電子式互感器在10 kV一體化電能計(jì)量裝置中的應(yīng)用

胡紅陔 柴玲芳

（珠海威瀚電氣有限公司，廣東珠海519000）

0 引言

20世紀(jì)60年代，國(guó)外開(kāi)始研究電子式互感器，但由于技術(shù)問(wèn)題，一直處于理論及實(shí)驗(yàn)研究階段。90年代初期才有了實(shí)際性的進(jìn)展，取得了一定的成果，多種類(lèi)型的產(chǎn)品開(kāi)始出現(xiàn)。此時(shí)電子式互感器才進(jìn)入實(shí)用化研制階段，并逐步朝高壓、超高壓和特高壓的方向發(fā)展。我國(guó)對(duì)于電子式互感器的研究始于20世紀(jì)70年代，以1982年在上海召開(kāi)的“激光工業(yè)應(yīng)用座談會(huì)”為起步[1]。

電子式互感器與傳統(tǒng)互感器相比，具有無(wú)磁飽和，測(cè)試范圍大，二次輸出無(wú)畸變，無(wú)安全隱患的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)由于與電子式互感器相連接的電子線路都是小電流、小負(fù)載，從而減小了體積和重量。

采用電子式電流、電壓互感器，接上電能計(jì)量模塊及其他輔助電路，可組成一種新型的一體化電能計(jì)量裝置。這是電子式電流、電壓互感器的一種應(yīng)用，它由于體積小而使得安裝、維護(hù)更加方便，不需要專(zhuān)門(mén)的計(jì)量柜，同時(shí)也降低了成本，還減小了本身的功率消耗，起到了對(duì)傳統(tǒng)電能計(jì)量裝置更新?lián)Q代的作用。

1 10 kV一體化電能計(jì)量裝置的工作原理

我公司研制了一種10 kV一體化電能計(jì)量裝置，內(nèi)含電子式電壓/電流互感器、多功能電能數(shù)據(jù)處理及遠(yuǎn)程通信單元和高壓取能電路，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 10 kV一體化電能計(jì)量裝置邏輯圖

1.1 電子式電流互感器

電子式電流互感器從用途上分，可分為測(cè)量和保護(hù)。從原理上分，可分為光學(xué)電流互感器、空心線圈（或叫Rogowski線圈）電流互感器和低功率電流互感器（LPCT）[2]。

1.1.1 光學(xué)電流互感器（包括光纖電流互感器）

它主要采用光學(xué)器件作為被測(cè)電流傳感器，光波物理特征由被測(cè)電流調(diào)制，光波調(diào)制可分為強(qiáng)度調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制等。這種電流互感器，技術(shù)較復(fù)雜，調(diào)試維護(hù)較嚴(yán)格，成本較高，大批量用于中壓電力系統(tǒng)不太適合。

1.1.2 空心線圈電流互感器

空心線圈又叫羅氏（Rogowski）線圈，空心線圈電流互感器是一種在非磁性材料的骨架上均勻繞制了線圈的穿心式電流互感器。

它的測(cè)量理論是安培環(huán)路定律：在恒定磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任何閉合回路的線積分，等于這閉合回路中所包圍的所有電流之代數(shù)和。

式中，dl為線圈上小段長(zhǎng)度；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

式中，B為線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ為磁導(dǎo)率；e（t）為線圈兩端的感應(yīng)電壓；N為線圈匝數(shù)；M為線圈的互感。

由此可見(jiàn)，線圈一定時(shí)，M為定值，線圈的輸出電壓正比于被測(cè)電流的微分，故在輸出電壓后加上積分器，即可得到與一次電流成正比的電壓。

與傳統(tǒng)的電流互感器相比，它的測(cè)量范圍寬（0～1 000 kA），線性度高，通頻帶寬，無(wú)剩磁，無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)，過(guò)電流能力強(qiáng)，制造成本低，功耗小，尺寸小，重量輕。但要在批量生產(chǎn)的計(jì)量裝置中使用，主要問(wèn)題是控制轉(zhuǎn)換誤差和分布誤差。同時(shí)，由于羅氏線圈輸出的電壓信號(hào)能量太低，要傳輸?shù)接?jì)量裝置并進(jìn)行積分處理，易受干擾，且傳輸和轉(zhuǎn)換會(huì)增加額外誤差，故實(shí)現(xiàn)較高準(zhǔn)確度測(cè)量比較困難。因此，空心線圈電流互感器應(yīng)用于保護(hù)場(chǎng)合具有優(yōu)勢(shì)。

1.1.3 低功率電流互感器（LPCT）

對(duì)于中壓計(jì)量的電子式電流互感器可以采用低功率CT（LPCT）。LPCT與常規(guī)CT的工作原理相同，但它在常規(guī)CT的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)電子產(chǎn)品接口的要求，減小了輸出功率和信號(hào)值；同時(shí)選用優(yōu)質(zhì)非晶合金磁芯，改善了磁芯的飽和度，擴(kuò)大了測(cè)量范圍。因此，其鐵芯截面較小，體積小，成本低。

