項(xiàng)小金　李玉龍 錢偉尼 朱琦 方雷

【關(guān)鍵詞】電能表；無損；自短路；互鎖結(jié)構(gòu)

引言

供電企業(yè)與用戶電費(fèi)結(jié)算是通過電能表計(jì)量，為了保證計(jì)量準(zhǔn)確性，電能表需要按規(guī)定的檢定周期進(jìn)行抽檢，對運(yùn)行質(zhì)量檢驗(yàn)判定不合格的電能表進(jìn)行更換[1]。在電能表更換中為了保證用電客戶的正常用電，高供高計(jì)和高供低計(jì)的用戶電能表均采用不停電換表，更換過程中電能表無法計(jì)量導(dǎo)致電量損失產(chǎn)生線損，并且?guī)щ姄Q表作業(yè)也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。

根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)更換一塊智能電能表大約耗時(shí)0 .5～1小時(shí)[3]，計(jì)電能表處于不計(jì)量狀態(tài)，造成電能計(jì)量盲區(qū)產(chǎn)生線損電量。尤其對于大客戶或變電站專線用戶，負(fù)荷大、計(jì)量倍率高（通常在500以上），那么電能表更換造成的電量損失更大[15]。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)平均每個(gè)電能表換表工作時(shí)長約38.2分鐘，其中換表期間少計(jì)量時(shí)長約24分鐘，按照2021年度本管轄區(qū)內(nèi)工作量及用戶負(fù)荷測算，年損失電量30萬千瓦時(shí)，如果擴(kuò)展到全市，年損失電量300萬千瓦時(shí)以上，可見更換過程中導(dǎo)致的電能計(jì)量損失巨大。

工作人員換表后漏投電壓連片、電流連片未恢復(fù)等問題時(shí)有發(fā)生，需要進(jìn)行電量電費(fèi)退補(bǔ)的工作；同時(shí)，受工作人員技能水平及責(zé)任心等影響，更換前未檢查連片位置盲目更換，導(dǎo)致電流回路開路或電壓回路短路，作業(yè)人員往往承載著較大的安全壓力，稍有失誤就有可能造成不可估量的后果，不但造成較大的電量損失，甚至有可能造成人身、設(shè)備或電網(wǎng)的重大事故[4]。所以基于聯(lián)合接線盒下的換表方式，存在換表計(jì)量損失、帶電操作風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患[5]。

綜上所述，現(xiàn)有電能表更換方式需要改進(jìn)，要解決電能表更換過程造成電能計(jì)量損失，保證現(xiàn)場作業(yè)安全等技術(shù)問題，一種新型的無損更換電能表思路應(yīng)運(yùn)而生。

一、研究背景

我國現(xiàn)有電能表計(jì)量聯(lián)合接線盒主要作用是將互感器的二次電壓、電流線經(jīng)“計(jì)量聯(lián)合接線盒”（見圖1所示）的端子實(shí)現(xiàn)串、并聯(lián)、斷開接線操作，為電能表現(xiàn)場校驗(yàn)、用電檢查及更換電能表或采集終端設(shè)備提供必要條件。

圖 1 電能計(jì)量聯(lián)合接線盒

（一）電能表更換常規(guī)流程為了給客戶提供優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)，電能表或采集終端更換均為帶電作業(yè)。為了降低換表風(fēng)險(xiǎn)，需要制定“計(jì)量作業(yè)方案”，細(xì)化換表操作流程[6]。換表工作主要分成①工作前準(zhǔn)備②安全措施落實(shí)③數(shù)據(jù)記錄及設(shè)備拆裝更換④通電檢查及現(xiàn)場清理四個(gè)部分。其中①②④均為現(xiàn)場安全作業(yè)及裝置正確運(yùn)行保障的工序。第③部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄及設(shè)備拆裝就是本文所指的換表操作，基于計(jì)量聯(lián)合接線盒電能表更換操作主要步驟如下：

步驟1：電能表信息核對

步驟2：短接電流上連接片（見圖1，劃動橫向劃片）

通過短接電流連接片，電能表上的二次電流回路無電流通過，才可進(jìn)行后續(xù)電流接線端子上接線的拆卸和安裝。

步驟3：客戶確認(rèn)電能表停止度數(shù)

在這一步首先需要客戶確認(rèn)度數(shù)，并用專用設(shè)備拍照，保存電能表相關(guān)信息記錄電能表舊表停止度、拆表時(shí)間以及用電負(fù)荷。

