增強絕緣型高壓電能表的安全性能分析*

仇文倩， 榮瀟， 榮博， 蘇萬武， 劉偉

(1. 山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049； 2. 國網技術學院， 濟南 250000；3. 山東計保電氣有限公司，山東 淄博 255000； 4. 國網淄博供電公司，山東 淄博 255000)

0 引 言

在電力系統中，高壓電能計量裝置聯結發電、供電、用電三方，用于電能量的貿易結算，為電力系統的測量、監控、保護、調度提供數據信息支撐，具有至關重要的作用。傳統高壓電能計量裝置是由電壓互感器、電流互感器、電能表以及一、二次接線等組成，存在由鐵磁諧振、容升現象、高次諧波、操作過電壓等可能引起的安全性問題。為此，許多專家進行了大量研究，或提高互感器的性能、或發明新型傳感器件，特別是高壓電能表的出現，使高壓電能計量裝置從工作原理到結構組成上均發生了重大變化，并且較好地解決了上述問題。

高壓電能表做貫穿式接線，且具有體積小、重量輕、智能通訊，可安裝在戶內外供電線路中，適用于裝設在源、網、荷之間相互連接的任意位置，即在環網的T連接點、分布式能源的出入接口、用電戶末端等，都可以方便應用。但是，這些位置也更容易受到危及安全性的多種因素的侵害。針對于此，論文提出增強絕緣型高壓電能表新概念，旨在通過提高高壓電能表的耐受電壓，并增加其承受試驗電壓的類型等，以切實有效地提升高壓電能表在復雜工況和不同工作環境下的運行安全性和可靠性。

1 配電網傳統電能計量方式存在的問題

目前，10 kV配電網大量使用電能計量柜或高壓電力計量箱進行電能計量。具體是先利用高壓電磁式電壓互感器和電流互感器，將高電壓轉換成標準的低電壓(100 V或100√3 V)，把大電流轉換成標準的小電流(5 A或1 A)；轉換后的標準電壓、電流再接入電能表，進而在高壓接線位置實現對配電線路電能的計量，見圖1。

圖1 傳統電能計量原理圖

圖1中，PT1、PT2為電壓互感器，CT1、CT2為電流互感器，DB1、DB2表征的是電能表的輸入線圈。由于原理性的原因，現行的高壓計量方式存在許多弊端。具體問題主要包括誤差大，且計量裝置的整體誤差無法溯源，對應著圖1所示的傳統高壓電能計量裝置的綜合誤差為：

γ=γ0+γh+γd+γj

(1)

式中γ0表示電能表本身的誤差；γh為互感器的合成誤差；γd表征二次回路接線的電壓降誤差；γj是連接導線之間接觸電阻的電壓降誤差。

對電能表誤差γ0，可以用電能表校驗臺進行檢定；對互感器合成誤差γh，能夠以互感器校驗儀進行檢定；但對二次回路接線以及連接導線接觸電阻的電壓降誤差，即γd、γj，則在高壓電能計量裝置安裝后是無法進行測量的。因而，對組裝后的高壓電能計量裝置的整體誤差無從得知；且高壓電能計量裝置安裝過程中出現的人為不確定因素，則更無法被測定。

配電網傳統電能計量方式存在的另一個弊端是高耗能。每個電能計量點都必須裝設多個電壓互感器、電流互感器、電能表等，這些設備自身的損耗，壓接點以及一、二次連接導線電壓降等，會引起相當大的能耗。

配電網傳統電能計量方式存在的另一個弊端是高耗材。每個電能計量點需要裝設多個電壓互感器、電流互感器和電能表等，這就意味著需要耗費大量的硅鋼片、銅、鋼、變壓器油以及環氧樹脂等資源型材料；而且傳統高壓電能計量裝置自身的體積大、分量重、安裝運維費用高。

配電網傳統電能計量方式存在的另一個弊端是防竊電困難。具體地，電能計量回路的連接導線多，外露節點多，易發生竊電現象；以改CT銘牌、改接線、增加短路電流線圈、開路電壓線圈等方式實施竊電的情況時有發生；由于其中的電能表處在低壓側，作弊就很容易，不法分子利用電能表的編程器、強磁場裝置等干擾電能表從而竊電也屢見不鮮。在這種電能計量接線下，為比較有效地防止竊電，需投資增設防竊電設施以及監管人力等的費用相當巨大。

配電網傳統電能計量方式的另一個缺點是安全性差。統計表明，電力系統故障超過80%的比例來自配電網，其中主要是由于變壓器空載或輕載時出現的容升現象、鐵磁諧振、操作過電壓、雷電沖擊過電壓、直流分量以及高次諧波等影響因素而引起的。