但由于輸出信號(hào)及容量小，也易受干擾，故在使用時(shí)，不宜選擇普通開(kāi)啟式LPCT；另外，應(yīng)與計(jì)量模塊整體設(shè)計(jì)，使得電流輸出在測(cè)量線性范圍內(nèi)，并整體校驗(yàn)。

1.2 電子式電壓互感器

電子式電壓互感器按原理可分為光電電壓互感器、電容分壓式和電阻（阻容）分壓式電壓互感器。

光電電子式電壓互感器的原理是利用光學(xué)晶體的物理效應(yīng)進(jìn)行電壓測(cè)量，同樣具有無(wú)磁飽和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其技術(shù)復(fù)雜，對(duì)環(huán)境溫度和外界應(yīng)力敏感，成本較高；電容分壓式互感器具有暫態(tài)性能好，與二次無(wú)直接電的聯(lián)系等優(yōu)點(diǎn)，但電容易受環(huán)境溫度影響，使測(cè)量準(zhǔn)確度控制比較困難；電阻分壓式互感器是用精密電阻作為分壓元件，技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有測(cè)量準(zhǔn)確度容易控制、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。而且只要高壓臂與低壓臂的溫度系數(shù)方向一致、數(shù)值相當(dāng)，溫度系數(shù)的大小對(duì)分壓輸出沒(méi)有影響。但電阻的功率和絕緣受體積限制無(wú)法做到較大，因而其主要用于中壓電力系統(tǒng)[3]。

電阻式電壓互感器的測(cè)量主要受高壓電場(chǎng)環(huán)境下雜散電容的影響。由于雜散電容的存在，電容性電流疊加在電阻分壓器的電阻電流上，使得二次輸出不再精確地滿足電阻分壓的理論關(guān)系。

采用屏蔽是改善電場(chǎng)分布狀況和雜散電容影響的有效方法。如圖2所示，在高壓臂、低壓臂上分別加上兩塊金屬層，可使得大部分雜散電容保持固定，不受環(huán)境變化的影響。而固定不變的雜散電容可通過(guò)校驗(yàn)，用軟件加以校正（變成實(shí)際上阻容分壓）。

圖2 電阻分壓器雜散電容分布

屏蔽是關(guān)鍵技術(shù)，屏蔽電極的設(shè)計(jì)要解決絕緣強(qiáng)度、整體尺寸與屏蔽效果之間的矛盾，需要較高的電磁兼容設(shè)計(jì)水平和大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。我公司經(jīng)過(guò)多年的理論和實(shí)踐積累，已經(jīng)成功解決了這一問(wèn)題。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 10 kV一體化計(jì)量裝置準(zhǔn)確度測(cè)試及校驗(yàn)臺(tái)

我公司就10 kV一體化計(jì)量裝置的測(cè)試研制了一套校驗(yàn)測(cè)試臺(tái)，原理框圖如圖3所示。由高壓電源同時(shí)提供給由標(biāo)準(zhǔn)互感器和標(biāo)準(zhǔn)電能表組成的標(biāo)準(zhǔn)高壓電能計(jì)量系統(tǒng)和被校電能計(jì)量裝置，再在電能計(jì)量校驗(yàn)臺(tái)上校驗(yàn)，得出計(jì)量誤差。然后計(jì)算校準(zhǔn)參數(shù)，寫(xiě)入10 kV一體化計(jì)量裝置的內(nèi)存，從而使計(jì)量誤差達(dá)到最優(yōu)。目前我公司研發(fā)的10 kV一體化計(jì)量裝置準(zhǔn)確度測(cè)試及校驗(yàn)臺(tái)可達(dá)到測(cè)試0.2S的要求。

圖3 10 kV一體化計(jì)量裝置測(cè)試及校驗(yàn)臺(tái)原理圖

2.2 實(shí)際檢定

任選兩個(gè)試品進(jìn)行校表及檢驗(yàn)，記錄參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)品校表及檢驗(yàn)記錄參數(shù)表

校準(zhǔn)后，按照企標(biāo)的要求對(duì)所有功能、所有的測(cè)試點(diǎn)及環(huán)境影響、電磁干擾進(jìn)行檢測(cè)（數(shù)據(jù)略）。檢測(cè)證明，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)0.2S級(jí)的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

新型電子式互感器用于10 kV一體化高壓計(jì)量，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由于體積小、重量輕，其運(yùn)輸、安裝等都更加容易、方便；同時(shí)因整體式制造、檢驗(yàn)、安裝，可確保安裝時(shí)的準(zhǔn)確度不變；且不需要單獨(dú)的計(jì)量柜，可以安裝在柱上或高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)；對(duì)于材料的消耗以及本身的電能消耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)互感器，充分體現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)。由于以上優(yōu)勢(shì)，新型電子式互感器將對(duì)傳統(tǒng)電能計(jì)量裝置起到更新?lián)Q代的作用。

[1]李映雪，聶珣.電子式互感器的發(fā)展前景[J].湖北電力，2007，31（6）：28-29.

[2]胡鵬.電子式電流互感器的原理及應(yīng)用[J].云南電力技術(shù)，2011，39（5）：72-76.

[3]方春恩，李偉，王佳穎，等.基于電阻分壓的10 kV電子式電壓互感器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（5）：58-63.