環網柜聯絡關口新型高壓電能計量裝置的研制

賴榮光，高成成，譚武漢

（1.珠海安瑞通電子科技有限公司，廣東 珠海 519000；2.國網郯城縣供電公司，山東 臨沂 276100）

0 引 言

國家電網公司在2016年開始部署與應用一體化電量和線損管理系統（簡稱同期線損系統），全面推進同期線損系統建設工作，實現分區、分壓、分元件、分臺區的“四分”線損管理；2020年提出全力開展提質增效專項行動，工作方案要求“降低技術線損和管理線損，提升電網經濟運行水平，推動營配貫通，有效治理線-變-戶關系，狠抓高損線路、臺區治理，持續開展同期線損監測”。隨著同期線損10 kV分線治理工作的深入開展，各網省公司要求持續降低線路打包率，加快推進獨立分線線損計算。但是10 kV 環網供電的架空線路與電纜線路的大部分聯絡關口目前缺少電能計量裝置，當出現負荷轉供時造成聯絡線路的一條線路線損偏高，另一條線路為負，增加了治理10 kV 分線出現高（負）線損的難度，不能有效提升線損的精益化管理，因而需要在聯絡關口加裝雙向計量裝置，為10 kV 分線線損計算提供真實的輸入或輸出電量。《10（20/6）千伏線損關口建設改造原則》明確了10 kV 線損關口安裝范圍，包括變電站10 kV 出線開關、開關站出線及聯絡開關、線路常開聯絡開關、環網柜（箱）常開聯絡開關、公變臺區低壓側計量點、專變用戶計量點、分布式電源10 kV 上網計量點等，改造的原則為“增加計量專用TA、TV 及電能表”或“安裝具備雙向計量功能的自動化終端”，配置的電流互感器精度不低于0.5S，電壓互感器精度不低于0.5。目前臺區線損關口計量裝置已經“全覆蓋、全采集”，而配電線路分線線損還面臨著架空線路與電纜線路聯絡關口電量缺失的突出問題，安裝傳統高壓計量裝置（由傳統電壓互感器TV 與電流互感器TA、電能表、專變采集終端及其二次接線組成）去解決存量線路重要關口的雙向計量則存在停電困難、安裝位置空間不足、施工周期過長、線路或設備改造工作量大、原互感器精度不滿足計量要求等客觀因素。

用于連接地下電纜并且實現環網供電的10 kV 環網柜已經成為現代城市配電網主要的應用模式，在配電網絡節點中起著分支、分段、聯絡的功能，主要實現接受與分配電能的作用，但是已經投運的大多數環網柜均沒有考慮計量功能，近幾年國內有些廠家已經推出了應用于10 kV 配電網同期線損管理與考核的新型柱上型（架空型）高壓電能計量設備和環網柜型電能計量裝置。10 kV 戶外環網柜大多采用單元式拼裝結構，通常具有3 ～6 個間隔，每個間隔的體積都很小，環網柜內的母線、負荷開關、電動操作機構等均密封在SF6 氣箱內，只有電纜室可以打開，其內部10 kV 進線或出線分支電纜的金屬接頭密封在電纜附件內，且內部沒有足夠空間安裝電磁式電壓互感器并保證足夠的安全距離；如果在環網柜外單獨加裝計量箱（柜），會面臨新占用地（審批）、擴展電纜井、改造成本高、施工周期長等問題，甚至破壞環網柜既有的“全密封、全絕緣”性能。文獻[6-9]提出了一種適用于環網柜聯絡開關的關口電能計量裝置，采用基于高壓電壓分壓的后插式電壓傳感器實現電壓取樣，通過開啟式電流互感器套在電纜上獲取電流信號，將二次電壓、二次電流的多回路模擬小信號輸入到三相電能表，組成整體計量方案，有功電能精度可達到0.5 級。不同廠家環網柜型號和結構差距較大，且所使用的電纜附件如前插、后插的尺寸或錐度存在差異，以后插式電壓傳感器接入到原有電纜分支前插的后端，極大可能導致不同廠家的前插與后插不能通過過盈配合實現高壓絕緣，通常做法是更換原有前插，并在現場拆除原有前插與應力錐、重新制作電纜接頭、安裝新的應力錐與前插，最后在新前插的后端安裝電壓傳感器和堵頭，安裝完成時間約為150 ～180 分鐘，這樣就增加了安裝人員的施工難度與勞動強度，存在破壞原有電纜室內電纜及其附件之間絕緣性能的隱患。為了解決上述問題，本文設計了一種適合安裝于環網柜聯絡關口、基于堵頭式電壓傳感器的高壓電能計量裝置，只需要更換原有堵頭，廣泛適應不同廠家、不同配置的環網柜計量改造，也不破壞既有電纜分支及其前插的連接關系和絕緣水平，投資成本低，兼容性好，施工時間約為30 分鐘。