針對上述問題，經過行業內專家、工程技術人員的大量探索和反復試驗，高壓電能表應運而生。但是，由于最早投運的高壓電能表處在無保險、無任何保護措施的狀態下直接接入高壓電力線路，如何切實保證其安全、可靠地運行，就已成為如何進一步做好高壓電能計量工作的重點之一。

2 影響高壓電能計量裝置安全性的主要因素

配電系統中，影響高壓電能計量裝置安全性能的因素很多，分析清它們的影響機理和形成原因，從而對高壓電能計量采取針對性強的優化改進措施，成為提高高壓電能計量裝置運行安全可靠性的關鍵。

(1)鐵磁諧振。在10 kV中性點不接地配電系統中，變壓器這種感性器件與系統中的電容串聯，當變壓器的鐵芯出現飽和時，會致使感抗下降，可能造成ωL=1/(ωC)(即ω=ω0=1/√LC)，于是系統中發生鐵磁諧振現象，表現為諧振過電壓。這種過電壓，輕則造成高壓電能計量裝置電壓回路的一次電流增大，使熔絲熔斷，破壞絕緣；重則燒毀互感器、絕緣子、避雷器等一次電氣設備，造成系統停運，嚴重威脅著電力系統的安全穩定運行；

(2)

線路空載時，線路電阻R可忽略，工頻容抗XC大于工頻感抗XL，使線路阻抗呈容性。即有:

(3)

容升現象嚴重時，可能會使容升電壓達到系統額定電壓的幾倍，勢必會造成一次電氣設備的絕緣被擊穿，影響電力系統的安全運行。因此，應該采取有效措施對容升現象加以限制；

(3)操作過電壓。對于10 kV的配電系統，當操作開關，或由事故狀態引起系統拓撲結構發生改變時，其中各儲能器件的能量會重新分配，相應發生的振蕩，就會導致所謂操作過電壓。一般地，10 kV配電系統使用的降壓變壓器，其對地的總電容為CFe。電網實施拉閘操作的瞬間，空載變壓器的空載電流瞬時值為Ia，相應的外施電壓瞬時值為Ua。此時，變壓器一次側電感L1中的磁場能量為1/(2L1Ia2)，電容CFe上的電場能量為1/(2CFeUa2)，由于這時變壓器的一次回路是由電感L1和對地總電容CFe并聯構成的回路，故在拉閘操作瞬間，回路內將發生電磁振蕩過程。在該電磁振蕩過程中，某一瞬間電流等于零時，磁場能量全部轉化為電場能量，就使得電容上的電壓升高，形成過電壓。

操作過電壓會使某些電氣設備和線路上承受的電壓大大超過正常運行電壓，從而危及電氣設備和線路的絕緣；

(4)雷電沖擊。根據過電壓形成的物理過程，雷電過電壓可分為感應雷過電壓和直擊雷過電壓。按照雷擊線路部位的不同，直擊雷過電壓又分為反擊和繞擊兩種情況。

雷擊發生在電力線路附近的大地上時，根據電磁感應原理，在電力線路的導線上會產生感應雷過電壓。

當雷擊點相距電力線路的距離s>65 m時，此感應雷過電壓的最大值為：

(4)

式中IL為雷電流的幅值(kA)；hd為導線懸掛的平均高度(m)。

對一般高度(約40 m以下)的無避雷線的電力線路而言，此感應雷過電壓的最大值可表示為：

Ug=ahd

(5)

式中a為感應雷過電壓系數(kV/m)。

雷直接擊中輸電線路塔桿、避雷線或導線時，由此產生的過電壓稱為直擊雷過電壓。其中，雷電繞過避雷線的保護范圍而直接擊于導線稱為繞擊；雷電通過塔桿的接地電阻，使塔桿和避雷線的電位突然升高，使得塔桿與導線的電位差超過線路絕緣子閃絡電壓，絕緣子發生閃絡，導線上會出現很高的電壓。這種塔桿電位升高，反過來對導線放電的現象稱為反擊。

反擊發生時，雷擊塔桿桿頂，雷電通道中的負電荷與塔桿、避雷線和大地中的正電荷相中和，形成雷電沖擊電流。直擊雷過電壓的繞擊與反擊的區別在于雷擊點不同。發生繞擊時，雷電流繞過避雷線而直接擊中電力導線。一旦出現這種情況，往往會引起電力線路絕緣子串的閃絡。

