电子式互感器在10 kV一体化电能计量装置中的应用

胡红陔 柴玲芳

（珠海威瀚电气有限公司，广东珠海519000）

0 引言

20世纪60年代，国外开始研究电子式互感器，但由于技术问题，一直处于理论及实验研究阶段。90年代初期才有了实际性的进展，取得了一定的成果，多种类型的产品开始出现。此时电子式互感器才进入实用化研制阶段，并逐步朝高压、超高压和特高压的方向发展。我国对于电子式互感器的研究始于20世纪70年代，以1982年在上海召开的“激光工业应用座谈会”为起步[1]。

电子式互感器与传统互感器相比，具有无磁饱和，测试范围大，二次输出无畸变，无安全隐患的优点；同时由于与电子式互感器相连接的电子线路都是小电流、小负载，从而减小了体积和重量。

采用电子式电流、电压互感器，接上电能计量模块及其他辅助电路，可组成一种新型的一体化电能计量装置。这是电子式电流、电压互感器的一种应用，它由于体积小而使得安装、维护更加方便，不需要专门的计量柜，同时也降低了成本，还减小了本身的功率消耗，起到了对传统电能计量装置更新换代的作用。

1 10 kV一体化电能计量装置的工作原理

我公司研制了一种10 kV一体化电能计量装置，内含电子式电压/电流互感器、多功能电能数据处理及远程通信单元和高压取能电路，其逻辑结构如图1所示。

图1 10 kV一体化电能计量装置逻辑图

1.1 电子式电流互感器

电子式电流互感器从用途上分，可分为测量和保护。从原理上分，可分为光学电流互感器、空心线圈（或叫Rogowski线圈）电流互感器和低功率电流互感器（LPCT）[2]。

1.1.1 光学电流互感器（包括光纤电流互感器）

它主要采用光学器件作为被测电流传感器，光波物理特征由被测电流调制，光波调制可分为强度调制、波长调制、相位调制和偏振调制等。这种电流互感器，技术较复杂，调试维护较严格，成本较高，大批量用于中压电力系统不太适合。

1.1.2 空心线圈电流互感器

空心线圈又叫罗氏（Rogowski）线圈，空心线圈电流互感器是一种在非磁性材料的骨架上均匀绕制了线圈的穿心式电流互感器。

它的测量理论是安培环路定律：在恒定磁场中，磁场强度H沿任何闭合回路的线积分，等于这闭合回路中所包围的所有电流之代数和。

式中，dl为线圈上小段长度；H为磁场强度。

式中，B为线圈内部的磁感应强度；μ为磁导率；e（t）为线圈两端的感应电压；N为线圈匝数；M为线圈的互感。

由此可见，线圈一定时，M为定值，线圈的输出电压正比于被测电流的微分，故在输出电压后加上积分器，即可得到与一次电流成正比的电压。

与传统的电流互感器相比，它的测量范围宽（0～1 000 kA），线性度高，通频带宽，无剩磁，无二次开路危险，过电流能力强，制造成本低，功耗小，尺寸小，重量轻。但要在批量生产的计量装置中使用，主要问题是控制转换误差和分布误差。同时，由于罗氏线圈输出的电压信号能量太低，要传输到计量装置并进行积分处理，易受干扰，且传输和转换会增加额外误差，故实现较高准确度测量比较困难。因此，空心线圈电流互感器应用于保护场合具有优势。

1.1.3 低功率电流互感器（LPCT）

对于中压计量的电子式电流互感器可以采用低功率CT（LPCT）。LPCT与常规CT的工作原理相同，但它在常规CT的基础上，为适应电子产品接口的要求，减小了输出功率和信号值；同时选用优质非晶合金磁芯，改善了磁芯的饱和度，扩大了测量范围。因此，其铁芯截面较小，体积小，成本低。

但由于输出信号及容量小，也易受干扰，故在使用时，不宜选择普通开启式LPCT；另外，应与计量模块整体设计，使得电流输出在测量线性范围内，并整体校验。

1.2 电子式电压互感器

电子式电压互感器按原理可分为光电电压互感器、电容分压式和电阻（阻容）分压式电压互感器。

光电电子式电压互感器的原理是利用光学晶体的物理效应进行电压测量，同样具有无磁饱和抗干扰能力强等优点，但其技术复杂，对环境温度和外界应力敏感，成本较高；电容分压式互感器具有暂态性能好，与二次无直接电的联系等优点，但电容易受环境温度影响，使测量准确度控制比较困难；电阻分压式互感器是用精密电阻作为分压元件，技术成熟，结构简单，具有测量准确度容易控制、体积小、重量轻、成本低等优点。而且只要高压臂与低压臂的温度系数方向一致、数值相当，温度系数的大小对分压输出没有影响。但电阻的功率和绝缘受体积限制无法做到较大，因而其主要用于中压电力系统[3]。

电阻式电压互感器的测量主要受高压电场环境下杂散电容的影响。由于杂散电容的存在，电容性电流叠加在电阻分压器的电阻电流上，使得二次输出不再精确地满足电阻分压的理论关系。

采用屏蔽是改善电场分布状况和杂散电容影响的有效方法。如图2所示，在高压臂、低压臂上分别加上两块金属层，可使得大部分杂散电容保持固定，不受环境变化的影响。而固定不变的杂散电容可通过校验，用软件加以校正（变成实际上阻容分压）。

图2 电阻分压器杂散电容分布

屏蔽是关键技术，屏蔽电极的设计要解决绝缘强度、整体尺寸与屏蔽效果之间的矛盾，需要较高的电磁兼容设计水平和大量的实验数据。我公司经过多年的理论和实践积累，已经成功解决了这一问题。

2 实验部分

2.1 10 kV一体化计量装置准确度测试及校验台

我公司就10 kV一体化计量装置的测试研制了一套校验测试台，原理框图如图3所示。由高压电源同时提供给由标准互感器和标准电能表组成的标准高压电能计量系统和被校电能计量装置，再在电能计量校验台上校验，得出计量误差。然后计算校准参数，写入10 kV一体化计量装置的内存，从而使计量误差达到最优。目前我公司研发的10 kV一体化计量装置准确度测试及校验台可达到测试0.2S的要求。

图3 10 kV一体化计量装置测试及校验台原理图

2.2 实际检定

任选两个试品进行校表及检验，记录参数如表1所示。

表1 实验品校表及检验记录参数表

校准后，按照企标的要求对所有功能、所有的测试点及环境影响、电磁干扰进行检测（数据略）。检测证明，完全满足标准0.2S级的要求。

3 结语

新型电子式互感器用于10 kV一体化高压计量，完全满足标准要求。由于体积小、重量轻，其运输、安装等都更加容易、方便；同时因整体式制造、检验、安装，可确保安装时的准确度不变；且不需要单独的计量柜，可以安装在柱上或高压开关柜内；对于材料的消耗以及本身的电能消耗也远远小于传统互感器，充分体现了节能、环保的特点。由于以上优势，新型电子式互感器将对传统电能计量装置起到更新换代的作用。

[1]李映雪，聂珣.电子式互感器的发展前景[J].湖北电力，2007，31（6）：28-29.

[2]胡鹏.电子式电流互感器的原理及应用[J].云南电力技术，2011，39（5）：72-76.

[3]方春恩，李伟，王佳颖，等.基于电阻分压的10 kV电子式电压互感器[J].电工技术学报，2007，22（5）：58-63.