1 堵頭式環網柜電能計量裝置的設計

堵頭式環網柜電能計量裝置的設計思路以安全性高、結構輕巧、安裝方便、整體校驗為原則，按照三相三線制的兩元件法計量，由非傳統的電子式電壓傳感器、電子式電流互感器、低壓表計等分立部件組成整體計量方案，完成電氣參數測量、電能計量和遠程通信，同時具有顯示、加密、通信等功能，具體小型化、重量輕、功耗低、安裝快等特點。計量裝置的額定電壓10 kV，電流規格150（600） A，在高壓電能計量設備檢驗裝置中完成整體誤差校準，有功電能精度為0.5S 級，無功電能精度為2 級。低壓表計自帶4G 通信模塊和硬件加密芯片，將電壓、電流、功率、電量等數據遠傳至用電信息采集系統或配電自動化系統，為同期線損系統提供10 kV 分線線損獨立計算的關口電量。

1.1 電能計量裝置的組成

本文設計的堵頭式環網柜電能計量裝置包括：堵頭式電壓傳感器、開啟式電流互感器、電壓采樣匯集單元和低壓表計，以及相互連接的航空電纜，裝置的各個部件及其連接關系如圖1所示，安裝時，分別拆除原有A、B、C 三相電纜分支前插的后端堵頭，直接擰緊堵頭式電壓傳感器；將開啟式電流互感器打開后，直接套接在A、C 相的分支電纜上，再將互感器閉合鎖緊；電壓采樣匯集單元固定在電纜室內，低壓表計采用壁掛式安裝在方便從PT 柜取電的柜體位置。電壓傳感器與電壓采樣匯集單元、電壓采樣匯集單元與低壓表計、電流互感器與低壓表計，都采用航空電纜連接，避免人為接線錯誤。另外，低壓表計的工作電源取自PT 柜現有電磁式電壓互感器二次側的交流220 V 或直流48 V，減少了單獨設計在電纜室內依靠電流或電壓的取能模塊，例如CT取能或電容分壓器取電的設計方案，也降低了設備成本。

圖1 堵頭式環網柜電能計量裝置系統組成圖

1.2 堵頭式電壓傳感器

堵頭式電壓傳感器的設計采用電容分壓技術原理如圖2所示，主要由高壓臂阻抗1、低壓臂阻抗2、變壓器等組成，經過電壓采樣匯集單元的電壓變換、誤差調整與高低壓隔離之后，輸出三相相電壓與零序電壓信號，額定電壓比分別為：（10 kV/ √3）/（3.25 V/ √3）、（10 kV/√3）/（6.5 V/√3），相電壓準確度為0.5 級，零序電壓準確度為3 P。分壓電容為陶瓷與聚丙烯膜電容組成的復合電容結構，以環氧樹脂澆鑄于堵頭式絕緣結構中，絕緣結構外表面為地點位金屬屏蔽層，保證了電壓傳感器具有較低的溫度系數和較高的穩定性。

