10kV高压电能质量在线监测装置的研究现状及发展方向

董森森武振宇高自力牛宇干平海涛

（1. 平顶山平高安川开关电器有限公司，河南 平顶山 467001；2. 国网河南省电力公司平顶山供电公司，河南 平顶山 467001）



10kV高压电能质量在线监测装置的研究现状及发展方向

董森森1武振宇2高自力2牛宇干2平海涛1

（1. 平顶山平高安川开关电器有限公司，河南 平顶山 467001；2. 国网河南省电力公司平顶山供电公司，河南 平顶山 467001）

从高压侧进行电能质量在线监测的需求日益增强。针对此现状，本文研究了各种高压在线监测装置的优缺点，提出了高压在线监测装置的发展方向及其核心技术，并对各种装置及核心元器件的国内外研究现状进行了介绍。

电能质量；高压在线监测；带电安装

现代电力系统中，用电负荷结构发生了重大变化，分布着大量非线性、冲击性和波动性负荷［1-2］，比如大功率的调压及变频设备、炼钢电弧炉、电气化铁路、化工行业大型整流设备、感应加热炉等，由于这些负荷的存在，使得电网发生波形畸变（谐波）、电压波动或闪变、三相不平衡的几率大大提高，进而严重影响电网的电能质量。同时，随着基于微机处理技术的精密电子仪器在电力工业中大量使用，社会对供电质量的敏感程度越来越高，对电能质量的要求也越来越高，从而使得电能质量问题及其解决措施逐渐成为研究的热点［3-4］。

要对电网的电能质量进行改善，首先要对电能质量做出精确的检测和分析，测量电网的电能质量水平，并分析和判断造成各种电能质量问题的原因，为电能质量的改善提供基础依据。

10kV配电网作为最终电力用户的配电网络，分部最广、网架结构和负荷变化最为复杂、由于直接连接着供电负荷，其电能质量最易受到影响。从整个电网系统看，提高配电网电能质量水平对提高整个电网电能质量水平的贡献重大；从配电网承上启下的供电作用看，有效地将 10kV配电网的电能质量予以优化提高，直接决定着上游电网和下游用户的电能质量［5-6］。因此，电网系统电能质量管理的首要任务，就在于全面建成 10kV配电网的电能质量在线监测系统。

抓住这个要害意味着需要对整个配电网进行动态实时的监测，这种监测是分散的，是多点分布监测的。不仅如此，随着因特网的发展，电力企业更加要求监控具有多点成面的效果，能够构成全网的实时监测与全网监测信息的共享。在此情况下，引进了分布式的概念，从而使得电能质量的监测也具有分布式的效果，完全符合电力企业的要求。

目前，国内外对电能质量的监测方式主要为在线监测，且主要集中在低压侧，若实现对高压侧的直接监测，需要与高压传统电磁式互感器配合测量。

传统高压电磁式互感器无法在不断线不停电的条件下带电安装，且具有易铁磁饱和、测量范围小、响应频带窄、易铁磁谐振、自身功耗大等原理性缺陷，大量安装后还会增加线路铁磁谐振点［7-8］、增加线路无功等导致电网安全经济运行水平降低的缺陷，使得现有设备无法满足电网用户对快速灵活的分布组网进行监测，以获取大数据的需求。

由于配电网中大量高损耗配电变压器的存在，以及需要对分支线路进行分线监测，使得从高压侧直接进行电能质量监测的必要性日益增大。另外，用户对供电可靠性要求越来越高，停电施工越来越难，从而要求大部分的电能质量在线监测需要在现有的运行电网中进行带电安装，这就使得电能质量在线监测装置可实现带电安装的需求越来越强。

本文首先对各种 10kV高压在线监测装置的原理进行分类比较，进而总结了高压在线监测装置的应用领域，提出了技术发展方向，最后介绍了高压在线监测装置及核心元器件的国内外研究现状。

1 高压在线监测装置分类及特点

从技术上看，目前在 10kV配电网中可实现高压侧电能质量在线监测的装置包括［9］：基于传统高供高计的电能质量在线监测装置［10］、基于传统电磁感应原理的高压电能表、基于低功率线圈（以下简称LPCT）和分压原理的高压电能表［9-11］、基于罗氏线圈和电容分压原理并可带电安装的高压电能质量在线监测装置四大类，具体特点比较见表1。

