10kV高壓電能質量在線監測裝置的研究現狀及發展方向

董森森武振宇高自力牛宇干平海濤

（1. 平頂山平高安川開關電器有限公司，河南 平頂山 467001；2. 國網河南省電力公司平頂山供電公司，河南 平頂山 467001）

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10kV高壓電能質量在線監測裝置的研究現狀及發展方向

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（1. 平頂山平高安川開關電器有限公司，河南 平頂山 467001；2. 國網河南省電力公司平頂山供電公司，河南 平頂山 467001）

從高壓側進行電能質量在線監測的需求日益增強。針對此現狀，本文研究了各種高壓在線監測裝置的優缺點，提出了高壓在線監測裝置的發展方向及其核心技術，并對各種裝置及核心元器件的國內外研究現狀進行了介紹。

電能質量；高壓在線監測；帶電安裝

現代電力系統中，用電負荷結構發生了重大變化，分布著大量非線性、沖擊性和波動性負荷［1-2］，比如大功率的調壓及變頻設備、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路、化工行業大型整流設備、感應加熱爐等，由于這些負荷的存在，使得電網發生波形畸變（諧波）、電壓波動或閃變、三相不平衡的幾率大大提高，進而嚴重影響電網的電能質量。同時，隨著基于微機處理技術的精密電子儀器在電力工業中大量使用，社會對供電質量的敏感程度越來越高，對電能質量的要求也越來越高，從而使得電能質量問題及其解決措施逐漸成為研究的熱點［3-4］。

要對電網的電能質量進行改善，首先要對電能質量做出精確的檢測和分析，測量電網的電能質量水平，并分析和判斷造成各種電能質量問題的原因，為電能質量的改善提供基礎依據。

10kV配電網作為最終電力用戶的配電網絡，分部最廣、網架結構和負荷變化最為復雜、由于直接連接著供電負荷，其電能質量最易受到影響。從整個電網系統看，提高配電網電能質量水平對提高整個電網電能質量水平的貢獻重大；從配電網承上啟下的供電作用看，有效地將 10kV配電網的電能質量予以優化提高，直接決定著上游電網和下游用戶的電能質量［5-6］。因此，電網系統電能質量管理的首要任務，就在于全面建成 10kV配電網的電能質量在線監測系統。

抓住這個要害意味著需要對整個配電網進行動態實時的監測，這種監測是分散的，是多點分布監測的。不僅如此，隨著因特網的發展，電力企業更加要求監控具有多點成面的效果，能夠構成全網的實時監測與全網監測信息的共享。在此情況下，引進了分布式的概念，從而使得電能質量的監測也具有分布式的效果，完全符合電力企業的要求。

目前，國內外對電能質量的監測方式主要為在線監測，且主要集中在低壓側，若實現對高壓側的直接監測，需要與高壓傳統電磁式互感器配合測量。

傳統高壓電磁式互感器無法在不斷線不停電的條件下帶電安裝，且具有易鐵磁飽和、測量范圍小、響應頻帶窄、易鐵磁諧振、自身功耗大等原理性缺陷，大量安裝后還會增加線路鐵磁諧振點［7-8］、增加線路無功等導致電網安全經濟運行水平降低的缺陷，使得現有設備無法滿足電網用戶對快速靈活的分布組網進行監測，以獲取大數據的需求。

由于配電網中大量高損耗配電變壓器的存在，以及需要對分支線路進行分線監測，使得從高壓側直接進行電能質量監測的必要性日益增大。另外，用戶對供電可靠性要求越來越高，停電施工越來越難，從而要求大部分的電能質量在線監測需要在現有的運行電網中進行帶電安裝，這就使得電能質量在線監測裝置可實現帶電安裝的需求越來越強。

本文首先對各種 10kV高壓在線監測裝置的原理進行分類比較，進而總結了高壓在線監測裝置的應用領域，提出了技術發展方向，最后介紹了高壓在線監測裝置及核心元器件的國內外研究現狀。

1 高壓在線監測裝置分類及特點

從技術上看，目前在 10kV配電網中可實現高壓側電能質量在線監測的裝置包括［9］：基于傳統高供高計的電能質量在線監測裝置［10］、基于傳統電磁感應原理的高壓電能表、基于低功率線圈（以下簡稱LPCT）和分壓原理的高壓電能表［9-11］、基于羅氏線圈和電容分壓原理并可帶電安裝的高壓電能質量在線監測裝置四大類，具體特點比較見表1。