步驟4：斷開電能表電壓回路（見圖1，劃開豎向劃片）

步驟5：斷開接線并拆舊表

步驟6：換上新表并連接線

步驟7：短接電壓連接片，斷開步驟2過程中的短接電流連接片。

（二）常規(guī)換表問題分析

綜上所述換表流程，通過計(jì)量聯(lián)合接線盒方式進(jìn)行換表，電流回路要先短接再斷開連接片方式，電壓回路需要斷開連接片，將運(yùn)行電能表從運(yùn)行回路中隔離后才可以更換新表，操作過程存在以下問題：

1、換表過程少計(jì)電量產(chǎn)生線損

電能表更換中需要先把電能表從運(yùn)行的電壓、電流回路中隔離出來，操作過程時(shí)間需要30分鐘左右，在此期間無法對用戶的用電量進(jìn)行計(jì)量，因而會造成電量損失。根據(jù)本區(qū)域工作人員操作時(shí)間統(tǒng)計(jì)，平均每戶工作時(shí)長約38.2分鐘，其中電量損失時(shí)長約24分鐘，按照2021年度本區(qū)域工作量及用戶負(fù)荷測算，年損失電量30萬千瓦時(shí)。受人員技能、工作精力等影響，該部分工作所產(chǎn)生的電量損失絕大部分未得到有效追補(bǔ)。

2、存在錯(cuò)接線及安全風(fēng)險(xiǎn)

通過計(jì)量聯(lián)合接線盒進(jìn)行電能表更換，在新舊表更換時(shí)需要現(xiàn)場拆接線和連接線的操作，受工作人員技能水平的影響，存在接錯(cuò)線的隱患，換表完成后未將電壓和電流連接片恢復(fù)、電能表終端接線端子接線錯(cuò)誤時(shí)有發(fā)生，需要進(jìn)行電量電費(fèi)退補(bǔ)[7]；如更換前未檢查連接片位置盲目更換，導(dǎo)致電流回路開路或電壓回路短路，嚴(yán)重時(shí)影響人員和電網(wǎng)安全，所以換表操作會帶來相當(dāng)大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3、換表工作效率低下

傳統(tǒng)作業(yè)模式下完成一個(gè)工作點(diǎn)需要30—60分鐘，更換過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，其中為了彌補(bǔ)換表少計(jì)量的電量，工作人員需記錄換表前后負(fù)荷情況，換表時(shí)間等參數(shù)，花費(fèi)了不少人力成本，降低了工作效率[8]。記錄數(shù)據(jù)需用戶進(jìn)行確認(rèn)，通過計(jì)算獲取電量電費(fèi)數(shù)據(jù)，還需同用戶積極溝通，做好追繳電費(fèi)回收，浪費(fèi)了大量人力物力。

二、基于無損換表研究及設(shè)計(jì)

基于計(jì)量聯(lián)合接線盒的電能表更換方式，存在電能計(jì)量的損失以及換表操作的安全風(fēng)險(xiǎn)，為此開展研究無損換表接線裝置的開發(fā)，在滿足計(jì)量聯(lián)合接線盒功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無損換表。

（一）設(shè)計(jì)思路

代替計(jì)量聯(lián)合接線盒的換表裝置要實(shí)現(xiàn)電能表更換過程中，電量計(jì)量“零損失”，操作便捷、準(zhǔn)確、安全。設(shè)計(jì)基本思路是一體化底板[9]和支撐熱插拔的模塊化設(shè)計(jì)，利用2副電能表接線模塊和采集終端模塊將電能表及接線底板模塊插接[10]。換表過程無需進(jìn)行電壓、電流回路隔離的人工操作步驟，消除操作過程安全隱患；新舊電能表更換，采用“先并接再分離”模式，解決換表過程電量損失；同時(shí)滿足現(xiàn)有電能表底座功能外形尺寸的基礎(chǔ)上，采用插拔插頭的方式實(shí)現(xiàn)一鍵插拔更換，操作更便捷安全。

無損換表接線裝置主要部件：一體化底板，電能表接線模塊1，電能表接線模塊2，采集終端接線模塊，竊電防護(hù)罩等組成部分。電能表接線模塊1，電能表接線模塊2，采集終端接線模塊均包括插座和插頭，各模塊插座是一體化底座的一部分，在底座中的部分設(shè)計(jì)了“電流自短路結(jié)構(gòu)”“互鎖機(jī)構(gòu)”，一體化底板布置見圖2所示。

