额定值的2.09倍。
2、中频炉产生的谐波含量很大：其中以5次、7次谐波为主，分别占总有效值的20％和11％。
3、低压侧电压、电流波形、高压侧电流波形严重畸变。
三、问题分析
（一）计量失真问题
从实际考察结果看，用户用电超负荷非常严重，为额定电流的2.309倍，此时对计量系统影响很大。
1、对电流互感器影响
当用户的实际使用电流达到额定电流的2.39倍时，此时的二次负载为PI2R=52R=25R=5I1R，即二次负载为原来的5倍，以实际的电流互感器所带的负载为例，电表及二次导线约为12VA，此时真正的二次负担为5×12=60VA。椐此，我们将国内目前几家知名厂家的产品（包括本厂产品）进行了误差对比试验，经试验，当电流达到额定电流的1.6倍时（负载为60VA），互感器达到饱合，当达到实际运行电流时92.36A（额定电流的2.309倍），二次电流为8.5A。按常理计算应为2.309×5=11.95A，理论同实际相差=28.87%，即原来为0.2S级的互感器，此时变为-28级互感器，用同样的方法，我们对低压电流互感器也做了同样的实验（LMZ-0.5），此时，互感器的误差达到了-32级，可见其对电能影响之大。
2、对电表的影响
用上述方法我们对电子式电能表及机械表分别进行了试验，发现当实际使用电流达到2.39倍额定电流时，电子式电表由原来的1级变为5级（5.24%），而机械电表影响更大。
3、对电压互感器的影响
考虑到目前该用户的谐波含量达到20%以上，其原来应于50Hz的电压互感器，在谐波电压下（250-650Hz中频范围）肯定有影响，但由于试验设备原因（无法提供10kV的高频电源），此问题未进行深入的试验。
因此，由于用户超负荷的原因，电能计量已严重失真，原计量的电量，高压同低压的对比已无实际意义。
（二）对于高压计量无功比低压计量无功电量多的分析
用户在低压侧计量中无法计量变压器的无功损耗，只有在高压侧计量时才能计量到变压器的无功损耗。
变压器的无功功率损耗分为两部分，励磁支路损耗和绕组漏抗中的损耗。其中，励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流I0的百分值，约1～2％；绕组漏抗中损耗，在变压器满载时，基本上等于短路电压Uk的百分值，约为10%。
在变压器正常运行时，变压器的无功功率损耗并不大，满载运行时为变压器额定容量的百分之十几。
但是，当变压器过载运行时，由于铁芯饱和导致变压器的漏电抗增大（正常运行时的原绕组的漏电抗不随电流变化而变化），无功功率损耗量值一方面与漏抗成正比，另一方面与电流的平方成正比，所以在变压器过载运行时，变压器的无功功率损耗将会严重增大。
这些无功功率损耗将计入高压侧计量结果中，这也是高压侧计量的无功功率高于低压侧计量结果的原因之一。
（三）关于谐波对计量的影响
随着近年来高耗能企业的增多，谐波污染日趋严重，特别是一些采用高频或中频炉技术的小炼钢或镁、铜等贵重金属冶炼，由于其非线性负载特性，在大量消耗电能的同时，还向电网反送着大量的谐波。谐波对电能计量影响较大，对于电磁感应式电表，其频响曲线随着频率的增大，误差向负方向变化，少计电量，而对电子式电表影响更大，由于电子式电表的CPC采取正反向功率代数和相加，即E=E1（基波电能）－（谐波电能总和），而谐波产生的电能方向同基波产生的电能方向相反，从而造成谐波分量越大，少计的电能越多。当谐波以3、5、7为主时，其少计电量，据有关部门统计，可达总电量的6.5-8.5%，
四、整改方案
小冶炼引起的计量失真现象，此问题由来已久，在这方面做的比较早，确实产生实际效益的据我们调查有唐山地区的丰南、乐亭、迁西等供电公司，由于其有大规模的冶炼企业，早在2003年已进行了整改（建议局领导或相关人员应到现场实际考察），并取的了显著的效果。下面我们将他们的成功经验加以介绍：
1、采用JLSGF-12小冶炼专用带负控功能的计量箱，控制其超负荷用电问题。