統計發現，由于絕緣水平低而引起的感應雷過電壓發生的故障率超過90%，這無疑對電氣設備絕緣構成嚴重威脅；

(5)直流分量。隨著電力電子設備使用量的不斷增多，配電系統中常會由于電力電子開關器件發生開斷時，因開關器件特性與驅動電路存在不對稱，致使系統線路中產生直流分量；再則，非全相整流負荷、直流輸電線路與交流輸電線路的并行等，也會在配電系統中產生直流分量，造成直流偏磁。直流分量的出現，會造成感性電氣設備可能出現嚴重的磁飽和，致使勵磁電流畸變嚴重，產生大量的高次諧波；還會使電磁式互感器金屬結構件的損耗增加，導致其局部過熱，破壞絕緣，損害電氣設備或降低電氣設備的使用壽命；

(6)單相接地故障。中國配電系統大多為中性點非有效接地系統。當該系統出現單相接地故障時，故障相對地的電壓降低，而非故障相對地的電壓將升高√3倍。由此產生的過電壓，將會使電氣設備可能因出現過載而燒毀，危及電氣設備的絕緣，使故障發展成為相間短路，可能釀成更大的安全事故。

上述影響10 kV配電系統安全可靠運行的因素雖無法避免，但完全可以通過優化相關電氣設備產品的設計，使其增強對這些影響因素的適應性和抵御性，提高電氣設備的耐受電壓，使其工作可靠性得到切實提高。為此，文中提出并研發設計出一種增強絕緣型高壓電能表產品。

3 增強絕緣型高壓電能表

3.1 設計技術指標及其適用性

如果能提高高壓電能計量裝置，尤其是其中的高壓電能表對10 kV配電系統中各類非正常波形電壓、電流沖擊的適應性，提升高壓電能表內絕緣的耐受電壓水平，那無疑會明顯提高高壓電能表安全運行的可靠性。為此，在相關理論研究和大量試驗測試工作基礎上，按照國家標準“GB 311-2012 高壓輸變電設備絕緣配合”，將高壓電能表的絕緣水平提高了一個電壓等級，并制定出增強絕緣型高壓電能表產品的企業標準，其相關安全因素的技術指標與普通型高壓電能表不同，具體見表1。

表1 絕緣性能比較表

由表1可以看出，普通型高壓電能表的絕緣水平為12/42/75 kV，而增強絕緣型高壓電能表的絕緣水平被設計為12/65/115 kV，即增強絕緣型高壓電能表的耐受電壓提高了一個等級，相對地的耐受電壓超過42 kV，達65 kV；相與相之間的耐受電壓超過30 kV，達到50 kV；沖擊耐受電壓超過75 kV，達115 kV。再則，普通型高壓電能表耐受電壓的類型僅為整數次高次諧波電壓，而增強絕緣型高壓電能表被設計的，可承受直流、工頻、倍頻電壓等多種電壓波形。高壓電能表設計技術指標的變化和實施，無疑可切實提高增強絕緣型高壓電能表復雜工況下承受過電壓沖擊和影響的能力。

3.2 特殊和巧妙的結構設計

必須指出的是，為切實提高增強絕緣型高壓電能表安全運行的技術性能，減小因裝設其引起配電系統出現故障的幾率，文中在增強絕緣型高壓電能表的結構與外接線方式實現上，采用了貫穿式、無電流接點的巧妙設計，如此，對一塊高壓電能表而言，就取消了4或6個一次側大電流壓接點，以及12或18個二次側安培級電流壓接點，其結果，可消除因負荷變化引起的壓接點阻抗的變化，可避免出現壓接點因發熱而出現的燒毀現象。

3.3 原理結構和各主要單元的功能及實現

根據上述技術指標、結構實現和壓接線方案，研發設計并制造出的增強絕緣型高壓電能表的原理框圖如圖2所示。

增強絕緣型高壓電能表中的高阻抗高壓電壓傳感器、高壓電流傳感器，分別負責將一次側的高電壓信號V直接轉化為可供給電能計量芯片計量電能用的標準小電壓信號v(mV)，把一次側高壓電流信號I直接轉化為供給電能計量芯片計量電能用的標準小電流信號i(mA)；電能計量單元將獲得的標準電壓信號v和標準電流信號i送至乘法器完成功率計算，再經U/f轉換器轉換成相應的脈沖頻率f輸出給存儲計數器進行計數，經累計計算，得到相應的電能量值，并測算出相應的電參量，如電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、正/反向有功電能、正/反向無功電能量、日期、脈沖常數，等等。所測得的數據，可通過無線通訊方式傳送至無線顯示器，實現測得數據的就地讀取；同時，測得數據還可通過GPRS通信方式直接傳回主站，實現增強絕緣型高壓電能表與主站之間的實時通信。