圖 2 一體化底板設(shè)計(jì)示意圖

（二）需要解決的問題及對策

1、電流電壓回路操作中的安全性

為了簡化換表的操作，應(yīng)用了模塊熱插拔技術(shù)，電能表接線模塊涉及電流和電壓回路。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮插拔過程中的電流回路不開路，電壓回路不短路，即插拔過程安全問題至關(guān)重要。為此在底座上設(shè)計(jì)了“互鎖機(jī)構(gòu)”，在采集終端模塊中設(shè)計(jì)了電流防開路“自短路結(jié)構(gòu)”。

2、相同模塊誤操作的問題

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，電能表接線模塊1、2為完全相同的2個(gè)電能表卡槽，安裝時(shí)互為備用。操作順序?yàn)?只電能表模塊均插上，再拔出舊表的接線模塊，由此實(shí)現(xiàn)無損換表。但是在操作中，會出現(xiàn)新表未插上時(shí)，拔出了舊表接線插頭，造成計(jì)量中斷或電流回路開路，產(chǎn)生電量損失和運(yùn)行安全問題。為了防止人員誤操作，在底座上還設(shè)有“互鎖機(jī)構(gòu)”。

3、解決現(xiàn)場誤接線縮短操作時(shí)間

為了縮短現(xiàn)場換表時(shí)間，避免了作業(yè)人員現(xiàn)場帶電裸線連接，大幅度減少作業(yè)時(shí)間，極大提升換表操作安全性以及新?lián)Q表裝置與傳統(tǒng)計(jì)量接線盒有效代替，便于存量用戶改造替換等問題需要在設(shè)計(jì)中得以解決，以達(dá)到提高換表效率的期望。在設(shè)計(jì)中采用了“電纜雙端預(yù)制”技術(shù)，消除現(xiàn)場接線問題。

三、關(guān)鍵技術(shù)分析

（一）無損換表設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)無損換表，2只電能表接線模塊“先并接后斷開”的設(shè)計(jì)要求，底座上并排設(shè)有兩排電能表插接部件，兩排電能表插接部件內(nèi)分別設(shè)有兩組插套，這兩組插套中位置相對應(yīng)的插套通過導(dǎo)電連接件相互連接，在圖3電路中2只電能表接線模塊的電流回路是并接設(shè)計(jì)。

正常運(yùn)行方式為單表運(yùn)行，圖2中2只電能表插座上只有一個(gè)插座插上電能表，另一個(gè)為空倉狀態(tài)；在圖3中，電能表A1或A2插入，流經(jīng)電能表電流為I=I1或I=I2。

當(dāng)在換表操作時(shí)，先接上新電能表再拔出舊電能表，在圖3中2只電能表插座均插上帶電能表的插頭，這種結(jié)構(gòu)將用戶總電流分成表A1和A2同時(shí)計(jì)量，用戶的總電流I=I1+I2，在整個(gè)換表過程中電能計(jì)量從不間斷，而是分成2只電能表分流計(jì)量。當(dāng)換表結(jié)束時(shí)拔出舊電能表，用戶為新電能表計(jì)量狀態(tài)。用戶計(jì)量只要直接讀取新舊電能表度數(shù)即可（默認(rèn)新表原始數(shù)據(jù)），取消了換表過程人工補(bǔ)差的工作流程。換表時(shí)兩個(gè)電能表并接分流實(shí)現(xiàn)不間斷計(jì)量，從而實(shí)現(xiàn)更換過程電量“零損失”。

圖 3 A相電流回路連接示意圖

（二）采集終端模塊自短路設(shè)計(jì)

采集終端因故障、升級改造等原因獨(dú)立更換時(shí)，采集終端電流回路與電能表串聯(lián)，運(yùn)行中如果直接拔出采集終端，會出現(xiàn)電流回路開路的嚴(yán)重后果。要實(shí)現(xiàn)一鍵插拔后不影響電能表正確計(jì)量和防止電流回路開路風(fēng)險(xiǎn)，底座中采集終端模塊插座部分設(shè)計(jì)應(yīng)用了電流回路自短路[11]機(jī)構(gòu)。

如圖3所示，典型的采集終端CA與電能表A1（A2）是串聯(lián)連接，在熱插拔過程中采集終端電流回路是帶電進(jìn)行插拔，面臨的問題是插拔過程中要避免電流回路開路，設(shè)計(jì)中采用了自短路航插技術(shù)[12]。采集終端模塊對應(yīng)的模塊插頭拔出過程中，底座上防開路短連片在插頭拔出行程一半時(shí)先接通，此時(shí)采集裝置電流被短連片短接，插頭拔出行程結(jié)束時(shí)采集終端裝置才真正脫離運(yùn)行的電流回路。