本款产品是专门针对小冶炼超负荷的危害而研制的一款负荷控制型高压计量箱,其可根据用户类型选择合理的控制方式（电流控制、有功功率控制、视在功率控制）通过采集电子表的数值，经过智能化计算，当用户出现超负荷用电时，先警告，无效后断电，同时该产品也可用做预付费计量。负控及负荷控制装置的使用分为两种，一种为就地型，一种为远方型。
（1）就地型
就地控制型计量箱的负控装置设定需通过手动设定，当负荷达到设定的限值后报警，经过一段时间延时后（可自行设定），用户的负荷设定值仍未恢复到设定值以下时自动跳闸，用户断电，直至用户恢复正常用电负荷后，恢复供电。其报警可采用声光报警，报警器安装距离不超过100m（有线），报警器为数码管显示，可显示报警级别、负荷大小并伴有语音提示及灯光闪烁。
（2）远方型
远方报警型采用了我厂的DH-2000负控报警装置，该装置采用手机短信的形式，将报警、警告及警告延时等报警信息直接发送到企业值班员手机及供电值班员手机上，智能化提醒，便于及时处理。本装置结构简单，可以不加装后台软件。
在实际应用中，考虑到人情电问题，其采用了就地型负控装置，参数一经设定，领导及工作人员均无法更改。超负荷即断电，有效的控制了小冶炼企业超负荷用电问题。
2、加装专门针对小冶炼专用谐波误计量控制装置及谐波专用互感器，
本款产品采取基波计量的方法，即对通过互感器输入的二次电压及电流采用低通滤波的方法，合理的选择转折频率，将基波以上的谐波按频率进行滤波，使谐波反向馈送的电能在二次所反映出的谐波分量极大的降低（E=E1－，即=0时），从而真实的计量了用户的电量，降低了线损，考虑到小冶炼经常超负荷带来的互感器铁芯趋于饱合，从而造成的互感器二次输出电压及电流波型畸变。本产品采用特殊工艺制造的电流及电压互感器，可保证在2倍过负荷时，二次波形不产生畸变，从而保证在存在谐波时的计量效果。由于小冶炼的谐波频率同熔炼电极距离有关，其变化范围从中频到高频均可能发生，从而造成在此环境工作的电压互感器感抗的变化，当感抗同容抗达到一定范围时，其可能诱发PT本身的自激谐振，从而造成高幅值的过电压，这也是小冶炼经常烧毁PT的主要原因。本产品采取特殊工艺，可保证电压互感器不发生自激谐振，从而保证运行产品的安全可靠。
3、采取防窃电措施
本项功能利用了负控功能中的真空断路器，可对计量中出现的异常进行告警、断电、报警处理，其有如下特点：
1、采用“TM电子密钥”控制送电
本计量箱内部装有“TM电密锁”，该密锁采用了美国达拉斯公司的专利技术成果，即Ibtton信息钮扣作为“密钥”，其具有双向通信功能，信息储存量大，并设有不可复制的全球唯一的64位密码，密码具有不可伪造性，信息的传输是通过信息钮扣（密钥）同读写器（锁体）短暂接触即可完成，用“TM密钥”作为送电管理的工具，供电系统只需几把钥匙即可管理整个市（县）局的计量控制，一旦出现非法开启计量箱门盗电时，断电后用户无法送电，便于保留现场，杜绝窃电。
2、非法开启箱门断电功能及计量异常报警
本产品在运行过程中，一旦发生计量箱门被非法打开（有窃电嫌疑），控制系统将在设定时间内掉闸断电，控制系统自锁，并发出报警信号，此时用户无法自行送电，必须由电管部门用“TM密钥”开启才能送电，在正常工作时“TM电密锁”不带电，这样不但减少其对电能的消耗，同时提高防止误动的可靠性，在此状态下，用户可以手动控制开关的分合闸。
通过以上措施，其小冶炼的治理产生了明显的效果，专线的线损显著下降，基本达到了7%以下的规定要求，取得巨大的经济效益。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　保定市电力互感器厂研发中心
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2008年8月27日
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　编著：许亚辉