一文详解电能表异常转动和中线电流

工厂和科研单位的机械设备，大都采用电力拖动。有时，为了记录其耗电量，往往要配装电能表。但由于一般机械设备的功率较大，电能表不能承受其电流，故必须再添加电流互感器。例如当用电设备的运行电流略小于300A。

笔者所在单位的某个工段，所有用电设备全部配置了电能表，其接线方式见图1。笔者所在单位的用电设备全都具有电感性质，由两条相线构成的380V电源或220V的单相电源供电，并且，它们在工作时还不规则地接通或断开，所以三相的电流极不平衡。在安装时考虑到这一现象，选用了能承载140安电流的50平方毫米裸铜线作为连接配电站的中性线。另外，为了减小开关瞬间的谐波辐射对精密仪器仪表的干扰，将该裸线接于现场的接地极上，这样，大家以为中性线已接地。

在安装电能表时，把电流互感器的S2端就近接到控制柜内的中线上面；而电能表上的“中线端”，则接在电能表附近的中线（零线）上面。电工师傅认为，这两个端子连接在同一根中线上而且该中线电阻又极小，这样连接应该是没有问题的。但奇怪的是，机械设备在运行时，各电能表的转盘（机械式电能表）却不与设备的用电量成比例地旋转。而是时快、时慢、时停甚至倒转。这一现象，让人百思不得其解。实际上，图1只是简单的原理示意图，在实际施工接线时，电流互感器的S2端子并不是通过导线连接到电能表上，而是接在控制柜的零线母排上的a点上，而电能表上应与电流互感器S2连接的端子则接在电能表附近的中线b点处，见图2。

为了解决这一问题，研究了三相电的相电流特点和电能表驱动的原理之后，才明白产生这一现象的原因并顺利给予解决。

我们知道，交流电能表，是利用它的电流线圈和电压线圈所产生的相位上相差90度的交流旋转磁场，并由带轴的铝圆盘转子在磁场的空气隙中感应涡流而转动的。由于两磁通均穿过圆盘与驱动轴平行，其产生的转矩M＝KUIcos∮正比于有功功率。在制动电磁铁的作用下，圆盘转动的速度即代表用电设备当时消耗功率的大小。由此从计数器读出用电的累计数即度数（千瓦小时）。由于两线圈取自同一电源，故在负载为纯电阻时，二者所产生的磁场将严格保持90°的相位角。圆盘转子就始终能够正常运转。但若负载中带有电感或电容的成份，则其磁场的相位差将会偏离90°（大于或小于）。若相位差为0°或180°时，则转动力矩为零。同样，若电流互感器的S2端和电能表的“中线端”分别接于中线的不同部位，则当三相电流严重不平衡时，中线即有强大的回路电流，又因该中线存在一定电阻而产生电压降。故某一电流表对应的用电设备即使已经关闭，但由于邻近设备仍在运行的缘故，中线在较远距离的两点之间的电位差（即图中的Uab）会通过电流互感器和电流表而产生电流，使电能表转动。并且，这一电流是和电流互感器的电流叠加的，即Uab极性的变化会使输入到电能表的电流增大或减小。因此，电能表的转盘就出现了时快、时慢、时停甚至倒走的怪现象。另外，特别应该指出的是，在带有电感或电容成份的多台设备“无序运行或停机”的运行方式中，这一电位差所形成的电流相位也是随机的，它也会随着邻近设备各相电流的“此起彼落”而不断变化。因而也参与了促使电能表转盘的变化。更大的产生了附加误差，降低了计量的准确性。明白了以上道理，解决问题的方法就十分简单了。只要消除a、b两点间的电位差即可。但中线上的电流是客观存在的，唯一的办法是把互感器和电能表的“中线端”接到中线的同一点上，即是把图中的a点和b点合二为一即成，如图3所示。

另外，考虑到这些设备有不小的电感成份，无功电流也不容忽视。为了了解中线电流情况，用36伏低压电灯泡接在中线和接地极之间，灯泡发出较亮的灯光。测电压，最高时竟达到30伏左右。上述现象仍给一些控制仪表产生不小的电干扰，影响其正常工作。原来干扰源确实来自中线。这说明一根接地极是远远不够的。于是沿中线一带又打了若干地桩并一一和中线相连，即现场中线多点接地，干扰随即消失。这一点很重要，但有些电气工作人员却对此并不知情，或虽然知道却并不关心。这一现象在机械行业的热处理车间尤为常见，严重时甚至不能正常生产。必须引起重视。
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