表1　10kV高壓在線監測裝置的分類及特點

當前實現高壓側電能質量在線監測的絕大部分方式為第一種；其中前三類技術方案，均無法在不斷線不停電的條件下安裝；后三類技術方案，在二次測量回路上均沒有二次轉換，消除了二次測量誤差，整體測量精度比第一種要高；其中傳統高計型和傳統電磁型均存在容易磁飽和、易鐵磁諧振、以及大量安裝會增加線路無功等安全經濟性缺陷；LPCT及分壓型由于采用兩元件設計和 AC相高壓側采集計算電能的技術方案［11-12］，無法同時一起采集計算三相電流電壓量，當用于電能質量在線監測時，尚需要解決數據同步問題。

綜上所述，若要實現不停電不斷線的條件下進行高壓側電能質量在線監測，以及大面積安裝不會引起電網運行的安全經濟問題，就必須從電流互感器、電壓互感器以及供能互感器三大核心部件入手。制約該類產品尚不能具備這些功能的主要原因在于：開口電流互感器［13-14］的絕緣水平、抗干擾度、準確度和溫漂特性；電容分壓器的絕緣水平、抗干擾度、準確度和溫漂特性；以及高壓電容供能問題。因此，如何解決這些核心部件的技術難題，如何解決可帶電安裝的高壓電能質量在線監測裝置的產品性能一致性和可靠性問題，成為產品大批量實用化應用的關鍵所在。

經過多年的研究和發展，基本形成了行業共識：大力發展配電網帶電安裝設備、并建成分散分布式［15］的高壓側電能質量的在線監測系統是必然的趨勢，由于傳統電磁式互感器和現有高壓電能表的種種弊端和局限性，基于這些技術方案實現的高壓電能質量在線監測裝置將只是過渡性產品，而可帶電安裝的高壓電能質量在線監測裝置則由于其理想的方案設計，將會成為 10kV高壓電能質量在線監測最具前景的方案。

2 10kV可帶電安裝的高壓電能質量在線監測裝置的應用領域

10kV可帶電安裝的高壓電能質量在線監測裝置的應用領域主要體現在以下幾個方面。

2.1變電站主變10kV出線側的應用

在變電站主變 10kV出線側加裝該裝置，可整體在線監測各條出線的實時電能質量指標，可更有針對性地實現分區電能質量管理。

2.210kV配電網分支線路的應用

隨著 10kV可帶電安裝的高壓電能質量在線監測裝置的應用，分線管理電能質量和線損將成為現實，隨著配網自動化的發展，在各類隨機的網架重構，以及分布式電源接入下的線損計算和電能質量監測將變得輕松，這將有效解決廣大城鄉配電網導線線徑普遍偏小而無法預防安全運行的問題。另外，分散分布式監測［15］，以及高精度的三元件原理設計為大幅提高接地故障判定精度提供了有效的基礎數據支撐。

2.3配電變壓器高壓側的應用

將 10kV可帶電安裝的高壓電能質量在線監測裝置與配電變壓器低壓側表計配合，可實現高損配電變壓器損耗的實時監測，同時也能有效解決用戶竊電問題。

2.4電力電子裝置中的應用

目前，電力電子裝置在電力系統以及其他行業已取得廣泛應用。電力電子裝置的應用，對電流、電壓傳感帶來了挑戰，提出了更高的要求。電力電子裝置通常采用全控器件，其電流、電壓大部分為高頻或非周期信號。由于常規CT存在響應速度慢、高頻測量精度差等缺陷，基本無法應用；同時，霍爾傳感器［16-18］極易受材料、溫度及磁場等因素的影響，導致測量精度較差、且一、二次絕緣困難，使得這類傳感元件也無法應用。同時，部分電力電子設備向電網注入高次諧波，影響電網安全，但因無合適的傳感器而無法準確判斷，因而 10kV可帶電安裝的高壓電能質量在線監測裝置有著廣闊的應用前景。另外，基于分散分布式系統的大數據，全面實現配電網的無功潮流計算與監測也將成為可能，這將有利于利用配電網全網無功補償與調壓設備實現自動無功補償與調壓等遙調功能迭代算法的積累［19］。

3 國內外研究水平概述

目前，國內成熟和成形的同類產品尚未出現，但10kV可帶電安裝的高壓電能質量在線監測裝置中應用的開口電流互感器、分壓型電壓互感器及高壓電容取能互感器，國內外廠家均有涉及，主要以電子式互感器廠家、各類低壓互感器元件制造商以及成套高壓電測儀器廠家為主［20］。

3.1核心元器件的國內外研究現狀

開口電流互感器［13-14］主要有開口鐵心線圈、柔性羅氏線圈和硬質開口羅氏線圈三類，開口鐵心線圈應用成熟廠家眾多、不勝枚舉，該類線圈實現的高壓開口互感器應用較多，但基本作為短時測量的儀器使用較多，且絕緣水平較低；開口羅氏線圈最具代表性的廠商為：英國PEM的柔性羅氏線圈和美國PEARSON的硬質羅氏線圈，但主要應用于戶內低壓儀表儀器測量上，其測量精度很高，但在溫漂特性上設計考慮較少，且價格不菲［21-23］。