圖2 堵頭式電壓傳感器原理圖

根據《GB/T 20840.7—2007 互感器第7 部分：電子式電壓互感器》的誤差試驗要求，在80%～120%額定電壓及功率因數為0.8（滯后）的25%～120%的額定負荷下，其額定頻率時電壓互感器的電壓誤差與相位誤差。為了獲得堵頭式電壓傳感器在不同溫度下的電壓誤差與相位誤差，搭建了由程控三相功率源CL303、三相多功能標準表CL311V2、10 kV 標準電壓互感器（帶升壓）和恒溫恒濕試驗箱組成的高低溫試驗系統，其中堵頭式電壓傳感器變比約為3 077，標準電壓互感器變比為100。通過功率源輸出不同的低電壓、功率因數0.8 C 和固定電流50 A，經過10 kV 標準電壓互感器升成80%～120%額定電壓輸出到電壓傳感器的一次側，而10 kV 標準電壓互感器二次側與電壓傳感器二次側分別反饋到標準表的電壓輸入端Ua 與Ub，記錄標準表的A 相與B 相電壓幅值與角度，其電壓誤差（比差）和相位誤差（角差）隨溫度變化的測試結果如圖3和圖4所示。

圖3 堵頭式電壓傳感器隨溫度變化的電壓誤差

圖4 堵頭式電壓傳感器隨溫度變化的相位誤差

結果表明，最大電壓誤差的絕對值為0.49%，最大相位誤差為19.9′，在溫度-40 ～80 ℃范圍內達到了0.5 級測量用電子式電壓傳感器的精度。電壓誤差的絕對值隨著溫度升高而增大，主要原因是電容受溫度變化的影響。

1.3 開啟式電流互感器

開啟式電流互感器實質上為低功耗線圈（LPCT），為了安裝方便設計成開啟式結構，選取超微晶磁芯材料比冷軋硅鋼片具有更高的磁導率，適合制造0.2 級以下的TA 磁芯，經濟技術指標較好；具有不飽和、無鐵磁諧振、頻響范圍寬、測量范圍大、線性度好等特點，滿足10 kV 環網柜負荷電流小于630 A 的實際需求。為了提升二次電流測量精度，提高了二次繞組匝數和降低取樣電阻阻值，一二次側匝比設計為1：2 000，取樣電阻1 Ω，溫飄系數25 ppm。二次電流信號輸入至低壓表計的專用計量芯片ATT7026EU 實現電流采樣，并且在軟件算法上融合了比差與角差的數字補償和溫度補償技術。由于電子式電流互感器較傳統電磁式電流互感器輸出精度更易受到溫度變化的影響，根據《GB/T 20840.8—2007 互感器第8 部分：電子式電流互感器》規定的試驗條件，在所搭建的高低溫試驗系統中對此電流互感器在不同溫度下施加了1%～120%的額定電流以及固定輸出100 V 電壓，所測量的電流誤差（比差）與相位誤差（角差）隨溫度變化的結果參如圖5和圖6所示。

圖5 開口式電流互感器隨溫度變化的電流誤差

圖6 開口式電流互感器隨溫度變化的相位誤差

結果表明，最大電流誤差為1.25%，最大相位誤差為15′，此電流互感器的電流誤差與相位誤差在溫度-40 ～80℃范圍內達到了0.5 S 級測量用電子式互感器的精度。

1.4 計量裝置的整體校準

目前傳統高壓計量裝置的電磁式電壓互感器、電磁式電流互感器和電能表按各自標準分開校準與檢定，傳統方式通過計算得出裝置電能計量的綜合誤差，不滿足國際電工委員會（IEC）規定的基本原則，所有儀表和計量裝置的誤差都必須進行實際測量，不能從理論計算的綜合誤差定義電能計量裝置的誤差。本文設計的新型高壓電能計量裝置，選取電子式的電壓、電流互感器和小信號模擬量輸入型低壓表計，改變了傳統的計量方式，通過航空電纜將分體式部件連接成整體計量裝置，在高壓電能計量設備檢驗裝置進行整體誤差檢定，經過整體校準和檢定后，裝置包含的任一部件不能更換成同類某個部件以保證其整體誤差的可溯源性。