表1　10kV高压在线监测装置的分类及特点

当前实现高压侧电能质量在线监测的绝大部分方式为第一种；其中前三类技术方案，均无法在不断线不停电的条件下安装；后三类技术方案，在二次测量回路上均没有二次转换，消除了二次测量误差，整体测量精度比第一种要高；其中传统高计型和传统电磁型均存在容易磁饱和、易铁磁谐振、以及大量安装会增加线路无功等安全经济性缺陷；LPCT及分压型由于采用两元件设计和 AC相高压侧采集计算电能的技术方案［11-12］，无法同时一起采集计算三相电流电压量，当用于电能质量在线监测时，尚需要解决数据同步问题。

综上所述，若要实现不停电不断线的条件下进行高压侧电能质量在线监测，以及大面积安装不会引起电网运行的安全经济问题，就必须从电流互感器、电压互感器以及供能互感器三大核心部件入手。制约该类产品尚不能具备这些功能的主要原因在于：开口电流互感器［13-14］的绝缘水平、抗干扰度、准确度和温漂特性；电容分压器的绝缘水平、抗干扰度、准确度和温漂特性；以及高压电容供能问题。因此，如何解决这些核心部件的技术难题，如何解决可带电安装的高压电能质量在线监测装置的产品性能一致性和可靠性问题，成为产品大批量实用化应用的关键所在。

经过多年的研究和发展，基本形成了行业共识：大力发展配电网带电安装设备、并建成分散分布式［15］的高压侧电能质量的在线监测系统是必然的趋势，由于传统电磁式互感器和现有高压电能表的种种弊端和局限性，基于这些技术方案实现的高压电能质量在线监测装置将只是过渡性产品，而可带电安装的高压电能质量在线监测装置则由于其理想的方案设计，将会成为 10kV高压电能质量在线监测最具前景的方案。

2 10kV可带电安装的高压电能质量在线监测装置的应用领域

10kV可带电安装的高压电能质量在线监测装置的应用领域主要体现在以下几个方面。

2.1变电站主变10kV出线侧的应用

在变电站主变 10kV出线侧加装该装置，可整体在线监测各条出线的实时电能质量指标，可更有针对性地实现分区电能质量管理。

2.210kV配电网分支线路的应用

随着 10kV可带电安装的高压电能质量在线监测装置的应用，分线管理电能质量和线损将成为现实，随着配网自动化的发展，在各类随机的网架重构，以及分布式电源接入下的线损计算和电能质量监测将变得轻松，这将有效解决广大城乡配电网导线线径普遍偏小而无法预防安全运行的问题。另外，分散分布式监测［15］，以及高精度的三元件原理设计为大幅提高接地故障判定精度提供了有效的基础数据支撑。

2.3配电变压器高压侧的应用

将 10kV可带电安装的高压电能质量在线监测装置与配电变压器低压侧表计配合，可实现高损配电变压器损耗的实时监测，同时也能有效解决用户窃电问题。

2.4电力电子装置中的应用

目前，电力电子装置在电力系统以及其他行业已取得广泛应用。电力电子装置的应用，对电流、电压传感带来了挑战，提出了更高的要求。电力电子装置通常采用全控器件，其电流、电压大部分为高频或非周期信号。由于常规CT存在响应速度慢、高频测量精度差等缺陷，基本无法应用；同时，霍尔传感器［16-18］极易受材料、温度及磁场等因素的影响，导致测量精度较差、且一、二次绝缘困难，使得这类传感元件也无法应用。同时，部分电力电子设备向电网注入高次谐波，影响电网安全，但因无合适的传感器而无法准确判断，因而 10kV可带电安装的高压电能质量在线监测装置有着广阔的应用前景。另外，基于分散分布式系统的大数据，全面实现配电网的无功潮流计算与监测也将成为可能，这将有利于利用配电网全网无功补偿与调压设备实现自动无功补偿与调压等遥调功能迭代算法的积累［19］。

3 国内外研究水平概述

目前，国内成熟和成形的同类产品尚未出现，但10kV可带电安装的高压电能质量在线监测装置中应用的开口电流互感器、分压型电压互感器及高压电容取能互感器，国内外厂家均有涉及，主要以电子式互感器厂家、各类低压互感器元件制造商以及成套高压电测仪器厂家为主［20］。