當(dāng)拔出插頭時(shí)，插頭和插座從合體狀態(tài)進(jìn)入分體狀態(tài)。第一插芯和第二插芯在分體狀態(tài)下，觸腳始終與插接件保持接觸，因此，相鄰兩排的插接件即被短接，在一個(gè)插頭內(nèi)可滿足電流的分相及全相短接。

當(dāng)插頭插入時(shí)，即由分體狀態(tài)進(jìn)入合體狀態(tài)，絕緣隔板伸入到觸腳和插管之間，使相鄰兩排插管斷開，結(jié)束自短路狀態(tài)，第一插芯和第二插芯即接通。通過這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了插拔過程的自短路機(jī)制。

（三）模塊的互鎖結(jié)構(gòu)

無損換表設(shè)計(jì)核心思想是換表過程中始終保證有一只電能表在電流回路中工作，所以電能表模塊中要防止換表時(shí)人員誤操作造成唯一一個(gè)運(yùn)行電能表拔出。在電能表接線模塊1和2中特別設(shè)計(jì)互鎖機(jī)制。

互鎖機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)在電能表插接部的底座中，電能表插接互鎖部分于底座上的至少兩個(gè)插接件，以及設(shè)置于底座上的至少一個(gè)彈性卡接機(jī)構(gòu)，所述彈性卡接機(jī)構(gòu)于僅有一個(gè)插接件插接于底座上時(shí)限制該插接件拔出，并在兩個(gè)插接件同時(shí)插接于底座上時(shí)解除該限制。

互鎖結(jié)構(gòu)如圖4所示，第一插接件2或第二插接件3在底座上1時(shí)，第一卡接件161或第二卡接件163在彈簧162的作用下，與第一插接件或第二插接件上的卡接槽卡接。此時(shí)，第一插接件或第二插接件無法單獨(dú)拔出。而當(dāng)另一個(gè)插接件也插入時(shí)，插頭殼體作用于卡接件一端傾斜的受力面上，從而推動卡接件克服彈性元件的彈力產(chǎn)生位移，使得另一端的卡接頭脫離插頭殼體上的卡接槽。此時(shí)，兩個(gè)插接件中的任何一個(gè)均可自由拔出。所以該互鎖機(jī)構(gòu)僅有第一插頭或第二插頭插接于底座上時(shí)限制插頭拔出，并于第一插頭和第二插頭同時(shí)插接于底座上時(shí)解除該限制。

該互鎖結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可靠性好，應(yīng)用于電力設(shè)備中，可保證兩個(gè)插接件中的至少一個(gè)插接件不會被誤拔出，以防止類似誤拔插導(dǎo)致的電流互感器二次線圈開路等風(fēng)險(xiǎn)操作，具有廣泛的實(shí)用性。

圖 4 互鎖結(jié)構(gòu)示意圖

（四）電能表和采集終端裝置電纜雙端預(yù)制

在更新電能表或采集終端時(shí)，電能表和采集終端與計(jì)量聯(lián)合接線盒的電線連接，耗時(shí)較多而且容易出現(xiàn)錯(cuò)接線，存在安全隱患。隨著電力系統(tǒng)快速發(fā)展，電纜預(yù)制技術(shù)在配網(wǎng)一二次設(shè)備融合中廣泛應(yīng)用，在智能變電站也有開始試點(diǎn)應(yīng)用[13]。電纜預(yù)制方案解決了現(xiàn)場電纜接線任務(wù)中易出錯(cuò)的難題，在安裝位置確定的設(shè)備之間通過航插技術(shù)和工廠預(yù)制電纜相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備之間快速連接[14]。

某個(gè)區(qū)域供電局內(nèi)電能表箱尺寸基本統(tǒng)一，電能表和接線盒之間距離可以固化（見圖5所示），為電纜預(yù)制提供了充分條件。在模塊化插拔式的無損換表接線裝置中，在電能表與無損換表接線裝置中3個(gè)模塊的插頭與對應(yīng)的電能表或采集終端設(shè)備之間連接電線，通過工廠預(yù)制電纜完成回路裝接。完成電纜預(yù)制的新電能表或采集終端裝置的插頭直接插入無損換表接線裝置對應(yīng)的插座上，一鍵操作即可完成現(xiàn)場裝接，縮短作業(yè)時(shí)間。確保設(shè)備拆裝快速性和準(zhǔn)確性，縮短現(xiàn)場換表時(shí)間，避免現(xiàn)場接線時(shí)出現(xiàn)誤接線或錯(cuò)接線。