依據《GB/T 32856—2016 高壓電能表通用技術要求》對所設計的高壓電能計量裝置進行整體校準，其中額定電壓U為10 kV、額定電流I為150 A、最大電流為600 A。在參比條件下，檢驗裝置輸出不同的功率因數（阻性1.0、容性0.8 C、感性0.5 L）和0.05I≤≤的電流，其中正向有功電能百分數誤差的檢定結果如表1所示。其中分相的有功電能最大誤差0.39%，合相的有功電能最大誤差0.38%，裝置的有功電能整體誤差達到了0.5S 級。

表1 正向有功電能百分數誤差 單位：%

2 同期線損系統的應用

在10 kV 環網柜聯絡開關安裝了本設計的高壓電能計量裝置之后，以接入用電信息采集系統為例，說明其在同期線損系統的應用流程，如圖7所示。

圖7 堵頭式環網柜電能計量裝置的應用框圖

計量裝置需要在SG186 系統建檔，增加計量點和采集點方案，包括電能表、互感器和終端參數，如設備資產號、表計地址、采集端口、通信規約；PT 與CT 的變比；終端邏輯地址、出廠編號、通信規約、SIM 卡信息等。隨后同步檔案信息至用電信息采集系統，由采集系統完成數據采集，包括當前電壓、電流、功率、功率因數、電能示值等，以及日（月）凍結的正/反向有功電能示值、正/反向無功電能示值等，并保存到營銷基礎數據平臺。在同期線損系統中選擇聯絡兩條線路配置線路模型，系統每日（月）會自動從數據平臺獲取聯絡關口計量點的電量以自動計算日（月）線損，從而保證聯絡的兩條線路分線損計算的獨立性和正確性。

假設關聯線路1 轉供關聯線路2，裝置電能為正向計量，則聯絡開關線路模型配置如下：

（1）在關聯線路1 下配置輸入和輸出：輸入模型“反向加”，輸出模型“正向加”。

（2）在關聯線路2 下配置輸入和輸出：輸入模型“正向加”，輸出模型“反向加”。

3 結 論

本文設計的高壓電能計量裝置具備高精度采樣、施工方便、實時在線等特點，應用于10 kV 環網柜聯絡關口實現關口計量，有功電能整體誤差達到0.5S 級，符合線損計算的要求；裝置小型化與分體式設計，解決了電纜室間隔狹小、安全距離不夠而無法加裝傳統高壓計量裝置的難點，改造成本低。與后插式電壓傳感器相比，所研制的堵頭式電壓傳感器結構簡單、安全性高、可輸出零序電壓，不用拆除或破壞原有分支電纜及其電纜附件的連接關系，對基層安裝人員而言，縮短了施工周期，降低了勞動強度。選用超微晶材料設計的開啟式電子式電流互感器，具有不飽和、測量范圍大、線性度好等特點，只需一種電流互感器規格即可滿足環網柜負荷電流0 ～630 A 的應用需求。低壓表計通過4G 遠程通信模塊將數據遠傳至用電信息采集系統或配電自動化系統，為同期線損系統提供臨時性或永久性負荷轉供時的精準輸入電量與輸出電量，不再依賴人為捆綁其他線路的用電量來彌補10 kV 分線線損超標的電量缺口。

針對架空線路或環網柜（箱）的聯絡關口，在不影響用戶用電的情況下快速改造或增設雙向電能計量裝置，才能有力推動技術降損與管理線損。只有實現了配電線路所有關口計量的“全覆蓋、全采集”，線路運行時不管是否發生負荷轉供，10 kV 分線線損都照常獨立計算，更容易發現10kV分線線損的異常波動，有助于精準定位線路高（負）線損的原因，有效地降低分析城區復雜環網線損的難度，極大地提升同期線損的考核指標與在線監測率。