3.1核心元器件的国内外研究现状

开口电流互感器［13-14］主要有开口铁心线圈、柔性罗氏线圈和硬质开口罗氏线圈三类，开口铁心线圈应用成熟厂家众多、不胜枚举，该类线圈实现的高压开口互感器应用较多，但基本作为短时测量的仪器使用较多，且绝缘水平较低；开口罗氏线圈最具代表性的厂商为：英国PEM的柔性罗氏线圈和美国PEARSON的硬质罗氏线圈，但主要应用于户内低压仪表仪器测量上，其测量精度很高，但在温漂特性上设计考虑较少，且价格不菲［21-23］。

分压器型电压互感器主要分为电阻分压型、电容分压型两种，电阻分压器国内生产的温度特性比国外要差，且主要应用于环境稳定的户内测试仪器中，用于互感器的高压电阻基本从美国和德国的主要元件供应商进口，价格较高，作为互感器在实际的工程中应用较少；从应用最多的案例看，平高安川生产的 SF6断路器中采用的低温漂陶瓷高压电容分压器最具代表性，由该类电容器制成的电压互感器准确度较高，但该类电容器为气体绝缘，尚未在干式互感器上有过成熟应用。

采用高压电容分压取能的方式没有死区，可有效规避电流取能互感器因存在开口无法在小电流下输出功率的问题［24］、电磁式电压互感器供能有铁磁谐振安全隐患的问题、以及太阳能取能遇连续阴天无法蓄能以及光电池寿命有限的问题。另外，鉴于考虑产品的免维护性，外绝缘需制成干式。因此，大容量陶瓷电容成为首选，目前该类供能方式武汉国测等公司有过成熟应用［10］。

总之，国内外用于高压侧的开口电流互感器多用作短时测量仪器，部分作为长期运行设备的开口互感器基本采用开口铁心制成，除小电流测量准确度低外，因铁心开口处绝缘薄弱，容易产生安全问题，基本都作为临时仪器使用［24］。

电阻是耗能元件，分压器工作时会消耗一定的能量转化为热量，一般的树脂浇注体导热系数较低（一般小于 1W/m·K），所以电阻分压原理的电压互感器内部会积聚大量热量，使传感元件及其绝缘加速老化，因此，该类方式本项目不予采纳。而电容是非耗能元件，故电容分压器工作时几乎无损耗，无发热，从而获得了广泛应用。

3.2国内相关产品研究现状

目前，国内现有成型的产品中，高压电能表与可带电安装的高压在线监测装置最为相近。国内自2001年开始，对高压电能表的基本理论、实现方案等进行了广泛调研，对一些关键技术进行了研究，取得了初步的试验结果，在原理上论证了方案的可行性。

清华大学分别于2001年和2004年研制了基于DSP的高压电能表和采用光纤电流互感器的高压电能表，但没有实现产业化［25］。

国内也有其他公司相继进行高压电能表的研发并取得了小批量应用，代表厂家有：武汉国测推出的两元件结构的、基于LPCT和电容分压器方案的高压电能表；山东淄博计保、长沙威胜先后研制的两元件结构的、基于传统电磁式互感器的高压电能表。这些公司均有产品在 10kV配电网上有过挂网运行和小批量应用，但均不能在不停电不断线的条件下带电安装，另外，该类产品对温度环境应力的免疫性、以及大面积应用下的长期稳定性和安全经济性方面的表现尚须经实践检验。

总之，国内已有多家科研单位对此项技术开展研制，具备了一定的基础，有多套具备高压电能计量的装置已挂网运行，但受到产品功能和可靠性不足的制约，目前离大规模推广应用尚有一定距离。

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4 结论

综上所述，在 10kV高压电能质量在线监测装置中，可带电安装的监测装置的市场潜力巨大，它不仅将会填补该类产品在国内外市场的空白，还为配电网节能降损的闭环解决方案提供了技术支撑，由此产生的直接和间接经济效益将以每年数十亿计。更为重要的是，由于 10kV可带电安装的高压电能质量在线监测装置的使用提高了系统的安全性和可靠性，从而大大减少事故发生概率，由此带来的经济及社会效益将更为可观。

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，工程硕士，工程师，主要研究方向：柱上开关及配电网自动化技术。