分壓器型電壓互感器主要分為電阻分壓型、電容分壓型兩種，電阻分壓器國內生產的溫度特性比國外要差，且主要應用于環境穩定的戶內測試儀器中，用于互感器的高壓電阻基本從美國和德國的主要元件供應商進口，價格較高，作為互感器在實際的工程中應用較少；從應用最多的案例看，平高安川生產的 SF6斷路器中采用的低溫漂陶瓷高壓電容分壓器最具代表性，由該類電容器制成的電壓互感器準確度較高，但該類電容器為氣體絕緣，尚未在干式互感器上有過成熟應用。

采用高壓電容分壓取能的方式沒有死區，可有效規避電流取能互感器因存在開口無法在小電流下輸出功率的問題［24］、電磁式電壓互感器供能有鐵磁諧振安全隱患的問題、以及太陽能取能遇連續陰天無法蓄能以及光電池壽命有限的問題。另外，鑒于考慮產品的免維護性，外絕緣需制成干式。因此，大容量陶瓷電容成為首選，目前該類供能方式武漢國測等公司有過成熟應用［10］。

總之，國內外用于高壓側的開口電流互感器多用作短時測量儀器，部分作為長期運行設備的開口互感器基本采用開口鐵心制成，除小電流測量準確度低外，因鐵心開口處絕緣薄弱，容易產生安全問題，基本都作為臨時儀器使用［24］。

電阻是耗能元件，分壓器工作時會消耗一定的能量轉化為熱量，一般的樹脂澆注體導熱系數較低（一般小于 1W/m·K），所以電阻分壓原理的電壓互感器內部會積聚大量熱量，使傳感元件及其絕緣加速老化，因此，該類方式本項目不予采納。而電容是非耗能元件，故電容分壓器工作時幾乎無損耗，無發熱，從而獲得了廣泛應用。

3.2國內相關產品研究現狀

目前，國內現有成型的產品中，高壓電能表與可帶電安裝的高壓在線監測裝置最為相近。國內自2001年開始，對高壓電能表的基本理論、實現方案等進行了廣泛調研，對一些關鍵技術進行了研究，取得了初步的試驗結果，在原理上論證了方案的可行性。

清華大學分別于2001年和2004年研制了基于DSP的高壓電能表和采用光纖電流互感器的高壓電能表，但沒有實現產業化［25］。

國內也有其他公司相繼進行高壓電能表的研發并取得了小批量應用，代表廠家有：武漢國測推出的兩元件結構的、基于LPCT和電容分壓器方案的高壓電能表；山東淄博計保、長沙威勝先后研制的兩元件結構的、基于傳統電磁式互感器的高壓電能表。這些公司均有產品在 10kV配電網上有過掛網運行和小批量應用，但均不能在不停電不斷線的條件下帶電安裝，另外，該類產品對溫度環境應力的免疫性、以及大面積應用下的長期穩定性和安全經濟性方面的表現尚須經實踐檢驗。

總之，國內已有多家科研單位對此項技術開展研制，具備了一定的基礎，有多套具備高壓電能計量的裝置已掛網運行，但受到產品功能和可靠性不足的制約，目前離大規模推廣應用尚有一定距離。

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4 結論

綜上所述，在 10kV高壓電能質量在線監測裝置中，可帶電安裝的監測裝置的市場潛力巨大，它不僅將會填補該類產品在國內外市場的空白，還為配電網節能降損的閉環解決方案提供了技術支撐，由此產生的直接和間接經濟效益將以每年數十億計。更為重要的是，由于 10kV可帶電安裝的高壓電能質量在線監測裝置的使用提高了系統的安全性和可靠性，從而大大減少事故發生概率，由此帶來的經濟及社會效益將更為可觀。

Research Status and Development Trend of 10kV High Voltage Power Quality On-line Monitoring Device

Dong Sensen1Wu Zhenyu2Gao Zili2Niu Yugan2Ping Haitao1
（1. Pinggao-Yaskawa Switch Appartus Co.，Ltd，Pingdingshan，He’nan 467001；2. Ping dingshan Power Supply Company of State Grid，Pingdingshan，He’nan 467001）

The demand for power quality on-line monitoring from high voltage side is increasing day by day. For this situation，this paper discusses the advantages and disadvantages of various devices，proposes the development trend （live installation） and core technology，and introduces the domestic and foreign research status of various devices and core components.

power quality； high voltage on-line monitoring； live installation

董森森（1984-），男，工程碩士，工程師，主要研究方向：柱上開關及配電網自動化技術。