圖2 增強絕緣型高壓電能表原理框圖

增強型高壓電能表的工作電源，是直接從高壓線路取得的；具體也可根據被測負載的實際特性去選用最佳的取源方式，以為該表計的電能計量單元、數據儲存單元以及數據通信傳輸單元提供工作電源。

3.4 試驗驗證

按照制定的增強絕緣型高壓電能表的企業標準，文中對增強絕緣型高壓電能表進行了電氣試驗測試，所有試驗項目的測試結果均合格。增強絕緣型高壓電能表的試驗報告見表2。

表2 增強絕緣性高壓電能表試驗報告

由表1提供的試驗測試數據可見，增強絕緣型高壓電能表的結構、參數和性能設計，均符合所制定的增強絕緣型高壓電能表的企業標準，達到了設計要求。

選取12個高壓計量點，把12套傳統高壓電能計量裝置與增強絕緣型高壓電能表進行并列掛網運行，通過一年的比較，增強絕緣型高壓電能表得到了較好的應用效果，主要試驗運行數據的比較，具體見表3。

3.5 增強絕緣型高壓電能表的諸多優點

基于上表不難發現，增強絕緣型高壓電能表由于在技術指標設計上明顯提高了耐受高電壓的指標，且增加了其可接受多種電壓、電流信號波形的設計，因而明顯提高了復雜工況下耐受高電壓沖擊的能力，使其安全可靠運行的特性明顯增強。

再則，增強絕緣型高壓電能表電流采樣回路采用弱輸出的電流傳感器，電壓采樣回路采用高穩定性的明顯節省了制造所需的多種原材料，是良好的綠色環保產品。增強絕緣型高壓電能表的原材料耗量見表4。

表3 高壓計量裝置試驗運行數據比較表

表4 原材料耗量比較表

高壓電阻及檢流器的設計，相比于傳統高壓電能計量裝置，相比于傳統高壓電能計量裝置中的電能表，增強絕緣型高壓電能表裝設在10 kV配電系統的高電壓側，不法分子若想竊電，會面臨著高壓觸電的極大危險。因此有理由認為，改用它計量電能，基本可杜絕竊電現象，且亦無需增加安裝其他防竊電設備，或再采取另外的防竊電措施。

此外，增強絕緣型高壓電能表由于在結構與外接線方式實現上采用了貫穿式、無電流接點設計，明顯減少了測量回路接線，取消了多個電流接線壓接點，從而消除了因負荷變化引起的測量回路阻抗的變化，避免了測量回路誤差的不確定性，有助于提高電能計量的準確性，增強電能計量的公平性。

增強絕緣型高壓電能表在結構設計上保證了高電壓下實施電能計量數據信息的采集、計算、累計、傳輸、控制以及保護等多種功能的集成與結合，實現了一、二次電氣設備的有機融合，因而具有了上述的諸多優良性能點與特色。

4 應用情況

增強絕緣型高壓電能表直接接入10 kV高壓線路實施電能計量和電參量測量，已逐步應用在配變網的環網拉手點、環網柜、用戶T接點等位置處，應用量大面廣，應用前景十分廣闊。2005年，作者所在企業研發出的第一臺增強絕緣型高壓電能表在淄博市10 kV配電系統掛網運行，為國內2007年召開“全國高壓電能表及其溯源技術研討會”提供了示范，成為中國制定GB/T 32856-2016《高壓電能表通用技術要求》國家標準的起點。截至目前，增強絕緣型高壓電能表已先后在國內許多城市的10 kV配電系統中應用，且已推廣到國內多個省市的雷電事故多發地區投入運行，截止2017年底，掛網運行12年以上的增強絕緣型高壓電能表有3塊；掛網運行10年以上的有100多塊；掛網運行5年以上的有一千多塊，均未見有因此而影響電網安全穩定運行的事故發生，得到了用戶的廣泛認可和一致好評。

5 結束語

增強絕緣型高壓電能表在制造上，提高了復雜工況下的絕緣耐受水平，并通過按一、二次電氣設備融合的結構而加工制造，實現了“互聯網+電能計量”的新目標，簡化了配電網電力線路、減小了高壓電能計量裝置的占空系數，明顯降低了電能計量環節的能耗，節約了高壓電能計量裝置制造所需的原材料，安裝、運行、維護方便，而且具有極好的防竊電特性；比普通型高壓電能表安全可靠性得到提高，與傳統高壓電能計量裝置相比更體現出顯著的優越性。它的產品化和成功掛網使用，充分體現出智能電網建設安全、可靠、經濟、高效、環境友好的宗旨，具有很好的推廣應用價值。