圖 5 電能表、采集裝置電纜雙端預(yù)制示意圖

圖 6 新型無損換表接線裝置實(shí)例

四、研究成效

基于模塊化設(shè)計(jì)的無損換表接線裝置在正常運(yùn)行時(shí)，電流、電壓回路連接與原來傳統(tǒng)接線盒基本一致。原電能表和采集裝置經(jīng)“計(jì)量聯(lián)合接線盒”接入，現(xiàn)通過“無損換表接線裝置”接入電網(wǎng)，應(yīng)用實(shí)例見圖6所示，主要成效：換表操作便捷，操作過程電量“零損失”，縮短換表時(shí)間。

（一）安裝接入便捷

工廠預(yù)制電纜和校準(zhǔn)的電能表為一體，只要把插頭插入電能表接線模塊1或電能表插接線模塊2的插座上，即刻完成電能表現(xiàn)場安裝接入工作；同理，工廠預(yù)制電纜和采集終端裝置為一體，把采集終端插頭對應(yīng)插到終端插座上，即刻完成采集終端裝置安裝和接入工作。進(jìn)入正常工作狀態(tài)只有單表運(yùn)行時(shí)，電能表的插頭因自鎖不能拔出；而采集終端插頭可以拔出，其退出工作狀態(tài)，不影響運(yùn)行電能表正常計(jì)量工作，經(jīng)新設(shè)計(jì)裝置電能表和采集終端接入電網(wǎng)工作狀態(tài)清晰、安全措施到位。

（二）換表過程“零損失”

如電能表接線模塊插頭1在插入狀態(tài)，電能表插頭2空倉狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過工廠校驗(yàn)并帶有預(yù)制電纜的一體插頭的新電能表，直接插入空倉的電能表接線模塊的插座上，此時(shí)2個(gè)電能表并接運(yùn)行，電能表插座上自鎖結(jié)構(gòu)為解鎖狀態(tài)，方便把舊表插頭拔出，換表插座完成。此時(shí)，電能表接線模塊1空倉，電能表接線模塊2立即被自鎖，電能表2模塊進(jìn)入工作狀態(tài)無法拔出，反之亦然。換表操作完成，又恢復(fù)到單表運(yùn)行的狀態(tài)，操作全過程保持無間斷電能計(jì)量，換表過程實(shí)現(xiàn)“零損失”。

（三）換表耗時(shí)明顯縮短

表 1 作業(yè)時(shí)間對比統(tǒng)計(jì)表

2021年電能表輪換及老舊終端改造中，對新、舊換表裝置和方法進(jìn)行了現(xiàn)場裝接驗(yàn)證。筆者統(tǒng)計(jì)了不同熟練程度和技術(shù)水平的操作人員對新、舊換表方式下每一工作部分所耗費(fèi)時(shí)間，具體數(shù)據(jù)見表1。

通過現(xiàn)場實(shí)際安裝數(shù)據(jù)可見，電能表、采集終端綜合更換時(shí)間從38.2分鐘縮短到16.1分鐘（其中主要節(jié)省的時(shí)間為短接和斷開聯(lián)合接線盒連片的時(shí)間），工作效率提高了42%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量“零”損失。同時(shí)非熟練工人的綜合時(shí)間平均的45分鐘提高到18分鐘，縮短了與熟練工的差距，使得非熟練工也能快速勝任換表工作。所以采用新設(shè)計(jì)的無損換表接線裝置換表耗時(shí)大大縮短，工作效率明顯提高。

結(jié)束語

基于模塊化設(shè)計(jì)的無損換表接線裝置，技術(shù)上滿足了電流回路防開路功能、支持模塊熱拔插、帶互鎖機(jī)制及防誤操作功能。把原本換表操作改成插拔插座一樣便捷，解決了電能表和采集終端更換過程中的電量損失、接線過程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)、人工成本較高等問題[15]。該無損換表接線裝置操作便捷可靠，非熟練工人也能夠安全快速作業(yè)，是一種替代傳統(tǒng)計(jì)量聯(lián)合接線盒的新產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)電能表和采集終端更換過程電能計(jì)量零損失、操作快速便捷，大幅度降低人工成本和時(shí)間成本，更換電能表的工作效率明顯增加。采用了電纜雙端預(yù)制技術(shù)，消除了現(xiàn)場錯(cuò)接線安全隱患，提升了計(jì)量運(yùn)維的安全性?；谀K化設(shè)計(jì)的無損換表接線裝置改進(jìn)了電能表安裝和更換的方式，所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益非常明顯。